KATP通道突变扰乱海马网络活动和夜间伽马波变化

研究背景

ATP敏感钾（KATP）通道是一种连接细胞代谢和电活动的关键离子通道。研究表明，KATP通道的高度活性与一种罕见的疾病——发育迟缓、癫痫和新生儿糖尿病综合征（DEND综合征）息息相关。受该病影响的人群通常表现为多种神经系统和内分泌系统的障碍。然而，尽管我们对DEND综合征中的糖尿病病因有较好的了解，神经症状的病理生理机制仍然难以确定。

研究来源

这项研究由Marie-Elisabeth Burkart、Josephine Kurzke、Robert Jacobi、Jorge Vera、Frances M. Ashcroft、Jens Eilers 和 Kristina Lippmann共同完成，其所属机构为莱比锡大学的Carl-Ludwig-Physiology Institute、Würzburg大学的Neurophysiology Department for Physiology、纽约市Bronx的Albert Einstein College of Medicine以及英国牛津大学的Henry Wellcome Centre for Gene Function。论文将发表于2024年的《Brain》杂志中。

研究目的

作者们推测，起源于肌钙蛋白阳性中间神经元（PV-IN）的活动受损可能引发DEND综合征中的癫痫和认知功能障碍。因此，本研究将研究DEND综合征中一种常见的KATP通道突变如何影响神经网络活动和PV-IN在海马CA1区域中的作用。

研究流程

实验对象与模型构建

实验对象包括野生型小鼠与含KATP通道突变基因Kir6.2-V59M片段的小鼠。所有的实验均遵循欧洲委员会动物实验指导原则。

为了研究DEND突变的影响，作者们构建了基因工程小鼠，利用Cre-loxP系统在PV-IN中专门表达Kir6.2-V59M突变。通过一系列的交叉繁育产生了携带Kir6.2-V59M突变且PV标记为荧光红的鼠群。

电生理学与行为学实验

通过全细胞膜片钳测试PV-IN的内在性质、突触传递和网络活动。记录局部场电位（LFP）评估PV-IN对海马网格活动的影响，包括锐波（sharp waves）、伽马振荡等。同时通过长期无线脑电监测，研究DEND模型小鼠的自发癫痫活动及其昼夜节律。

组织学与免疫组化研究

使用免疫组织化学染色和光片显微镜技术对海马CA1区的PV-IN的分布和形态学进行分析，探索突变对细胞组织模块结构的影响。

研究结果

KATP通道激活对网络活动的影响

作者通过在野生型小鼠上应用KATP通道激动剂二氮杂卓（diazoxide）发现，通道激活可显著降低海马区内自发产生的锐波数量，并降低伽马振荡的峰频率。这一研究表明通道激活会显著扰乱大脑的网络活动。

DEND突变对海马网络活动的影响

利用携带Kir6.2-V59M突变的小鼠模型，同样观察到海马锐波发生频率显著降低，且伽马振荡显著受损，无法达到正常的频率范围，揭示该突变对海马网络功能的破坏作用。

对PV中间神经元的影响

Kir6.2-V59M突变并不会直接改变PV-IN的膜电位或者内在性质，但显著降低了细胞的伽马振荡特征，包括内源性振荡与谐振特性。同时突变还降低了PV-IN与锥体神经元之间的短时突触抑制能力。所有这些都会导致串联网络活动的破坏。

癫痫发作并丧失夜间伽马频谱

在体实验中，Kir6.2-V59M突变组小鼠出现了明显的癫痫活动，平均每天发生2.7次。然而LFP数据表明在日夜节律转换期间，DEND模型小鼠无法正常激活其夜间的伽马频谱，提示其认知与记忆功能受损。

吲哚丁醇酰胺的药理拮抗作用

通过对在体急性切片实验发现，携带突变基因的小鼠脑片锐波数量在添加KATP抑制剂吲哚丁醇酰胺后得到部分恢复。但伽马谐振独立于药理学的阻断，表明通道组成的突变会对细胞形态和连接产生趋势性影响。

PV-IN的细胞形态改变

研究发现Kir6.2-V59M突变引起了PV-IN的簇状分布增多和局部随机性增加，表明这一突变影响了PV-IN在海马CA1区的组织布局。此外，PV-IN的树突分叉比率也略有增加，表明其局部受突变影响程度不同。

结论

该研究通过将DEND致病突变定向引入模型小鼠的PV中间神经元，系统地解释了KATP通道在大脑神经网络中的关键调控角色。本研究首次揭示了DEND突变如何阻碍PV-IN正常产生与维持伽马振荡的能力，导致认知与网络功能障碍，并为探索其治疗手段提供了重要的理论依据。此外，实验模型为未来进一步研究KATP通道在其他神经细胞功能中的作用提供了一条直接的途径。