癫痫是一种常见的神经系统疾病，特征是反复发作的癫痫发作（seizures）。癫痫发作是由大脑神经网络的协调活动引起的，这表明通过控制这些神经网络中的异常活动，有可能控制癫痫。光遗传学是一种新兴的技术，通过使用光敏蛋白来精确控制神经元的活动。这项技术已经在非人类疾病模型中成功用于停止癫痫样活动，但在人类脑组织中的应用仍面临挑战，这可能会影响其转化为临床应用的潜力。
2024年11月15日，美国加州大学旧金山分校神经外科系Tomasz Jan Nowakowski在Nature neuroscience杂志发表了“Multimodal evaluation of network activity and optogenetic interventions in human hippocampal slices”，提出人类海马切片中网络活动的多模态评估和光遗传干预。
研究人员使用腺相关病毒作为载体，将光敏蛋白导入人脑组织。使用高密度微电极阵列记录人海马切片的网络放电活动。在多种诱发超活动的条件下测试光遗传学干预的效果。研究发现，通过AAV介导的光遗传学方法，可以在人海马切片中显著减少网络放电率。该研究展示了光遗传学在人类脑组织中的潜在应用，为进一步开发治疗癫痫的新方法提供了实验基础。
1. 人类海马切片的高密度微电极阵列（HD-MEA）记录
为了模拟人类的癫痫样活动，作者从患有药物难治性癫痫的患者获得了捐赠的海马组织，建立了人类器官型组织切片。切片通过带有HcKCR1转基因的AAV9转导，该转基因由CAMK2A启动子驱动，并带有荧光标签。在转导后第4-6天，通过荧光显微镜进行活体成像观察荧光报告基因的表达。将切片放置在高密度微电极阵列（HD-MEA）记录表面上，目标神经元密集区域位于上方。在放置切片后立即对记录区域的电极进行扫描，以观察自发活动区域。报告基因的表达在颗粒细胞层和齿状回的神经元以及锥体细胞中富集，这些结果表明作者建立了人类海马器官的组织切片培养。
2. 光遗传学抑制人脑切片海马活动
HcKCR1的激活在所有实验条件下抑制了人类海马神经元的活动，无论是自发活动还是诱发活动。使用530纳米的光照射可以迅速抑制海马活动，持续照射10秒可以降低自发放电率。使用光遗传学方法，在高兴奋性条件下激活HcKCR1，观察其对神经元放电率的影响。记录人海马切片的网络放电活动。在两个切片中观察到短时间（且间隔几分钟的自发活动爆发，类似于间歇性癫痫样尖峰。LED光照下，平均放电率降低，但并非所有单元均匀响应。15-40%的单元在光照期间放电率降低了至少90%。0-Mg + KA条件添加KA后，两个切片中出现急性放电率升高和周期性活动爆发，光照期间放电率显著降低。作者使用GABAAR阻断引起的可重复的放电率增加来检测和破坏网络放电的升高。在CAMK2A表达的神经元中激活HcKCR1，可以减少高兴奋性条件下的网络放电率。综上，0-Mg和0-Mg + KA条件下的放电率降低幅度小于生理介质和GABA能阻断条件。光遗传学干预在癫痫治疗中的潜在益处在于可以精确地在时间和解剖位置上调节病理性神经元放电。
3. 光响应聚类
HcKCR1激活导致的单元放电减少在记录的单元中并不是均匀的，从完全沉默到其他单元的放电率变化更微妙或没有明显变化。作者应用一种波形聚类方法来根据从胞外动作电位波形中提取的特征对单元进行分组产生了12个不同的聚类。分析了齿状回颗粒细胞层（GCL）区域的波形聚类与没有GCL代表的记录。为了表征单元对光遗传激活的异质性响应，使用HDBSCAN算法对UMAP降维后的数据进行聚类，识别出不同响应模式的神经元单元。通过UMAP和HDBSCAN算法，成功将神经元单元分为多个集群，每个集群在光照关闭和光照开启期间的放电率和标准差有显著差异。不同海马区域（如GCL和CA）的神经元单元对光遗传学干预的响应存在差异。集群3与GCL波形簇显著正相关，表明特定类型的神经元对光遗传学干预有特定的响应模式。
Summary
人脑组织可以作为优化和测试神经网络活动调控策略的有效实验平台，有助于降低潜在治疗干预的风险。使用AAV介导的基因递送技术，可以在人脑组织中实现对特定神经元的精确控制，这是以前仅限于动物模型的实验方法。该研究有望为治疗神经系统疾病开辟新的途径。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41593-024-01782-5
参考文献
Andrews JP, Geng J, Voitiuk K, Elliott MAT, Shin D, Robbins A, Spaeth A, Wang A, Li L, Solis D, Keefe MG, Sevetson JL, Rivera de Jesús JA, Donohue KC, Larson HH, Ehrlich D, Auguste KI, Salama S, Sohal V, Sharf T, Haussler D, Cadwell CR, Schaffer DV, Chang EF, Teodorescu M, Nowakowski TJ. Multimodal evaluation of network activity and optogenetic interventions in human hippocampal slices. Nat Neurosci. 2024 Nov 15. doi: 10.1038/s41593-024-01782-5. Epub ahead of print. PMID: 39548326.
