网络动力学视角下皮层扩散性抑制的触发与传播机制研究

本研究针对皮层扩散性抑制（CSD）的触发与传播机制这一难题，通过构建双层环形网络模型，首次在统一框架下揭示了病理神经元类型/数量、细胞外钾离子浓度、兴奋-抑制（E/I）连接比例及长程连接结构四大因素对CSD的影响。创新性发现包括：初始病理神经元数量与CSD持续时间无显著相关性，网络环境下CSD触发钾浓度阈值低于单神经元水平，E/I失衡会引发CSD全局折返现象。该成果为偏头痛与癫痫共病机制提供了新见解，发表于《Neurocomputing》。

　　

皮层扩散性抑制（Cortical Spreading Depression, CSD）作为偏头痛先兆的病理基础，其传播速度约3 mm/min的慢波特性与癫痫发作的毫秒级放电形成鲜明对比，这种时空尺度的矛盾一直是神经科学领域的未解之谜。尽管Le?o早在1944年就发现CSD现象，但现有模型难以同时解释其宏观传播规律与微观放电特征：基于钾离子假说的反应-扩散模型虽能描述波前传播，却无法关联神经元活动；而基于兴奋-抑制（E/I）神经元对的微观模型又缺乏网络动态分析。更棘手的是，临床发现约25%偏头痛患者伴随癫痫发作，暗示两种疾病可能存在共同的网络机制，但传统单神经元模型对此束手无策。

北京科技大学研究团队在《Neurocomputing》发表的研究突破性地采用网络动力学视角，构建了包含E/I神经元比例（4:1）的双层环形网络模型。该模型整合了Wei模型描述离子通道动态、Hodgkin-Huxley形式化框架模拟细胞肿胀/氧耗，并通过引入短程/长程连接模拟真实皮层架构。研究发现：1）初始病理神经元数量与CSD持续时间呈反直觉的无相关性；2）网络环境下触发CSD的细胞外钾浓度（[K⁺]_o）阈值显著低于单神经元水平；3）E/I比例失衡会诱发CSD全局折返现象，而长程连接可抑制该效应。这些发现为偏头痛-癫痫共病机制提供了首个网络层面的解释。

关键技术方法
研究采用双层环形网络拓扑结构，上层模拟兴奋性（E）神经元，下层模拟抑制性（I）神经元，通过调整E/I连接比例（默认4:1）和长程连接概率（0-20%）构建不同网络配置。动力学建模基于Wei模型，包含Na⁺/K⁺泵电流、氧浓度依赖的ATP生成等生物物理过程。通过系统改变[K⁺]_o（2.5-12 mM）和氧分压（0-100 mmHg）参数空间，结合分岔分析确定CSD触发阈值。采用相位同步指数量化网络同步程度，追踪CSD波前传播轨迹。

主要研究结果

兴奋性与抑制性神经元在CSD传播中分别起促进和阻断作用
通过对比单独激活E/I神经元的效果，发现E神经元放电会通过突触连接加速CSD传播（速度提升37%），而I神经元过度放电虽可局部阻断波前，但会通过钾离子外流诱发远端CSD。这一发现解释了临床中GABA能药物可能加剧偏头痛的矛盾现象。

细胞外钾浓度阈值存在网络放大效应
单神经元模型中触发CSD需[K⁺]_o≥7.5 mM，而网络环境下仅需5.2 mM即可引发全域传播。这种"网络敏感化"效应源于神经元集群放电导致的钾离子协同累积，为偏头痛与癫痫的共病机制提供了离子浓度层面的解释。

E/I失衡诱导CSD传播模式转变
当E/I比例>5:1时，CSD波前出现周期性折返现象（频率2-5 Hz），与癫痫样放电频谱重叠；而I神经元占比提升至30%时，CSD会被限制在局部区域。这表明E/I平衡是维持神经网络稳定性的关键阀门。

长程连接具有双相调节作用
长程连接占比10-15%时最优，既能通过快速同步抑制CSD扩散（传播速度降低42%），又可避免过度同步引发的全脑放电。该发现为深部脑刺激治疗参数设计提供了理论依据。

结论与意义
这项研究首次在统一框架下阐明了CSD从微观触发到宏观传播的网络动力学机制：1）挑战了"病理神经元数量决定CSD严重程度"的传统认知；2）揭示了网络环境对离子浓度阈值的调控作用，为开发靶向钾通道的联合疗法指明方向；3）证实E/I平衡与连接架构共同构成神经保护的"双保险"系统。尤其值得注意的是，发现癫痫样放电与CSD可在特定网络配置下相互促进，这为临床上偏头痛-癫痫共病患者提供了精准治疗的理论基础。未来研究可结合fMRI等技术验证模型预测，并探索网络干预策略在神经血管耦合中的应用价值。