皮层扩散性抑制（Cortical spreading depression,CSD）是一种由神经元和神经胶质细胞大量去极化以及随之而来的脑电活动抑制组成的过程,CSD以波的形式在大脑皮层缓慢传播,并导致细胞毒性水肿。在临床上CSD被证明与多种神经系统疾病密切相关,包括偏头痛、蛛网膜下腔出血、脑卒中等,并且CSD作为偏头痛的先兆被广泛接受。越来越多的研究表明大脑皮层的网络功能障碍可能是偏头痛发生的机制,偏头痛患者中出现的先兆症状可能与皮层回路中的兴奋-抑制失衡有关。偏头痛作为一种复杂的神经系统疾病,导致其发生的潜在细胞机制还不是很清楚。有研究利用宽场荧光成像技术发现在表达不同细胞类型的转基因小鼠中诱导CSD后小鼠双侧皮层感觉响应不同,但是并没有继续从单细胞水平上去展开研究。偏头痛先兆中的感觉紊乱可能与不同类型兴奋性神经元和抑制性神经元在CSD过程中的动态活动变化有关,研究CSD对不同类型神经元的影响可能为解释偏头痛先兆产生的机制提供一定的帮助。借助双光子显微镜从单细胞水平展开研究,比较CSD对清醒状态下小鼠大脑皮层不同兴奋性和抑制性神经元的活动和形态的影响,分析大脑皮层不同类型神经元在CSD过程中可能产生的作用。主要内容和结论如下:首先,通过使用在特定类型神经元中表达Cre重组酶的转基因小鼠和Cre依赖的重组腺相关病毒实现对特定脑区特定类型神经元的标记。通过玻璃颅窗和小鼠头部固定装置的联合使用,构建可长期用于双光子成像的清醒小鼠颅窗模型,成功在双光子显微镜下分别监测到VGlu T2、Ca MKII、Thy1、VIP、VGAT和PV神经元在初级视觉皮层的钙活动。其次,通过滴加微量KCl的方式在不同类型神经元中诱导CSD模型,研究CSD过程中特定类型神经元的钙活动变化情况。观察到CSD产生时神经元发生去极化,胞内钙离子浓度升高,随后神经元自发活动受到抑制。统计不同类型神经元CSD之后自发活动抑制时长以及自发活动频率和振幅的变化情况,发现兴奋性神经元中存在两种恢复情况,恢复较快的细胞在CSD后5～20 min内自发活动重新出现,恢复较慢的细胞则在CSD后30～60 min内重新出现自发活动。对比之下,抑制性神经元自发活动恢复普遍比兴奋性神经元快,其中VIP神经元恢复最快,在CSD后5～10min内会重新出现自发活动。在VGAT和PV这两种抑制性神经元中,神经元自发活动的抑制时长基本保持在5～20 min。在对频率和振幅的研究中发现除了VIP神经元外,其他类型神经元在CSD后自发活动的频率和振幅均显著降低。结果表明CSD之后兴奋性神经元自发活动抑制时间比抑制性神经元长,抑制性神经元自发活动的频率和振幅恢复比较快。最后,借助双光子显微镜对不同类型神经元的树突结构进行成像,观察到CSD过程中树突的珠化及恢复过程。比较神经元的树突珠化程度以及珠化后树突结构恢复所需时长,发现树突珠化程度与细胞类型无关,而与树突距离所连接的胞体远近有关。通常距离胞体较远的树突表面积较小,树突珠化程度会比较严重。此外,研究发现CSD过程中不同类型神经元的树突开始珠化的时间基本一致,树突的珠化几乎是伴随CSD的传播开始的,而不同类型神经元树突珠化达到串珠状态和恢复到正常状态所需时间也很相近,表明树突珠化恢复快慢与细胞类型无关。综上所述,本文从单细胞水平展开研究,分析CSD过程中不同兴奋性神经元与抑制性神经元活动的动态变化,并进一步从结构上展开研究,将神经元结构上的变化与神经元活动的变化联系起来。与抑制性神经元相比,兴奋性神经元具有更多较长且纤细的树突结构,在CSD后整个神经元结构的恢复可能需要更长时间,神经元结构的变化可能在一定程度上参与了神经元功能的改变。CSD后不同兴奋性神经元和抑制性神经元活动变化的差异性,可能为偏头痛先兆的产生提供一定的解释。