Advanced Science：团队揭示前扣带回皮层Kainate受体参与皮层-纹状体投射对癫痫调控的新机制

癫痫，又称“羊癫疯”是一种破坏性的神经系统疾病，严重时会导致脑功能障碍和死亡。然而，癫痫的中枢发病机制仍不清楚，缺乏有效且副作用小的抗癫痫药物。目前的抗癫痫药物主要作用于电压门控的Na⁺或 Ca²⁺通道，如卡马西平、加巴喷丁等。但这些药物副作用大，且不能从根本上消除癫痫的发作，并对大约30%患者的癫痫发作不起作用。因此，加深对癫痫发作的神经机制的研究，以及寻找新的抗癫痫药物靶点有着非常重要的研究意义和临床价值。

神经元兴奋性或兴奋抑制平衡的改变被认为可能是癫痫发作的关键机制。谷氨酸受体作为大脑中主要的兴奋性受体在癫痫发作中起重要作用。红藻氨酸受体（Kainate receptor, KAR）是一种离子型谷氨酸受体，在突触传递和可塑性中发挥重要的作用。大量研究表明谷氨酸类似物红藻氨酸（Kainic acid, KA）已被广泛用于诱导行为性和电生理性癫痫发作，谷氨酸受体的拮抗剂也有助于减弱癫痫发作。然而，KAR受体在癫痫发生和发展中的作用并不清楚。此外，癫痫的发作除起源于颞叶海马之外，也与皮层和皮层下区域的阵发性协同活动密切相关，皮层兴奋性紊乱可能会加剧癫痫的发作，然而皮层-纹状体投射环路（Corticostriatal projections）作为前脑回路的重要组成部分在癫痫的作用并不明确。

近日，西安交通大学卓敏和李旭辉团队在《Advanced Science》发表题为 “Increased GluK1 Subunit Receptors in Corticostriatal Projection From the Anterior Cingulate Cortex Contributed to Seizure-Like Activities”的研究论文，该研究结合VISoR全脑成像、膜片钳电生理、行为学、药理学、光/化学遗传学、脑电记录和钙成像等综合性方法揭示了来自前扣带回皮层（Anterior cingulate cortex，ACC）的皮层纹状体投射环路的KAR受体参与癫痫调控和治疗的作用，为癫痫的发病机制和治疗策略提供了新的视角。

1. ACC到背侧纹状体的谷氨酸能投射

首先，通过病毒追踪并运用VISoR成像和3D重建技术，发现ACC到纹状体存在大量直接投射纤维。逆行腺相关病毒标记和免疫染色实验则进一步证实ACC投射到纹状体的神经元主要是CaMKII兴奋性神经元。通过光遗传实验证明，ACC到纹状体的投射为单突触连接。随后，在电生理实验中，发现刺激ACC的II/III层和V/VI层均可在背侧纹状体神经元中诱发EPSCs，AMPA/KA受体拮抗剂CNQX和NMDA受体拮抗剂AP-5可迅速大幅阻断EPSCs，表明ACC到纹状体的投射为谷氨酸能投射，主要由AMPA/KA受体介导。

2. 生理条件下KAR不介导ACC-纹状体投射的基础突触传递

接下来，在纹状体神经元中，用AMPA受体拮抗剂GYKI 53655分离KAR介导的EPSCs。研究发现刺激ACC引起背侧纹状体神经元的EPSCs，其幅值被GYKI 53655快速显著地降低；然而在ACC内即使存在GYKI 53655，KAR介导的EPSCs仍显著出现，且可被CNQX阻断。随后，通过纹状体神经元重复刺激实验，光遗传实验以及谷氨酸puffing实验，结果表明纹状体神经元中存在突触外含GluK1的KA受体。

3. 体外癫痫样活动增强ACC-纹状体中KAR介导的EPSCs

接下来，研究人员使用无镁人工脑脊液（Mg²⁺-free ACSF）诱导背侧纹状体神经元出现癫痫样活动。与正常ACSF组相比，灌注Mg²⁺-free ACSF不同时间后，ACC-纹状体突触中KAR介导的EPSCs显著增加，该EPSCs可被特异性GluK1拮抗剂UBP310和CNQX阻断。在GluK1^-/-小鼠中，灌注Mg²⁺-free ACSF 2小时后，KAR介导的EPSCs没有显著增强，且重复高频刺激对KAR介导的EPSCs和输入-输出曲线没有影响，表明体外癫痫样活动增强ACC-纹状体中KAR介导的突触反应。

4. 戊四唑（Pentylenetetrazole，PTZ）诱导的在体癫痫行为增强KARs的功能

除过离体脑片癫痫模型，研究者还尝试了PTZ诱导的在体癫痫模型。发现PTZ可显著诱导小鼠脑电图（EEG）改变，产生癫痫行为。Western blot结果显示PTZ注射后，ACC、纹状体和海马中GluK1亚基的表达均随时间显著增加，但GluK2/3、GluK4和GluK5的表达无变化。PTZ诱导癫痫后，纹状体神经元的放电频率显著增加，ACC到纹状体突触中KAR介导的EPSCs也显著增加。重复刺激使PTZ诱导癫痫小鼠中KAR介导的EPSCs显著增加，且输入-输出曲线显著左移。这些结果表明癫痫发生后，KARs的功能上调。

5. 抑制ACC-纹状体的环路减弱癫痫行为

利用光纤记录实验研究发现，PTZ注射后ACC和纹状体中都出现大量Ca²⁺尖峰，表明ACC和纹状体都在癫痫发作中被激活，且各自不同步的Ca发放活动暗示ACC和纹状体可能发挥不同的作用。通过化学遗传与光遗传实验证明抑制ACC到纹状体的投射可显著减轻癫痫行为，降低癫痫发作的等级和易感性，增加癫痫发作的潜伏期，降低死亡率，而激活ACC-纹状体环路由于天花板效应对癫痫无明显促进作用。

6. 阻断GluK1的作用减弱癫痫样行为

在GluK1^-/-小鼠中，PTZ诱导的癫痫行为的发作等级和易感性显著降低，癫痫发作潜伏期延长，死亡率降低。同时在纹状体和ACC中注射选择性GluK1抑制剂UBP310，可显著降低癫痫等级评分和易感性，但不影响癫痫发作的潜伏期，表明GluK1受体可能参与癫痫的维持，而对诱导的潜伏期没有明显的作用。

7. 腺苷环化酶AC1信号通路参与癫痫样活动

由于腺苷环化酶AC1是谷氨酸受体下游重要的信号分子，因此科研人员研究了AC1在癫痫中的作用。在AC1^-/-小鼠中，灌注Mg²⁺-free ACSF诱导癫痫样活动后，KAR介导的EPSCs与正常ACSF组相比没有增加；而在AC8^-/-小鼠中，KAR介导的EPSCs在灌注Mg²⁺-free ACSF后发生相应的增加。这表明AC1参与KAR介导的EPSCs在癫痫样活动后的上调。Western blot结果显示，PTZ诱导的癫痫发作后，ACC和纹状体中AC1的表达随时间增加。在AC1^-/-小鼠中，PTZ诱导的癫痫发作等级和易感性显著降低，PC阶段的潜伏期延长，死亡率降低；而AC8^-/-小鼠中没有这些变化。

此外，研究人员也在野生型小鼠中注射AC1抑制剂NB001，通过EEG记录和光纤记录发现，NB001可降低EEG的振幅和放电频率，减少ACC和纹状体中Ca²⁺尖峰的频率和强度，延迟其发生时间。此外，NB001剂量依赖性地降低了癫痫发作的等级和易感性，特别是显著延长了PTZ诱导的癫痫小鼠中PC和GC阶段的潜伏期，表明AC1可能在癫痫发作的诱导阶段扮演很重要的作用。

该研究工作首次揭示了ACC参与皮层纹状体投射环路对癫痫发作的易化作用，证明了ACC-纹状体环路中红藻氨酸KAR受体功能上调参与癫痫的调控，并进一步提出了抑制KAR-AC1信号通路可能是一种潜在的新型抗癫痫策略。

论文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202308444