《Frontiers in Neurology》：Functional ultrasound assessment of cerebral blood flow and brain connectivity in a pilocarpine-induced acute epileptic seizures in mice
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背景：颞叶癫痫（temporal lobe epilepsy, TLE）是成人中最常见的药物难治性癫痫之一，目前尚无有效的治愈方案或疾病修饰疗法。研究表明，癫痫患者在发作间期全脑脑血容量（cerebral blood volume, CBV）显著降低，而部分研
背景：颞叶癫痫（temporal lobe epilepsy, TLE）是成人中最常见的药物难治性癫痫之一，目前尚无有效的治愈方案或疾病修饰疗法。研究表明，癫痫患者在发作间期全脑脑血容量（cerebral blood volume, CBV）显著降低，而部分研究报道局部脑血流量（cerebral blood flow, CBF）增加。这些发现表明，癫痫发作期间脑血流发生改变。然而，对于TLE，脑血流变化及相关核团功能连接仍不清楚。方法：本研究旨在利用功能超声成像（functional ultrasound imaging, fUS）检测小鼠TLE急性发作状态下CBV的变化，以及全脑功能网络连接的变化。结果：研究人员发现，大多数脑区表现出相对CBV（relative CBV, rCBV）改变。在12个癫痫相关脑区中，除丘脑中间背侧核（intermediodorsal nucleus of the thalamus, IMD）和纹状体（striatum, STR）外，其余脑区均呈现rCBV先升高后降低的模式。此外，丘脑网状核（reticular nucleus of the thalamus, RT）的rCBV变化早于其他核团，脑功能连接（functional connectivity, FC）发生显著改变，这可能与脑FC重塑有关。结论：这些结果表明，在TLE急性发作状态下小鼠全脑CBV呈异质性变化，整体脑功能网络连接发生改变。
论文解读文章
研究背景与问题：颞叶癫痫（temporal lobe epilepsy, TLE）是成人最常见的药物难治性癫痫，目前缺乏有效的治愈性方案或疾病修饰疗法。已有研究表明，癫痫患者在发作间期全脑脑血容量（cerebral blood volume, CBV）显著降低，但部分研究报道发作时局部脑血流量（cerebral blood flow, CBF）增加，提示癫痫发作伴随脑血流变化。然而，对于TLE，脑血流动态变化及相关核团的功能连接（functional connectivity, FC）仍不清楚。功能超声成像（functional ultrasound imaging, fUS）具有比功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）和正电子发射断层扫描（positron emission tomography, PET）更高的时空分辨率，且能穿透深部脑组织，适合研究癫痫等短暂事件中全脑血容量的瞬态变化。研究人员基于此，利用fUS技术检测小鼠TLE急性发作状态下CBV及全脑功能网络连接的改变。
研究人员开展的研究与结论：研究人员建立氯化锂-匹罗卡品（LiCl-Pilocarpine）诱导的小鼠TLE模型，通过脑电图（electroencephalography, EEG）、旷场实验（open field test, OFT）和Y迷宫实验验证模型成功，并采用fUS技术监测急性发作期12个癫痫相关脑区的相对CBV（relative CBV, rCBV）动态变化，同时分析静息态FC。研究发现：多数脑区（包括海马CA1、CA3、齿状回（dentate gyrus, DG）、丘脑前核群（anterior group of the dorsal thalamus, ATN）、丘脑网状核（reticular nucleus of the thalamus, RT）、后顶叶联合区（posterior parietal association areas, PTLp）、初级运动区（primary motor area, MOp）、初级体感区（primary somatosensory area, SSp）、压后区（retrosplenial area, RSP）和次级运动区（secondary motor area, MOs））的rCBV呈现先升高后降低的双相模式，而丘脑中间背侧核（intermediodorsal nucleus of the thalamus, IMD）和纹状体（striatum, STR）的rCBV持续下降。RT的rCBV变化早于其他核团。基于像素分析显示，海马、皮层和RT中正向应答像素显著多于负向应答，而IMD和STR中负向应答占优。FC分析发现，TLE组多项脑区间相关性增强，如海马内部（CA1-CA3, CA1-DG, CA3-DG）、皮层与海马（PTLp-DG）、海马与丘脑（CA3-IMD）呈正相关增强，而丘脑内核团之间（ATN-IMD）及皮层-丘脑之间（PTLp-ATN）呈负相关增强。RT与皮层、海马、丘脑的FC均增强。这些结果表明，急性TLE发作伴随全脑异质性CBV变化和功能网络连接的重塑。该项研究发表在《Frontiers in Neurology》。
主要关键技术方法：研究人员采用fUS系统（Iconeus One, 法国）对清醒小鼠进行rCBV检测，对镇静小鼠（使用右美托咪定（dexmedetomidine, DEX））进行静息态FC检测。通过Allen脑图谱匹配，选取62、66、70层面，以11个倾斜平面波（-10°至+10°）发射，脉冲重复频率5.5 kHz，采集三维（3D）fUS数据。使用IcoStudio软件进行自动脑区配准，提取12个兴趣区（regions of interest, ROIs）的CBV信号，计算Pearson相关系数生成12×12相关性矩阵。样本队列来源：共使用50只雄性C57BL/6J小鼠（6-8周龄），其中fUS测试20只，EEG控制组5只、TLE组5只，行为测试控制组10只、TLE组10只，c-Fos免疫荧光染色控制组5只、TLE组5只。建模方法：腹腔注射LiCl（180 mg/kg），17.5 h后注射甲基东莨菪碱（methscopolamine bromide, MB, 1.0 mg/kg），30 min后注射匹罗卡品（pilocarpine, Pilo, 300 mg/kg）诱导TLE，以Racine分级IV级及以上或出现癫痫持续状态（status epilepticus, SE）为模型成功标准。
研究结果：
3.1 急性TLE发作小鼠模型的建立：通过LiCl-Pilo腹腔注射建立TLE模型，EEG记录显示TLE组急性发作期出现明显棘波，各波形频率不同程度增加。行为学测试（Y迷宫和旷场实验）表明TLE组进入新开臂潜伏期缩短，总移动距离和中心区进入次数减少，证实模型成功并存在认知损伤。
3.2 急性TLE发作期间CBV的变化：全脑c-Fos染色显示CA1、CA3、DG、RSP、RT、PTLp、SSp、STR、ATN、MOs、MOp等脑区激活。fUS检测发现，急性TLE发作期间，除IMD和STR外，其余10个脑区rCBV先显著升高后降低，血流量峰值出现在1800-2000秒，其中CA1血流变化持久。峰值期血流量增加顺序为：MOp、MOs、PTLp、CA1、RSP、SSp、RT、CA3、ATN、DG、IMD、STR。热图显示RT血流变化最早（1800-2000秒），早于皮层和海马。IMD和STR的rCBV持续下降。
3.3 急性TLE发作期间正负亚组应答：基于像素分析（以基线波动-15%为界），海马（CA1、CA3、DG）、运动皮层（MOp、MOs）、RSP、PTLp、SSp和RT中正向应答（rCBV升高>0）像素显著多于负向应答（rCBV降低<-15%）；ATN中正负应答数量相当；IMD和STR中负向应答显著多于正向应答。
3.4 急性TLE发作相关的脑功能网络连接变化：计算12个脑区rCBV变化的Pearson相关系数矩阵，TLE组多对脑区间FC增强。具体表现为：海马内部（CA1-CA3, CA1-DG, CA3-DG）、皮层与海马（PTLp-DG）、海马与丘脑（CA3-IMD）正相关增强；丘脑内核团之间（ATN-IMD）和皮层-丘脑（PTLp-ATN）出现显著负相关。RT与皮层、海马、丘脑的整体FC呈增加趋势。FC网络图显示TLE组全脑连接模式改变。
讨论部分总结及研究结论翻译：讨论中，研究人员指出，fUS检测rCBV和FC采用两个独立实验方案：rCBV在清醒小鼠中进行以模拟急性发作生理特征，FC在DEX轻度镇静下进行以避免运动伪影并保持神经血管耦合完整性。双相血流动力学反应分为两个阶段：第一阶段为代谢需求激增引起的血管代偿性扩张（rCBV升高），第二阶段为发作后脑组织转入抑制状态导致代谢骤降，伴随ATP耗竭和神经血管耦合失代偿，引起CBV持续下降和缺血损伤。RT的早期血流变化及其与皮层、海马FC增强提示RT可作为癫痫治疗潜在靶点。IMD的CBV持续下降表明其在TLE急性期具有显著血流动力学异常，可能特异性参与癫痫环路调节。STR因富含GABA能神经元，血流下降。研究局限性包括：缺乏独立盐水对照组（采用自身前后对照设计）、仅评估了麻醉状态下的静息态FC、仅使用单一Pilo剂量（300 mg/kg）、仅观察急性期（30分钟至1小时）而未评估慢性期变化。结论翻译：总之，本研究利用聚焦fUS技术表征了TLE急性发作状态下CBV变化模式及血流动力学相关性。在大多数癫痫相关脑区观察到双相CBV模式（先升高后降低），不同脑区血容量变化的幅度和时间动态存在差异。此外，基于像素的分析揭示了不同脑区存在正负CBV应答，提示神经元类型对血流的影响不同。全脑静息态FC发生显著改变：海马与丘脑、海马与皮层之间的相关性增强，RT与皮层及海马区相关性增加，而丘脑与某些皮层核团之间的相关性降低。这些发现表明，急性癫痫发作可伴随脑网络连接模式的适应性改变。最后，本研究证明fUS是一种高度有价值的活体成像工具，能够高分辨率地揭示脑血流动力学与癫痫之间的相关性。
