应用背景

2023年11月南昌大学药学院张春波课题组和墨尔本莫纳什大学神经科学系Patrick Kwan团队在Journal of Advanced Research杂志上发表了一篇题为“An integrated in vitro human iPSCs-derived neuron and in vivo animal approach for preclinical screening of anti-seizure compounds”的文章，文中详细阐述了研究者开发了一套临床前抗癫痫药物（ASM）高通量筛查（HTS）模型，即将体外人源诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）诱导神经元和体内动物模型相结合，弥补了现有抗癫痫药物筛选过程中过渡依赖急性啮齿动物模型和不适合高通量实验的缺陷。

 

 

研究中实验者使用多电极阵列（MEA）法测定了14中天然化合物（α-细辛酮、姜黄素、长春西汀、厚朴酚、川芎嗪、蛇床子素、丹参酮、胡椒碱、天麻素、槲皮素、小檗碱、白杨素、五味子甲素、和白藜芦醇）在iPSC神经培养物种抑制癫痫样发作的能力，同时在斑马鱼和小鼠模型中在体测试了这些物质的抗癫痫作用，结果显示8种天然化合物（胡椒碱，厚朴酚，α-细辛脑，蛇床子素，姜黄素，长春西汀，小檗碱，五味子甲素）对于iPSCs诱导神经元对癫痫样活动有抑制作用，在这8种化合物中，分别有6种和5种物质在斑马鱼和小鼠在体电生理模型中具有抗癫痫表现，而在iPSCs诱导神经元模型中未表现抗癫痫能力的物质在斑马鱼和小鼠在体电生理模型中也未表现出抗癫痫作用。

 

 

文中验证不同化合物在小鼠模型中抗癫痫作用的实验方案采用的是美国Pinnacle EEG/EMG神经电生理产品，研究者分别在小鼠颅骨和颈部肌肉处植入脑电电极和肌电电极以采集动物的EEG和EMG信号，通过监测动物脑区和颈部肌肉的异常放电可对动物的癫痫发作事件进行专业分析。目前国际上大小鼠EEG/EMG采集系统广泛得应用于癫痫监测和抗癫痫药物开发的动物实验模型，美国Pinnacle 是其中的佼佼者，自产品问世以来已有数千篇SCI文献发表，国际认可度极高。

 

PART2产品介绍

美国Pinnacle EEG/EMG采集系统共有有线式和无线式两套方案，分别适合于大小鼠不同类型的癫痫实验模型，根据动物癫痫发作的类型，又有纯脑电型和脑电肌电搭配型两种不同的配置，为用户提供了多种实验方案和配置选择。

01有线式EEG/EMG采集系统

Pinnacle有线式EEG/EMG系统采用低扭矩万向转向器设计规避动物活动对数据采集线缆产生扭转、缠绕等现象，保证动物脑电肌信号采集过程中自由活动不受束缚。独特的头戴式前置放大器设计将脑电信号进行放大和过滤，旨在**降低信号伪影（包括运动伪影），再加上数据采集器进行二次数据放大和过滤，从而可获得异常干净的数据波形。该系统又分为3通道和4通道，3通道系统专为癫痫脑电肌电采集而设计，4通道系统在脑电肌电采集基础上，扩展光遗传、脑内化学物质测量或加速度测量等功能，适合更为全面的神经生理学研究。

 

 

4通道EEG/EMG系统通过更换前置放大器的类型即可进行电生理检测参数的扩展，如2EEG/1EMG/1opt为脑电肌电光遗传检测，2EEG/1EMG/1Accelerometer为脑电肌电加速度检测，2EEG/1EMG/1bio为脑电肌电生物传感器检测等，从而将EEG/EMG与光遗传、生物活性物质、加速度测量等相结合，可以实现在监测癫痫模型动物EEG/EMG的同时，通过光遗传刺激和/或电刺激调控癫痫发作事件，通过检测动物脑内谷氨酸、乳酸和葡萄糖等物质的释放浓度，探究不同神经递质在癫痫发作过程中的作用机制等一系列神经电生理学研究。

 

监测脑电肌电同时记录脑内乳酸和葡萄糖浓度变化

 

光遗传调控小鼠癫痫发作事件

 

02无线式EEG/EMG采集系统

 

无线式EEG/EMG采集系统利用轻巧的无线稳压器装置在动物头部即完成脑电肌电信号的数字化处理，并通过蓝牙传输至电脑采集软件进行处理分析。该系统对动物活动范围限制更小，动物更加接近于自由活动时的生理状态，特别适合与行为学实验联合使用，如采用Racine评分系统评价大小鼠癫痫发作严重程度，结合运动计数器记录动物癫痫状态下的活动量评估癫痫对动物活动能力的影响，或搭配Morris水迷宫和Y迷宫等评估癫痫对动物认知功能和记忆的影响。

 

Morris水迷宫和Y迷宫

 

 

上述有线式和无线式EEG/EMG采集系统不仅可以用于大小鼠癫痫模型的研究，还可用于动物睡眠节律分析研究，同一套硬件可满足癫痫和睡眠两个研究方向的动物模型EEG/EMG信号采集，有关EEG/EMG采集系统在大小鼠睡眠方向的应用，请参考上海玉研科学仪器往期公众号推文。

 

03专业版癫痫分析软件

 

 

Pinnacle提供与大小鼠癫痫EEG/EMG采集硬件相配套的专业版癫痫分析软件SIRENIA® SEIZURE PRO，该软件提供了Power、Line Length和amplitude三种癫痫事件评分方法，辅助以频谱图和热图等工具,快速辅助研究者进行癫痫发作时间、持续时间和发作次数等事件的统计和分析。

 

 

SEIZURE PRO专业版分析软件操作简单，利于上手，对新手用户非常友好，整个过程仅需三步即可完成癫痫事件的识别和标记，当用户分析类似的信号数据时可直接调用数据库中的储存模板进行分析。

1. 将典型的癫痫数据存储到数据库中；

2. 从数据库中选择一个癫痫事件用于筛选靶标，并选择用功率法、线长法或振幅进行分析；

3. 软件扫描整个记录文件，筛选并识别与靶标相似的癫痫发作事件并进行统计分析。

 

SEIZURE PRO可对模型动物的EEG/EMG波形数据实现自动化的功率分析、线长分析、峰值频率分析、癫痫持续时间分析和癫痫事件统计分析等功能，将分析结果定制为高质量的图表，用于论文、演示文稿和日常研究，并可兼容第三方设备记录EEG/EMG生成的EDF和TXT文件。

 

 

 

PART3应用案例案例1

调节兴奋抑制比以对抗海马过度活跃

 

 

2023年4月纽约大学格朗尼医学中心Evan C. Rosenberg等学者在Neuron杂志上发表了一篇名为“Cannabidiol modulates excitatory-inhibitory ratio to counter hippocampal hyperactivity”的研究论文。在该项研究中，实验人员利用GPR55 KO小鼠模型验证了可通过阻断内源性膜磷脂溶血磷脂酰肌醇（LPI）的突触效应和抑制G蛋白偶联受体GPR55的过度兴奋性以发挥潜在的抗癫痫作用。实验中在小鼠额叶、颞叶（海马体）和枕叶植入脑电电极以捕捉脑电图信号，利用美国pinnacle 公司的SIRENIA® SEIZURE PRO分析软件对脑电癫痫事件进行分析显示，200 mg/kg CBD预处理降低了脑电图功率的平均水平（p=0.0036），增加了首次癫痫脑电发作的潜伏期（p=0.04），并产生了缩短脑电图发作持续时间的非显著趋势（p=0.11）。

 

案例2

颞叶癫痫小鼠模型中海马CA2区兴奋性增强及其对癫痫发作活动的影响

 

 

2022年10月Alexander C. Whitebirch等在Neuron上表了一篇题为“Enhanced excitability of the hippocampal CA2 region and its contribution to seizure activity in a mouse model of temporal lobe epilepsy”的文章，探究了海马CA2区在颞叶癫痫（TLE）中发挥的作用，研究者采用美国Pinnacle EEG/EMG采集系统对实验组和对照组小鼠进行脑电肌电采集，实验中发现使用氯氮平-N-氧化物(CNO)治疗组小鼠与未治疗组小鼠相比非抽搐型癫痫发作的频率明显降低（如图C和E；t检验；t=2.352，df=16；*p=0.032；n=17只小鼠），而CNO对非抽搐型癫痫发作持续时间没有显著影响。

美国Pinnacle公司在大小鼠脑科学神经电生理领域包括癫痫监测和分析的研究方面秉持开拓创新的生产理念，持续不断地开发和完善大小鼠脑电肌电癫痫监测技术，以助力广大科研工作者在脑科学研究领域取得新的科研突破。上海玉研仪器科学有限公司长期与Pinnacle公司保持友好合作关系，为国内外科研工作者者提供国际前沿的神经电生理技术解决方案。

 

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北京大学	北京大学第六医院	北京天坛医院
中科院神经所	中国医学科学院生物医学工程研究所	第二军医大学
安徽医科大学	徐州医学院	大连医科大学附属医院
北京针灸所	内蒙古工业大学	华东师范大学

更多文献

1.Zhu, Q., et al., Human cortical interneurons optimized for grafting specifically integrate, abort seizures, and display prolonged efficacy without over-inhibition. Neuron, 2023.

2.Rosenberg, E.C., et al., Cannabidiol modulates excitatory-inhibitory ratio to counter hippocampal hyperactivity. Neuron, 2023.

3.Tipton, A.E., et al., Selective neuronal knockout of STAT3 function inhibits epilepsy progression, improves cognition, and restores dysregulated gene networks in a temporal lobe epilepsy model. Annals of Neurology, 2023.

4.Zhao, C., et al., An integrated in vitro human iPSCs-derived neuron and in vivo animal approach for preclinical screening of anti-seizure compounds. Journal of Advanced Research, 2023.

5.Whitebirch, A.C., et al., Enhanced excitability of the hippocampal CA2 region and its contribution to seizure activity in a mouse model of temporal lobe epilepsy. Neuron, 2022. 110(19): p. 3121-3138. e8.

6.Weber, M., et al., Pharmacological suppression of seizure‐like activity in the PS2APP model of amyloidosis: Development of new models and analysis methods/amyloid/Abeta. Alzheimer's & Dementia, 2020. 16: p. e045557.

7.Han, Z., et al., Antisense oligonucleotides increase Scn1a expression and reduce seizures and SUDEP incidence in a mouse model of Dravet syndrome. Science translational medicine, 2020. 12(558): p. eaaz6100.

8.Ibhazehiebo, K., et al., A novel metabolism-based phenotypic drug discovery platform in zebrafish uncovers HDACs 1 and 3 as a potential combined anti-seizure drug target. Brain, 2018. 141(3): p. 744-761.

9.Casalia, M.L., M.A. Howard and S.C. Baraban, Persistent seizure control in epileptic mice transplanted with gamma‐aminobutyric acid progenitors. Annals of neurology, 2017. 82(4): p. 530-542.

10.Hsieh, L.S., et al., Convulsive seizures from experimental focal cortical dysplasia occur independently of cell misplacement. Nature communications, 2016. 7(1): p. 11753.