《Epilepsia》：Theta oscillations, epileptogenesis, and focal seizures in rodent models of mesial temporal lobe epilepsy
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θ振荡（4–12 Hz）是海马及海马旁结构内一种显著的网络节律。由内侧隔区发出的胆碱能及γ-氨基丁酸能输入驱动，生理性θ节律通过对网络兴奋性的门控，在特定行为状态下调控空间导航、记忆编码及感觉运动整合。θ节律还通过相位锁定组织中间神经元与主细胞放电的精确时间绑
θ振荡（4–12 Hz）是海马及海马旁结构内一种显著的网络节律。由内侧隔区发出的胆碱能及γ-氨基丁酸能输入驱动，生理性θ节律通过对网络兴奋性的门控，在特定行为状态下调控空间导航、记忆编码及感觉运动整合。θ节律还通过相位锁定组织中间神经元与主细胞放电的精确时间绑定，这一机制对突触可塑性和长时程增强至关重要。新近证据表明，θ活动在内侧颞叶癫痫（MTLE）中发生紊乱。本文回顾了在MTLE啮齿动物模型中，θ振荡在癫痫发生的潜伏期及慢性癫痫期作用的最新研究。具体而言，研究人员聚焦于一个悖论：抑制性中间神经元的亚群可能通过驱动θ振荡，对病理性网络过度兴奋发挥代偿性抑制控制，从而建立有利于致痫（ictogenesis）的环境。最后，研究人员提出，癫痫脑中的θ振荡可能作为一种防御机制，而这种机制却出人意料地触发局灶性发作。
1 引言
θ振荡由约4–12 Hz的节律性活动构成，可通过局部场电位（即脑电图[EEG]）记录在海马及海马旁脑区观察到。与其他生理性振荡（如尖波-ripple复合体及γ节律）类似，θ振荡反映了边缘脑内大规模相互连接神经网络的同步活动，这些网络产生同步电流并叠加形成大幅值EEG波动，而非同步电流则因过小难以被检测。研究还表明，每种EEG模式均出现在特定行为状态下，并与特征性、特异性的神经元放电特性相关，因此各自承担不同功能。例如，θ振荡使大脑能够获取新信息，而尖波-ripple复合体则有助于记忆巩固。正如Colgin所强调，这些生理性EEG节律已在人类、非人灵长类以及啮齿类等低等哺乳动物中被识别。
认知功能障碍和精神疾病是癫痫患者（包括内侧颞叶癫痫[MTLE]患者）中常见的合并症。在MTLE啮齿动物模型实验中也获得类似结果。这一证据并不令人意外，因为MTLE在人类和实验动物模型中均与典型的脑损伤模式——Ammon角硬化相关；这种神经病理状况以海马及海马旁脑区神经元丢失和胶质增生为特征，而这些脑区密切参与学习和记忆过程。θ振荡在MTLE等癫痫疾病中严重紊乱，从人类颅内EEG研究和动物模型中获得的新证据提示，功能失调的θ振荡在MTLE的病理生理及认知症状学中发挥关键作用。
本综述的目的如下：(1) 总结关于哺乳动物脑中θ振荡生理基础现有文献；(2) 聚焦于MTLE啮齿动物模型中癫痫发生期间θ振荡的变化，这些模型通过化学损伤（如全身注射海人藻酸或毛果芸香碱）诱发初始癫痫持续状态；(3) 强调θ振荡在这些MTLE啮齿动物模型中触发癫痫发作的潜在悖论性作用。
2 介导θ振荡的神经元机制
θ振荡由低频正弦波组成，在主动探索的运动行为及快速眼动（REM）睡眠期间，可从海马及海马旁区域的场电位（EEG）记录中观察到。θ振荡最初由Jung和Kornmüller在家兔中发现，后来在包括人类在内的多种哺乳动物物种中被识别，并在啮齿类海马中得到了广泛研究。
继Green和Arduini的开创性工作（他们发现家兔海马θ振荡可被隔区损伤消除）之后，多项研究将内侧隔区–Broca斜角带鉴定为海马θ振荡的起搏器。具体而言，内侧隔区中的γ-氨基丁酸能（GABAergic）细胞靶向海马多个区域的中间神经元，这些隔区中间神经元节律性地去抑制海马锥体细胞，从而促进θ节律性振荡放电。内侧隔区中的起搏中间神经元表达小清蛋白（PV）以及超极化激活的环核苷酸门控通道；这些电压门控通道开放所产生的电流已知可促进这些神经元的起搏特性。
GABA能通路控制θ节律的起搏，而隔-海马胆碱能神经元则调节θ振荡的幅度。乙酰胆碱增加海马锥体细胞的内在兴奋性，并通过突触前调节抑制复发性兴奋性传递，从而为场电位振荡创造最佳状态（综述见Hasselmo）。药理学研究还报道，全身或海马内给予毒蕈碱拮抗剂（如阿托品）可减小θ振荡的幅度而不改变其频率。此外，对内侧隔区胆碱能神经元的光遗传学刺激揭示了其对海马θ功率和幅度的频率无关性增强。因此，GABA能介导的活动在θ振荡期间节律性地门控群体放电，而胆碱能输入则调节网络共振和信号幅度。
一个完整的θ振荡回路模型还必须考虑外在皮层驱动。海马θ的一个主要成分依赖于内嗅皮层通过穿通通路投射至CA1锥体细胞远端顶树突和齿状回颗粒细胞。内嗅皮层是产生跨海马鲁棒局部场电位θ节律的主要电流偶极子。具体而言，内嗅皮层III层神经元直接投射至CA1和下托的远端树突，而II层神经元投射至齿状回和CA3的中间分子层。这些突触输入应驱动节律性的周期性树突去极化，并与局部中间神经元网络（如PV和生长抑素阳性细胞）介导的胞体抑制动态相互作用。
然而，θ生成机制可能比上述总结更为复杂。首先，隔区中间神经元可输入多种类型的海马中间神经元。第二，特定类型的海马中间神经元在θ周期的不同相位产生相位锁定放电；例如，在清醒行为小鼠中，PV阳性篮状细胞优先在比记录于腔隙-分子层的生长抑素阳性中间神经元更早的θ相位放电。还应强调，内侧隔区–Broca斜角带含有谷氨酸能神经元，这些神经细胞可为隔核中大多数局部GABA能神经元和少数胆碱能神经元提供兴奋性输入。与此一致，Robinson等人利用光遗传学和电生理学方法表明，这一谷氨酸能神经元群体可通过隔内连接强力驱动θ节律。
海马PV和生长抑素阳性中间神经元参与θ生成已在完整海马制备（其中θ振荡自发发生）的体外光遗传学方法中得到进一步检验；这些实验揭示，激活或抑制生长抑素阳性中间神经元可适度影响自发θ振荡，而激活PV阳性中间神经元可控制主细胞兴奋性，并以8 Hz光遗传刺激诱导θ节律。最后，研究者发现，持续沉默PV阳性中间神经元会破坏自发θ振荡。
3 MTLE癫痫发生期间的θ振荡
MTLE是人类最常见的成人难治性癫痫类型，其特征为起源于海马、嗅周皮层和杏仁核等边缘结构的癫痫发作；这些发作出现在成年期，通常在早年经历初始损伤（如复杂性热性惊厥、中枢神经系统感染、严重头部外伤、癫痫持续状态或缺血/缺氧性出生损伤）之后。通过使用毛果芸香碱或海人藻酸诱导初始癫痫持续状态，可在包括啮齿类在内的实验动物中复制类似的行为、EEG和组织病理学发现。在这些动物模型中，癫痫发作同样出现在潜伏期之后，但该潜伏期远短于人类。应提及的是，MTLE模型也可通过电刺激边缘区域诱导；然而，这些致癫痫方法在本综述中不再进一步讨论，因为除了一个例外，在这些MTLE实验模型中尚未分析θ振荡。
人们假设，由初始癫痫持续状态引起的神经元损伤所触发和/或促进的脑兴奋性可塑性变化发生在潜伏期，从而导致慢性癫痫状态。这一过程被称为癫痫发生，即“先前正常的脑网络在功能上被改变为增加癫痫易感性，从而具有更高的概率产生自发性反复发作的过程。”此外，癫痫发生可持续至慢性癫痫状态，在此期间反复“发作可加重发作”，即已建立的重发性发作可导致脑回路的进一步结构和功能改变，从而加重未来发作。这种现象——即慢性阶段发作频率、电图特征和神经元损伤的变化——已在临床和实验中得到验证。
然而，关于癫痫发生过程中θ振荡变化的信息仅限于少数研究，包括研究人员最近的一项研究，该研究在CaMKII-ChR2转基因小鼠中，考察了全身注射海人藻酸诱发的初始癫痫持续状态与自发性发作出现之间海马CA3亚区θ振荡的变化。如图1所示，在海人藻酸诱导的癫痫持续状态后，θ/β比值随时间波动，在未受刺激的CaMKII-ChR2小鼠中θ功率显著增加（图1A）。当在癫痫持续状态后数日内对多只动物的θ/β比值进行分析时，在潜伏期观察到显著增加，随后在向慢性癫痫期过渡时逐渐下降（图1B）。有趣的是，θ功率与频率（图1C）和熵（图1D）呈负相关，提示在癫痫发生过程中，生理性海马θ节律的起搏受到损害。这些负相关关系表明，观察到的θ功率增加并非反映健康的上调，而是一种病理状态，其中神经元网络表现出低熵和减少的高频活动，因此成为对癫痫发作高度易感的老套网络。Kilias等人也在海马内海人藻酸模型中报道了低频θ振荡，但该研究未进行θ功率分析。
类似发现（通过不同实验程序获得）被解释为反映了中间神经元在初始癫痫持续状态导致的高兴奋状态后不久维持其抑制功能的努力。存活的局部网络显示出代偿性反应以维持节律性协调，可能是对特定神经元网络变性的响应。例如，毛果芸香碱处理后内侧隔区GABA能神经元的变性破坏了生理性θ节律发生所必需的初级胆碱能和GABA能驱动，这反过来可能有利于致痫作用。海马苔藓细胞维持其对PV阳性中间神经元的投射，保留了前馈抑制以抑制进一步发作生成。快速放电篮状细胞也经历基线紧张性GABA电流的增加，其GABA逆转电位发生去极化移位，以维持周围网络内的前馈和反馈抑制。最后，齿状回颗粒细胞表现出显著的紧张性GABA受体介导电流增加，这似乎是对突触抑制性输入丧失和这些神经元整体兴奋性降低的代偿反应。
正如Wulff等人早期提出的，抑制的减少或破坏应反映为θ功率的降低，正如研究人员在海人藻酸处理动物中观察到的那样。然而，这一假设需要进一步实验，旨在分析中间神经元活动以及θ振荡在初始海人藻酸诱导的癫痫持续状态与自发性反复发作出现之间的整个潜伏期中的变化。
4 MTLE慢性癫痫阶段的θ振荡
与潜伏期（应反映癫痫发生）θ振荡变化的证据缺乏相反，多项研究考察了MTLE动物模型中慢性癫痫阶段自发性发作前θ振荡的变化。在毛果芸香碱模型中，Grasse等人首次报道，在海马CA3区域用四极管电极分析的假定中间神经元亚群在发作前数分钟与θ频率的场振荡同步放电（图2A）；具体而言，中间神经元放电与θ振荡同步，随后与γ振荡高度相干，然后是发作性棘波（图2B）。相比之下，大多数假定主细胞在发作开始后5秒与发作性棘波同步放电（图2C,D）。这些发现随后被同一实验室的另一项研究证实；他们报道，除了在发作前与θ振荡相干放电的中间神经元（θ-ON中间神经元）外，这些抑制性细胞在发作间期与θ振荡保持高相位相干性，而其他中间神经元亚型显示放电率降低。根据Karunakaran等人的观点，θ-ON中间神经元的这种高兴奋状态代表了一种防止发作起始的代偿机制，但矛盾的是，它可能通过诱导过度抑制而引起主细胞的反弹兴奋，从而有利于致痫作用。
使用相同MTLE模型，Toyoda等人也报道θ振荡更可能在发作前出现，且下托中间神经元发作前放电增加与θ振荡相关；然而，其他海马中间神经元产生的发作前放电变化在很大程度上独立于θ波。此外，下托和CA1主细胞发作前放电增加与发作前θ活动相关，而齿状回神经元的发作前放电独立于θ振荡。有趣的是，该研究发现CA1和齿状回的一些主细胞在发作前显示放电率降低。
在小鼠海人藻酸MTLE模型中，Lévesque等人最近证明，海马θ（4–10 Hz）功率的时间变化可作为癫痫发生和慢性期局部GABA能抑制功能状态的可靠电生理生物标志物。如图1所示，海人藻酸诱导的癫痫持续状态后，未受刺激的CaMKII对照小鼠在潜伏期表现出θ功率的初始激增，随后在慢性期随着自发性发作的出现而稳步下降。在受刺激的CaMKII-ChR2小鼠（通过光遗传学方法激活海马谷氨酸能主细胞）中，观察到类似的θ功率时间依赖性变化，即潜伏期θ功率增加随后在慢性期下降。然而，这种时间依赖性变化与光遗传刺激主细胞触发的超同步起始发作的发生无关，表明θ功率变化直接反映抑制性网络的功能状态和同步水平。
此外，如在未受刺激小鼠中所报道，在受刺激动物中发现θ功率与频率以及θ功率与熵之间存在负相关。因此，尽管1 Hz光遗传刺激CaMKII阳性主细胞调节网络兴奋性（因为它有利于发作生成），但θ功率的双相轨迹及其与θ振荡频率和熵的关系得以保留；这些发现表明，θ功率的实时波动提供了GABA介导的抑制性传递在脑进入慢性癫痫过程中的无创标记。更具体地说，这些发现表明，在癫痫持续状态后早期，海马θ功率的时间敏感变化可能反映高且可能改变的中间神经元/GABA能信号传导，该信号传导随癫痫发生进展和慢性期确立而逐渐下降。有趣的是，在Lévesque等人的研究中，在慢性期未受刺激对照组和刺激组均未观察到θ功率进一步下降，提示GABA受体介导的传递在慢性期仍然功能正常。因此，中间神经元活动和θ振荡可能有利于发作生成，正如先前体外研究报告的那样。
Lévesque等人通过证明在毛果芸香碱处理小鼠中，海马PV阳性中间神经元的光遗传刺激根据网络状态产生相反效应，为这一悖论提供了证据。具体而言，研究人员发现在发作间期，用光遗传学驱动PV阳性中间神经元可抑制自发性发作（图3A），与靶向激活内侧隔区GABA能输入可成功抑制或终止癫痫活动的发现一致。然而，当网络接近发作生成时，持续起搏同一神经元群体迫使海马进入一种节律状态，矛盾地促进致痫作用（图3B,C）。因此，该研究表明，θ起搏的中间神经元活动并非固有地保护性或病理性；相反，它是状态依赖性的，因为尽管生理性或外部驱动的同步化可以发挥抗致痫控制，但用于降低病理性过度兴奋的相同中间神经元同步机制却创造了触发发作所需的基质。
在解释这些发现时，必须区分刺激锁定的、光遗传驱动的网络振荡和自发发生的θ振荡。如图3B所示，光遗传刺激迫使与光脉冲序列绑定的相位锁定场反应，这不同于由主动探索或REM睡眠等自然行为驱动的自我维持内源性网络动力学。然而，尽管这种光遗传触发活动不同于内源性自我维持网络动力学，用频率特异性光遗传刺激探测回路可揭示海马网络的共振和相位锁定能力，这可能依赖于门控内源性θ振荡的相同网络活动。未来研究应确定光遗传起搏的θ振荡如何与支持自然行为状态的θ振荡进行比较。
此外，尽管8 Hz光遗传刺激PV阳性中间神经元起搏网络活动并强调海马θ的潜在促痫效应，一个重要的机制问题仍然悬而未决。具体而言，必须确定观察到的促痫效应是否仅由θ频率共振引起，还是代表了驱动强烈、同步GABA能输出的后果。持续激活中间神经元群体可诱导严重的离子应激，这可能通过GABAA受体触发矛盾的兴奋性作用，而独立于所应用的特定频率带。区分频率特异性网络动力学与离子应激导致的同步化增加，将需要在慢性癫痫持续状态后模型中使用频率匹配对照（例如，非θ占空比）进行未来比较研究。
4.1 区分内源性θ振荡与癫痫样瞬态及海马阵发性放电
在癫痫动物模型慢性EEG记录中的一个挑战是区分θ节律与病理性阵发性事件，如海马阵发性放电（HPDs）或发作间期癫痫样瞬态。癫痫持续状态后的网络活动通常以高幅棘波、尖波和爆发性放电为特征，其慢成分可在频谱分析中与低频带重叠。因此，标准频率滤波可能将病理性爆发误认为θ活动。
传统的基于傅里叶和小波的功率谱密度变换通常不足以解决这一歧义，因为它们依赖正弦波假设。因此，尖锐的癫痫样瞬态或不规则的HPD包络可能被解释为高θ功率。为克服这一限制，可使用时域波形参数化工具。开源、逐周期分析框架允许研究者超越传统频带功率，通过量化振荡的微结构特性（如上升-下降时间不对称性、峰-谷尖锐度和非周期背景特征）。将这些细粒度计算方法整合到自动化EEG流程中，对未来的闭环系统至关重要，确保神经调控靶向真正的生理网络转换，而非由癫痫样活动驱动的混杂因素。
5 结论性评论
本文回顾的数据表明，病理性θ振荡是癫痫网络内潜在悖论的网络活动生物标志物；尽管特定中间神经元亚群在发作间期的活动可能充当针对病理性兴奋性的抑制性制动器，但这种持续性的GABA能介导活动在发作临近时迫使网络进入高度老套和节律性状态。尽管其他海马群体（如多样中间神经元亚型和齿状回主细胞）的发作前放电变化可独立于潜在θ波发生，但最初参与抑制过度兴奋的节律性群体的同步化，在特定脆弱网络状态下，可创造触发发作生成的基质。
必须指出，本综述中许多研究的一个显著方法学局限性是缺乏连续、同步的视频追踪或加速度测量来控制行为状态。因为海马θ功率和频率受运动、奔跑速度和行为停滞调节，癫痫持续状态后自发活动或发作前冻结的变化可能混淆θ振荡记录和分析。未来研究必须系统性地纳入自动化视频追踪和运动量化工具，以严格区分运动诱导的θ波动与真正的病理状态转换。
最后，解开θ振荡的双重本质对于推进治疗干预至关重要。如果θ既可充当防御机制又可充当促痫机制，未来工作应将单单元记录与自动化实时波形追踪配对，以精确定位节律何时从健康转为病理。理解这些微回路如何崩溃对于设计光遗传学治疗至关重要。然而，由于刺激效果高度依赖于递送时的脑状态，从描述性追踪转向真正治疗性控制需要决策变量。基于本文回顾的时间动态，出现两个潜在候选指标：(1) θ/β比值的转变可能反映潜伏期和慢性期跨阶段的网络稳定性，突出脆弱期；(2) 发作前θ-γ相干性的转变——基于Moxon团队建立的框架——可为干预提供可靠的时间窗口。追踪θ主导性崩溃以支持异常γ耦合，可为响应性神经调控在网络到达临界临界点之前提供具体触发条件。
