正常和疾病状态脑动力学的建模系统和方法技术方案

提供了正常和疾病状态脑动力学的建模系统和方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】 相关申请的交叉参考 本申请要求于2013年1月31日提交的标题为MODELING THE BRAIN DYNAMICS IN NORMAL AND DISEASED STATES (正常和疾病状态脑动力学的建模）的美国临时专利申请号 61/759, 363的优先权，其全部内容通过引用纳入本文用于所有目的。 关于联邦资助研究或开发的声明 本专利技术是在政府支持下由国家卫生研究院（National Institutes of Health)授 予的基金号EB008738资助完成。政府对本专利技术享有某些权利。 专利技术背景
本专利技术通常涉及脑动力学建模的系统和方法，且更具体地涉及正常和疾病状态脑 动力学的建模。 相关技术的描述 正常和患有神经疾病状态的脑网络功能动力学在很大程度上是未知的。本专利技术提 供了新的方法，该方法设计为使用脑网络功能动力学的高精度知识建立疾病模型并纵向探 测脑网络功能动力学以进行定量设计和评估治疗选项。使用该方法，治疗方法可设计和评 估为直接针对改变的特定脑动力学。例如，该方法可有利于药物开放、神经刺激、局灶性手 术、细胞和基因治疗。 研究神经疾病的常规动物模型使用机械损伤、药物递送、电刺激和遗传改变生成。 这些动物模型随后由行为试验、电记录、解剖学评价和离体免疫组化表征。本专利技术的方法是 有益的并克服了常规建模的多种缺陷。
技术实现思路
本专利技术为基于神经疾病的精确、细胞类型特异性脑功能来建立、定义和分类神经 疾病创造了独特的第一次机会。此外，可在给予治疗的同时对其进行纵向监测以评价功效。 除评估以外，其还可对治疗方法进行积极设计以改变患病的脑功能。 可使用光遗传学刺激和功能性磁共振成像读数来鉴定建立具有精确来源和相应 脑网络动力学的动物模型的方法。可创建涉及癫痫发作（seizure)和其他疾病状态的模 型。 本专利技术的多个方面已被用作临产前方法以指导人治疗发展。 本专利技术的多个方面已被用于研究和鉴定癫痫发作模型，这些癫痫发作模型具有精 确来源和相关网络、阿尔茨海默病网络、帕金森病成瘾网络、最低限度有意识患者相关DBS 目标网络和其他正常和疾病状态。 本专利技术的多个方面涉及正常和疾病状态脑动力学的建模方法，包括在脑中建立疾 病状态模型，并基于光遗传学刺激和功能性磁共振成像（fMRI)对模型进行分类。 该方法还包括进行其他测量以在光应答刺激期间基于该分类解释脑电图（EEG) 测量。 可使用EEG进行这些其他测量。 该疾病状态模型可以是癫痫发作的模型。 该疾病状态模型可以是癫痫发作的动物模型。 可从背侧CA1刺激、中间CA1刺激、腹侧CA1刺激或下托（subiculum)刺激中至少 一种生成癫痫发作。 该方法还包括使用癫痫发作的动物模型进行神经刺激和药物设计。 本专利技术的多个方面提供了一种正常和疾病状态脑动力学的建模方法，包括通过具 有细胞类型特异性的光遗传学功能性磁共振成像（ofMRI)鉴定迷走神经刺激（VNS)作用机 制，生成不同的癫痫发作类型并评估各癫痫发作类型的VNS功效以鉴定癫痫发作类型，并 鉴定各癫痫发作类型的独特脑电图（EEG)特征，并通过EEG和癫痫发作同步化ofMRI鉴定 患者中的EEG特征。 该方法还可包括进行MRI的VNS同步化以确认VNS作用机制。 本专利技术的多个方面提供了一种正常和疾病状态脑动力学的建模方法，包括在脑中 建立疾病状态模型，并基于光遗传学刺激和功能性磁共振成像（fMRI)对模型进行分类。 该方法还包括进行其他测量以在光应答刺激期间基于该分类解释脑电图（EEG) 测量。 可使用EEG进行这些其他测量。 该疾病状态模型可以是癫痫发作的模型。 该疾病状态模型可以是癫痫发作的动物模型。 可从背侧CA1刺激、中间CA1刺激、腹侧CA1刺激或下托刺激中至少一种生成癫痫 发作。 该方法还包括使用癫痫发作的动物模型进行神经刺激和药物设计。 本专利技术的多个方面提供了一种正常和疾病状态脑动力学的建模方法，该方法包括 通过具有细胞类型特异性的光遗传学功能性磁共振成像（ofMRI)鉴定神经刺激作用机制， 生成不同的癫痫发作类型并评估各癫痫发作类型的神经刺激功效以鉴定癫痫发作类型，并 鉴定各癫痫发作类型的独特脑电图（EEG)特征，并通过EEG和癫痫发作同步化ofMRI鉴定 患者中的EEG特征。 该方法还可包括神经刺激，其是迷走神经刺激（VNS)、深部脑刺激（DBS)和响应性 神经刺激（RNS)之一。 该方法还可包括进行MRI的神经刺激同步化以确认神经刺激作用机制。 该神经刺激可以是迷走神经刺激（VNS)、深部脑刺激（DBS)和响应性神经刺激 (RNS)之一。 本专利技术的多个方面提供了一种正常和疾病状态脑动力学的建模方法，该方法包括 光遗传学刺激在背内侧、内侧、腹内侧和/或外侧CA1区域中的锥体神经元，使用光遗传学 功能性磁共振成像（ofMRI)通过连接的脑网络监测癫痫发作，在ofMRI活性的位置处测量 局部场电位和单一单元记录。 光遗传学刺激的步骤可以在不引起抑制性中间神经元或通道纤维（fiber of passage)的直接刺激的情况下完成。 光遗传学刺激的步骤可使用低于20Hz的频率刺激来完成以生成短持续活性。 光遗传学刺激的步骤可使用6-lOHz的频率刺激来完成以生成短持续活性。 光遗传学刺激的步骤可使用高于20Hz的频率刺激来完成。 光遗传学刺激的步骤可使用20-60HZ的频率刺激来完成以生成长持续活性。 光遗传学刺激的步骤可使用40Hz光刺激来完成。 该方法还可包括注射 AAV5-CamKIIa-ChR2-EYFP 或 AAV5-CamKIIa-NpHR-mCherry 中的至少一种以刺激或抑制锥体神经元，并施加蓝光和黄光中的至少一种以通过光遗传学 触发神经元。 蓝光可以每秒1、10、60或100个循环递送。 蓝光可以每秒1、10、60或100个循环递送，每分钟持续20秒，总计6分钟，同时对 脑进行扫描。 本专利技术的方法和设备具有附图（其纳入本文）和下文专利技术详述中详述或显而易见 的其他特征和优势，其共同解释本专利技术的某些原理。【附图说明】 图la和图lb显示从背侧CA1中兴奋性神经元生成的癫痫发作。电图癫痫发作不 具有行为输出。癫痫发作不传播至额叶皮质且不涉及前丘脑。 图2a和图2b显示从腹侧CA1中兴奋性神经元生成的癫痫发作。电图癫痫发作具 有强直阵挛行为癫痫发作。癫痫发作传播至额叶皮质区域但不涉及前丘脑。 图3显示前丘脑（AV)不参与图2的相同癫痫发作类型，而图3b显示观察到的明 确参与，其来源于下托中的兴奋性神经元。 图4a和图4b显示VNS同步化的fMRI。 图5、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f和图5g显示锥形背侧CA1细胞的光遗传学0 频率兴奋驱动稳健的BOLD和EEG应答。图5a显示转导的细胞（三角形）、光和冠状切片的 位置（1. ? ? 20)。图5b显示背侧CA1中ChR2-EYFP表达的荧光（左）和共聚焦（右）图像。 箭头指向显示EYFP表达的细胞。图5c显示头骨EEG和光学刺激位置，其中参比电极置于 前囱前3. 0mm和右2. 0mm且记录电极置于背侧CA1上脑皮质的顶部。图5d使用三台摄像 机显示钻石形腔体，其定制为通过细微面部和身本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正常和患病状态脑动力学的建模方法，所述方法包括：通过具有细胞类型特异性的光遗传学功能性磁共振成像(ofMRI)鉴定神经刺激的作用机制；产生不同的癫痫发作类型并评估各癫痫发作类型的神经刺激功效以鉴定癫痫发作类型，并鉴定各癫痫发作类型的独特脑电图(EEG)特征；以及通过EEG和癫痫发作同步的ofMRI鉴定患者中的EEG特征。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·H·李，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US