综述：偏头痛遗传小鼠模型中皮质扩散抑制（CSD）起始的潜在机制

本文是一篇关于偏头痛的综述，聚焦于偏头痛神经生物学中皮质扩散抑制（CSD）的启动机制。通过研究偏头痛遗传小鼠模型，发现其对 CSD 易感性增加。文章探讨了这些模型中大脑皮层的功能改变，以及 CSD 启动的潜在机制，为理解偏头痛发病机制提供了重要线索。

　　### 偏头痛与皮质扩散抑制（CSD）的关联
偏头痛是一种常见的神经系统疾病，其神经生物学机制中一个关键的未解问题是，为何偏头痛患者的大脑对皮质扩散抑制（CSD）更为敏感。CSD 是一种在大脑细胞中缓慢传播、持续约一分钟的近乎完全去极化的自维持波，它会使大脑电活动沉默数分钟。大量来自人类和动物研究的证据表明，CSD 与偏头痛先兆存在神经生理学关联，并且是偏头痛疼痛机制的触发因素。

在正常代谢且看似未受损的偏头痛患者大脑中，理解 CSD 的起始并非易事。在实验模型中，诱导 CSD 需要强烈刺激，这种刺激会使一定体积的脑组织去极化，增加细胞外钾离子（[K⁺]_e）浓度，并释放谷氨酸（和其他神经递质） 。早期研究就指出，[K⁺]_e和谷氨酸在 CSD 起始中起着关键作用，实验数据和计算模型也支持，[K⁺]_e和 / 或细胞外谷氨酸浓度超过临界值是 CSD 触发的关键事件。

研究偏头痛遗传小鼠模型中实验诱导的 CSD 以及 CSD 起始促进机制，有助于深入了解为何偏头痛患者大脑易受 CSD 影响。这些模型源自患有遗传性偏头痛的家族，能够在分子、细胞、突触和神经回路等层面研究致病突变的功能后果。

偏头痛的遗传小鼠模型

目前，有 8 种单基因偏头痛突变与小鼠品系相关，可用于研究其潜在机制。其中 7 种来自家族性偏瘫性偏头痛（FHM，一种罕见的伴有先兆的偏头痛亚型）患者，1 种来自同时患有偏头痛伴先兆（MA）和家族性早睡综合征（FASPS，一种罕见的睡眠障碍，患者入睡和醒来时间都异常早）的患者。FHM 和 MA 在临床和遗传上有一定联系，不过，部分 FHM 突变可能引发严重发作以及其他发作期和 / 或永久性神经功能特征。

FHM1 由 CACNA1A 基因突变引起，该基因编码电压门控钙通道 Ca_V2.1 的孔形成亚基。Ca_V2.1 通道在神经系统中广泛表达，对控制神经递质释放起主导作用。FHM2 主要由 ATP1A2 基因突变导致，该基因编码 α₂ Na/K ATP 酶（α₂ NKA） 。α₂ NKA 在胚胎发育和出生时主要在神经元中表达，成年后几乎只在星形胶质细胞中表达，在神经元活动时对 K⁺和谷氨酸的清除起关键作用。FHM3 是由 SCN1A 基因突变造成的，该基因编码电压门控钠通道 Na_V1.1 的孔形成亚基。Na_V1.1 通道在抑制性中间神经元中高度表达，对维持神经元的高频放电至关重要。在两个表现出 MA 和 FASPS 的家族中，这两种神经表型都与酪蛋白激酶 1δ（CK1δ）基因突变有关，CK1δ 是一种普遍存在的丝氨酸 - 苏氨酸激酶，参与多种大脑信号传导。

通过同源重组或细菌人工染色体技术，将人类突变引入小鼠的同源基因中，构建了 FHM1、FHM2、FHM3 和 MA/FASPS 的基因敲入小鼠模型。这些模型携带的突变在人类中会引发不同类型的偏头痛，如一些突变导致典型 FHM 发作，而另一些则会引发更严重的症状。不同突变在小鼠模型中也表现出不同的功能变化，例如 FHM1 突变会导致 Ca_V2.1 钙电流增加，FHM2 突变会使 α₂ NKA 表达减少，FHM3 突变会引起 Na_V1.1 通道功能增强等。

遗传小鼠模型对 CSD 的易感性增加

FHM1、FHM2、FHM3 以及 MA/FASPS 小鼠模型的一个共同关键表型是对实验诱导的 CSD 易感性增加。在体内实验中，通过多种刺激方式，如聚焦电刺激、聚焦高 K⁺刺激、藜芦碱刺激和聚焦光刺激等，发现这些偏头痛模型诱发 CSD 的刺激阈值更低 。在体外实验中，使用聚焦高 K⁺脉冲刺激也得到了类似结果。此外，在体内对突变小鼠进行长时间硬膜外高 KCl 应用，会引发比野生型小鼠更高频率的 CSD。

不同突变小鼠模型中 CSD 的传播速度和引发的症状存在差异。例如，FHM1 和 FHM2 动物模型中 CSD 的传播速度在体内和体外都有所增加，而 FHM3 基因敲入小鼠在体内的 CSD 传播速度未增加，MA/FASPS 小鼠模型在体内的 CSD 传播速度仅呈现增加趋势。FHM1 中，S218L 突变比 R192Q 突变产生的 Ca_V2.1 功能增强更明显，相应地，S218L 纯合敲入小鼠的 CSD 促进作用更强，CSD 后神经运动功能缺陷更严重，CSD 传播到皮质下结构的倾向更大，还更容易出现多个 CSD 和癫痫发作 。FHM3 中，L263V 突变比 L1649Q 突变导致的 Na_V1.1 功能增强更显著，L263V 杂合敲入小鼠的寿命明显缩短，这与脑干去极化和呼吸暂停有关 。部分 FHM3 小鼠还会出现自发的 CSD 事件，不过其频率较低，且可能与电极植入导致的机械刺激或组织损伤有关。

遗传小鼠模型大脑皮层的功能改变

• FHM1 小鼠：对 R192Q FHM1 基因敲入小鼠急性脑切片的研究发现，其不同皮层内和丘脑皮层（TC）突触的谷氨酸能传递增强，这是由于突变的突触前 Ca_V2.1 通道使动作电位（AP）诱发的 Ca²⁺内流增加，进而提高了谷氨酸释放的概率。但 FHM1 突变对不同兴奋性突触的短期可塑性影响不同，如增强了一些突触的短期抑制（STD），而对另一些突触的短期可塑性则没有影响。与之形成鲜明对比的是，FHM1 小鼠不同皮层抑制性突触的 GABA 能传递未发生改变。从整体来看，FHM1 突变增强了兴奋性突触传递，但未直接影响抑制性突触传递。不过，这种变化并不一定会导致网络过度兴奋和放电率增加，因为增强的兴奋性传递在不同突触上的作用不同，可能会增加网络抑制 。在体内实验中，对清醒头固定 FHM1 小鼠的研究发现，其视觉诱发反应和多单位放电活动（MUA）在高对比度刺激下，MUA 峰值幅度降低，这表明 L4 主神经元（PCs）的兴奋 - 抑制（E/I）平衡向抑制方向偏移 。然而，在自由活动的 FHM1 小鼠中，对单闪蓝光脉冲的初始 MUA 活动增加未改变，但 MUA 增加后的抑制作用减弱，脑电图（EEG）对不同频率闪光刺激的反应显示，其在 β - 低 γ 频段（12 - 40Hz）的光驱动增强 。
• FHM2 小鼠：杂合 W887R FHM2 基因敲入小鼠在神经元活动时，突触谷氨酸的清除速率降低，这在急性皮层切片和体内实验中均得到证实。其原因是皮层周围突触星形胶质细胞过程中 GLT - 1 谷氨酸转运体的密度降低，这与 α₂ NKA 表达减少有关。在清醒的 FHM2 小鼠中，通过双光子显微镜成像可观察到自发的局部高幅度谷氨酸荧光事件，即谷氨酸羽流，这是谷氨酸清除效率低下的标志。由于谷氨酸清除减慢和溢出增加，FHM2 小鼠 L2/3 锥体神经元中由 L1 神经元传入刺激诱发的谷氨酸 NMDA 受体（NMDAR）兴奋性突触后电流幅度更大、衰减更慢，这是因为激活了突触外的 GluN1 - N2B NMDARs。此外，FHM2 小鼠中 5 层锥体神经元树突中长时程 NMDA 尖峰的产生更容易，从而导致输出体细胞爆发式放电增加 。同时，FHM2 小鼠神经元活动时释放的 K⁺离子清除速率也降低，恢复 α₂ NKA 的表达水平可挽救这些异常。
• FHM3 小鼠：对杂合 L1649 FHM3 基因敲入小鼠急性皮层切片中不同类型神经元的内在放电测量发现，L4 快闪中间神经元（FS INs）的动作电位频率增加，而常规放电中间神经元和 5 层锥体神经元的频率未改变。FHM3 小鼠皮层锥体神经元中自发抑制性突触后电流频率增加，表明皮层中间神经元的自发活动增强。对持续性 Na⁺电流的选择性抑制剂 GS967 的研究发现，其对 WT 和 FHM3 小鼠 FS INs 动作电位频率的影响不同，这表明 FHM3 小鼠 FS INs 的过度兴奋可能并非直接由持续性 Na⁺电流的功能增强引起 。
• CK1δ_T44A MA/FASPS 小鼠：对 CK1δ_T44A小鼠 S1 皮层切片的研究显示，在瞬态刺激下，其相位性兴奋性和抑制性突触传递均未改变。但在不同频率刺激下，L4 PC - L2/3 PC 突触的短期抑制（STD）存在频率依赖性降低，这是由于突触前末端可释放囊泡池大小的钙依赖性增强。而抑制性突触后电流的 STD 在不同频率刺激下未改变。由于兴奋性突触的 STD 缺陷，MA 小鼠模型在高频（50Hz）刺激下谷氨酸释放增加，在局部回路中，L2/3 锥体神经元的长时程动作电位爆发会引发更多的递归兴奋，在网络层面，麻醉的 CK1δ_T44A小鼠 “up state” 活动持续时间更长。

遗传小鼠模型中 CSD 起始促进的机制

• FHM1 小鼠：CSD 挽救实验表明，FHM1 小鼠皮层突触处 Ca_V2.1 依赖性谷氨酸能传递增加与实验性 CSD 促进之间存在因果关系。当通过部分抑制 Ca_V2.1 通道使 AP 诱发的谷氨酸释放恢复到野生型水平时，FHM1 小鼠皮层切片中 CSD 的起始和传播促进作用完全消除 。这表明 Ca_V2.1 依赖性谷氨酸释放在 CSD 起始中起关键作用，其他研究也从不同角度支持了这一观点。
• FHM2 小鼠：功能研究表明，FHM2 小鼠皮层兴奋性突触处谷氨酸清除缺陷是 CSD 起始和传播促进的主要原因，K⁺清除减少可能是剩余 CSD 促进作用的原因。GLT - 1 基因敲除小鼠表现出对实验诱导的 CSD 易感性增加和 CSD 传播速率加快，进一步证实了 GLT - 1 转运体对谷氨酸清除在 CSD 中的重要作用。在清醒头固定小鼠中，对 CSD 起始部位细胞外谷氨酸的成像发现，FHM2 和 WT 小鼠在 CSD 起始前，基础谷氨酸水平和谷氨酸羽流频率都会增加，且在阈值刺激前，两者的谷氨酸水平和羽流频率相似，但 FHM2 小鼠的 CSD 起始阈值更低，这表明存在一个谷氨酸的临界阈值，FHM2 小鼠由于谷氨酸清除速率降低，更容易达到这个阈值，从而促进 CSD 起始。
• MA/FASPS 小鼠：降低细胞外 [Ca²⁺] 可消除 WT 和 CK1δ_T44A小鼠 L4 - L2/3 突触的 STD 差异以及皮层切片中 CSD 起始刺激阈值的基因型差异。这表明谷氨酸能突触的频率依赖性突触前功能增强是 MA 小鼠模型中 CSD 起始促进的原因，也强调了 Ca²⁺依赖性突触前兴奋性在多个遗传模型中的潜在共同作用。
• 共同机制：综合 FHM1、FHM2 和 MA 小鼠模型的研究结果，发现过度的皮层谷氨酸能传递，无论是由于谷氨酸释放增加还是谷氨酸清除受损，都是这些偏头痛遗传小鼠模型中 CSD 起始促进的基础 。大量证据表明，在 WT 小鼠和 FHM 模型中，激活临界阈值水平的谷氨酸 NMDARs 是 CSD 起始的必要条件。在正常代谢的 WT 皮质组织中，使用 NMDAR 拮抗剂的研究表明，抑制 NMDARs 会增加 CSD 诱导的刺激阈值，完全抑制 NMDARs 会阻止 CSD 的发生。在 FHM1 小鼠中，也发现延迟激活 NMDARs 超过临界阈值是 CSD 起始的必要条件，且该阈值在 FHM1 和 WT 小鼠中相似，但 FHM1 小鼠更容易达到。在 FHM2 小鼠中，特异性抑制 GluN1 - N2B NMDARs 可增加 CSD 阈值并降低 CSD 速度，表明 FHM2 小鼠中 CSD 起始的促进主要是由于该亚型 NMDARs 的激活，其主要位于突触外位点 。
• FHM3 小鼠：持续性 Na⁺电流的选择性抑制剂 GS967 对 WT 和 FHM3 小鼠 CSD 诱导成功率的影响不同，在 FHM3 小鼠中，GS967 的作用相对更大，消除了两种基因型之间 CSD 诱导率的差异。这表明持续性 Na⁺电流参与了 CSD 阈值的确定和 CSD 的起始，FHM3 小鼠中 Na_V1.1 通道携带的持续性 Na⁺电流增加可解释其 CSD 促进作用。一种假说认为，FS 中间神经元中持续性 Na⁺电流增加和神经元放电频率增加，会导致细胞外 K⁺积累增加，进而促进 CSD 起始 。此外，皮层锥体神经元中持续性 Na⁺电流增加也可能是 FHM3 小鼠 CSD 起始促进的另一个机制。

遗传小鼠模型对偏头痛中自发 CSD 起始机制的启示

遗传小鼠模型表明，谷氨酸能传递在介导网络向 CSD 的全或无转变中可能起着关键作用，是触发 CSD 的 “开关”。K⁺浓度升高可能为 CSD 的发生创造条件，但谷氨酸的激增，无论是由于释放增加还是重摄取受损，似乎是跨越 CSD 起始阈值的必要条件。当谷氨酸激增导致 NMDARs 激活达到临界水平时，会产生净自维持内向电流，使神经元去极化和 K⁺浓度升高自我再生 。谷氨酸水平通常由重摄取机制严格控制，主要由星形胶质细胞谷氨酸转运体完成，其作用依赖于离子梯度和 Na/K ATP 酶产生的膜极化 。在偏头痛中，可能由于突触释放过多导致重摄取饱和，或重摄取机制本身受损，使得谷氨酸积累达到 CSD 起始的阈值。此外，细胞外 K⁺浓度升高会降低谷氨酸重摄取效率，小动脉收缩导致的灌注减少也可能促进 CSD 的发生 。

偏头痛遗传小鼠模型支持将偏头痛视为一种神经元回路中兴奋 - 抑制（E/I）平衡调节功能障碍的脑部疾病。在某些条件下，特定皮层回路中 E/I 平衡的改变可能使这些回路达到 CSD 起始的临界点 。CSD 在新皮层的上层树突层最容易诱导，这些层接收多种兴奋性输入，同时也受到抑制和去抑制的影响，树突上丰富的 NMDA 受体对 CSD 的起始很重要 。大脑中存在许多可能影响 CSD 起始的因素，包括离子电导、突触周围重摄取机制、突触和回路结构以及局部、区域和全局活动模式等，同时，灌注、氧合和 ATP 可用性等内稳态因素也与 CSD 的发生密切相关。代谢受损，如能量底物减少、灌注降低、基因突变等，可能在偏头痛中促进 CSD 的起始，“代谢” 和 “兴奋 / 抑制” 因素相互交织 。

目前，对偏头痛遗传模型中感觉皮层微回路和不同状态下网络活动的研究相对较少，很难确定这些研究中揭示的回路改变如何促进自发 CSD 的起始。由于偏头痛和自发 CSD 的发作具有间歇性，研究典型偏头痛触发因素存在<