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基于电针的迷走神经刺激通过体-脑回路减轻癫痫发作

期刊:PNASDOI:10.1073/pnas.2517600123

这份研究主要由来自浙江大学、浙江中医药大学及其附属医院的研究团队完成,核心作者包括Yu Wang、Yi Wang和Zhong Chen等。该研究于2026年3月17日发表在学术期刊《PNAS》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上。

研究的学术背景 本研究属于神经科学与神经调控的交叉领域,具体聚焦于癫痫的替代性治疗方法。尽管迷走神经刺激(Vagus Nerve Stimulation, VNS)是FDA批准用于治疗耐药性癫痫的疗法,但其侵入性、潜在副作用以及疗效限制促使科学界寻求更优的神经调控策略。另一方面,源于中医的针灸(Acupuncture)或电针(Electroacupuncture, EA)作为一种微创的神经调节技术,已有用于癫痫治疗的悠久历史和临床观察证据,特别是督脉上的大椎穴(GV14)显示出抗癫痫潜力。然而,其确切的神经环路机制尚不清晰,限制了其科学的优化和临床的广泛认可。因此,本研究的核心目标是:第一,系统性评估特定穴位(特别是GV14)电针的抗癫痫疗效;第二,揭示其发挥作用的精确神经解剖与功能环路;第三,基于此机制探索并验证具有相似疗效和通路的替代穴位;第四,评估一种可实现长期、微创刺激的针灸技术(埋线针灸)在慢性癫痫模型中的治疗潜力,最终为发展一种可替代传统VNS的、基于针灸原理的微创神经调控策略提供坚实的科学依据。

详细的研究流程与方法 本研究流程复杂而系统,综合运用了行为学、电生理学、神经环路追踪、化学遗传学、光遗传学钙成像等多种前沿技术,主要可分为以下几个核心部分: 1. GV14电针的广谱抗癫痫疗效评估: 此部分旨在确立电针治疗的有效性。研究者使用了多种广泛认可的急性癫痫小鼠模型,包括最大电休克模型(Maximal Electroshock, MES,模拟全面性强直-阵挛发作)、戊四唑模型(Pentylenetetrazol, PTZ,模拟全面性肌阵挛发作)、毛果芸香碱模型和红藻氨酸模型。研究对象为野生型小鼠,每组样本量通常为9-10只。具体流程是:在特定时间点(如癫痫诱发前或发作时),对小鼠的GV14穴位进行电针刺激,并通过X光成像确保针刺位置的准确性。随后诱发癫痫,通过视频记录评估发作潜伏期、严重程度(Racine分级)、持续时间、死亡率等行为学指标,同时通过植入式脑电(EEG)记录海马区的癫痫样放电活动(如总功率),以量化电针的干预效果。此外,研究还优化了电针参数(频率、强度、脉宽),并设置了严格的对照,包括假穴位刺激(如肩中俞SI15)和手动针刺对照,以证明疗效的特异性。 2. GV14电针激活的神经环路解剖与功能解析: 此部分旨在探究“穴位刺激如何影响大脑”。首先,环路追踪:向小鼠GV14部位注射跨突触示踪病毒(H129-HUbC-hBEGFP),该病毒可沿神经通路顺行传播。在不同时间点(注射后2-5天)观察病毒表达区域,从而绘制出从GV14皮肤到中枢的潜在多突触通路。结果显示,病毒首先标记了迷走神经的结节神经节,随后出现在脑干的孤束核尾部(caudal nucleus of the solitary tract, cNTS),并进一步上行至蓝斑核(Locus Coeruleus, LC)、臂旁核等区域,最终到达基底外侧杏仁核(Basolateral Amygdala, BLA)。这提示GV14可能通过激活迷走神经传入纤维,进而影响cNTS-LC-BLA这一通路。其次,功能验证:a) 迷走神经记录:在麻醉小鼠的颈部迷走神经处放置记录电极,实时记录GV14电针刺激前后神经放电频率的变化,证实电针能显著激活迷走神经传入活动。b) 脊髓环路排除:通过化学遗传学方法特异性抑制被GV14电针激活的脊髓C6-C8节段神经元,发现这并不影响电针的抗癫痫效果,从而排除了脊髓环路的核心必要性。c) 迷走神经切断实验:手术切断迷走神经后,GV14电针的抗癫痫作用完全消失,这直接证明了迷走神经传入对于该疗效是不可或缺的。 3. cNTS关键神经元群体的鉴定与操控: 此部分旨在确定迷走神经信号在脑干的第一站中,哪些神经元是电针起作用的关键“中继站”。首先,细胞类型鉴定:在GV14电针后,对cNTS进行c-Fos(神经元活动标志物)与各类神经递质标志物的共染色。结果显示,大部分被激活的cNTS神经元是谷氨酸能(vGlut2阳性)神经元,而非GABA能或儿茶酚胺能神经元。其次,功能性钙成像:在vGlut2-Cre小鼠的cNTS中表达钙指示剂GCaMP6m,并通过植入光纤记录神经元钙活动。发现GV14电针能引起cNTS谷氨酸能神经元强烈的钙信号升高,而手动针刺或假穴位刺激则效果微弱或无效果。最后,化学遗传学因果验证:这是本研究的亮点方法之一。研究者使用了“活性依赖的靶向重组”(Targeted Recombination in Active Populations, TRAP)策略结合化学遗传学。具体流程是:向cNTS注射携带活性依赖性启动子(E-SARE)的AAV病毒,该病毒只在神经元被激活时才表达Cre重组酶。在GV14电针后给予他莫昔芬类似物,就会永久性地“标记”并锁定那些被电针激活的特定cNTS神经元亚群。然后再向这些神经元中表达化学遗传学受体(如激活型HM3Dq)。最后,在癫痫模型中给予其配体CNO,即可特异性、可逆地操控这一小群被电针定义过的神经元。实验证明,化学遗传学激活这群“GV14定义”的cNTS神经元,足以模拟电针的抗癫痫效果;而如果先切断迷走神经再进行同样的标记和激活,则抗癫痫效果消失,证明了这群神经元的功能依赖于迷走神经输入。 4. 下游神经通路的精细绘制与功能验证: 此部分旨在阐明从cNTS到更高级脑区的完整通路。首先,下游投射追踪:同样利用TRAP系统,在被GV14激活的cNTS神经元中同时表达绿色荧光蛋白和突触前标记蛋白(synaptophysin-mRuby)。结果清晰显示,这些神经元的轴突末梢密集投射到蓝斑核(LC)和臂旁核(LPB)等区域。通过另一套TRAP系统直接在LC中标记被GV14电针激活的神经元,发现这些LC神经元几乎全是去甲肾上腺素能(DBH阳性)的。其次,通路功能验证:a) cNTS→LC通路:通过化学遗传学特异性激活从cNTS投射到LC的“GV14定义”的神经元末梢,能够显著抑制癫痫发作。b) LC神经元本身:化学遗传学激活“GV14定义”的LC神经元,也能产生抗癫痫效果。c) 下游靶点:通过病毒介导的跨单突触顺行追踪,发现被激活的LC神经元主要投射到基底外侧杏仁核(BLA)。激活GV14定义的LC神经元后,BLA的神经元活动(c-Fos表达)显著降低,提示电针可能通过去甲肾上腺素能投射抑制BLA的兴奋性,从而抑制癫痫。 5. 替代穴位EXB9的发现与验证: 为了拓展治疗的实用性,研究团队进行了“穴位筛选”。他们基于文献选择了6个可能与迷走神经活动相关的候选穴位,通过上述cNTS钙成像技术作为“读出”指标,发现腰奇穴(EXB9)能最有效地激活cNTS神经元。随后,在多种癫痫模型中验证了EXB9电针具有与GV14相似的广谱抗癫痫疗效。进一步的环路追踪和功能实验(如迷走神经记录、切断、cNTS化学遗传学激活)证实,EXB9同样通过激活迷走神经-cNTS谷氨酸能神经元这一共享通路发挥作用。 6. 埋线针灸的长期疗效评估: 为了克服传统电针需反复治疗的局限,探索更具临床转化潜力的长期微创方案,研究者在慢性颞叶癫痫小鼠模型(海马注射红藻氨酸诱导的自发性反复发作模型)中测试了“埋线针灸”(Thread-embedding Acupuncture, TEA)。该方法将可吸收外科缝线埋置于GV14或EXB9穴位皮下,通过缝线与周围组织的持续摩擦提供长效机械刺激。每周治疗一次。通过长期视频脑电监测发现,TEA能持续数周地显著减少自发性癫痫发作的次数和总时长。同时,化学遗传学激活慢性癫痫小鼠中“GV14或EXB9定义”的cNTS神经元亚群,也能在短期内减少自发性发作,进一步验证了该环路在慢性疾病状态下的治疗潜力。

主要研究结果 1. GV14电针具有参数依赖、穴位特异性的广谱抗癫痫效果。 在MES、PTZ、毛果芸香碱和红藻氨酸模型中,GV14电针(最佳参数30Hz, 1.0mA)均能显著提高发作阈值、延迟发作潜伏期、降低发作严重程度和死亡率,且效果优于手动针刺。效果可持续至刺激后4小时。假穴位SI15刺激无效,证明了穴位特异性。 2. GV14电针通过激活迷走神经传入纤维发挥作用,而非脊髓通路。 电生理记录显示GV14电针使迷走神经放电频率增加约2.7倍。迷走神经切断完全取消了电针的抗癫痫作用,而化学遗传学抑制脊髓相关神经元则无影响。 3. cNTS的谷氨酸能神经元,特别是DBH阳性的兴奋性神经元亚群,是电针作用的关键中继站。 c-Fos共染色和钙成像显示GV14电针强烈激活cNTS的vGlut2+神经元。化学遗传学特异性激活“GV14定义”的cNTS神经元亚群(而非全部cNTS谷氨酸能神经元),足以产生强大的抗癫痫效果,且该效果依赖于完整的迷走神经输入。 4. GV14电针通过一条明确的cNTS-LC-BLA神经环路抑制癫痫。 神经追踪显示被激活的cNTS神经元主要投射至LC和LPB。功能实验证明,特异性激活cNTS→LC的投射或“GV14定义”的LC去甲肾上腺素能神经元,均能有效抑制癫痫。进一步的环路追踪表明LC的下游关键靶点是BLA,且电针激活该环路后抑制了BLA的神经元活动。 5. 腰奇穴(EXB9)是一个有效的替代穴位,共享相同的迷走-cNTS通路。 基于cNTS活性筛选发现EXB9,并在多种模型中验证其抗癫痫疗效。其作用同样依赖于迷走神经,并能激活相同的cNTS谷氨酸能神经元亚群。 6. 埋线针灸(TEA)在慢性癫痫模型中提供持续疗效。 在慢性颞叶癫痫小鼠中,每周一次的GV14或EXB9埋线治疗能持续减少自发性癫痫发作,证明了其作为长期、微创治疗策略的可行性。

研究的结论与意义 本研究系统性地揭示并验证了电针刺激大椎穴(GV14)和腰奇穴(EXB9)通过激活一条明确的“迷走神经传入-孤束核尾部(cNTS)谷氨酸能神经元-蓝斑核(LC)去甲肾上腺素能神经元-基底外侧杏仁核(BLA)”神经环路,从而产生广谱抗癫痫效果的机制。这为针灸治疗癫痫提供了现代神经科学的精细环路解释,将传统经验提升到了可验证、可调控的机制层面。 其科学价值在于:第一,阐明了一个全新的“体表-大脑”抗癫痫神经调控通路,加深了对躯体感觉输入如何影响边缘系统和癫痫网络的理解。第二,展示了如何利用先进的神经科学技术(如TRAP、化学遗传学、跨突触病毒追踪)来解析传统医学中复杂干预措施的生物学基础,为中西医结合研究提供了方法论范例。第三,发现并验证了具有相同机制和疗效的替代穴位(EXB9),增加了治疗方案的灵活性。 其应用价值与转化前景非常明确:研究为发展一种基于针灸原理的、微创的、可能比传统VNS更具选择性和耐受性的新型神经调控疗法奠定了坚实的理论基础。特别是埋线针灸(TEA)在慢性模型中的成功,支持其作为一种临床可行的长期治疗选择,为耐药性癫痫患者提供了潜在的、侵入性更小的替代方案。

研究的亮点 1. 机制研究的深度与系统性:研究没有停留在疗效观察层面,而是从外周神经激活(迷走神经),到初级中枢(cNTS),再到上行环路(LC),最终到关键靶区(BLA),完成了一条完整神经环路的解剖学追踪与功能性因果验证,逻辑链条严密。 2. 技术创新性的应用:核心是巧妙地运用了“活性依赖性标记”(TRAP)技术与化学遗传学的结合。这使得研究者能够不是笼统地操控整个核团或某类神经元,而是精准地操控那些真正被电针刺激所激活的特定神经元亚群,从而建立了极强的因果关系,并可能解释了为什么电针比VNS副作用更小(激活的神经元群体更特异)。 3. 从基础到转化的完整闭环:研究不仅揭示了急性模型下的机制,还进一步评估了埋线针灸在更贴近临床的慢性癫痫模型中的长期疗效,体现了从基础科学发现向临床实践转化的清晰思路。 4. 穴位筛选的科学化:利用神经活动(cNTS钙信号)作为客观指标来筛选有效穴位(EXB9),为探索和优化针灸治疗方案提供了一种新的、基于生物标志物的研究思路。

其他有价值的内容 研究还附带了一个有趣的发现:化学遗传学激活“GV14定义”的cNTS神经元亚群能缓解自发性疼痛,而不影响激惹性疼痛行为。这提示该特定神经元亚群的激活可能避免了传统VNS常引起的痛觉敏感副作用,进一步凸显了这种靶向性调控的潜在优势。此外,研究在讨论部分联系了去甲肾上腺素系统在癫痫中的作用,为环路的最终作用机制提供了合理的神经化学解释(如NE通过作用于BLA的α1A肾上腺素受体增强GABA能传递),使整个机制图景更为丰满。

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