論文解讀：無線EEG與HD-MEA揭示SYNGAP1缺失小鼠的腦電特征
SYNGAP1 缺失如何引發神經發育障礙（NDD）？SYNGAP1 相關智力障礙（SRID）患者存在發育遲滯、智力障礙、運動功能受損和癲癇等癥狀，但其致病機制尚不明確。
2024年，加州大學戴維斯分校醫學院MIND研究所 Jill Silverman教授團隊在Translational Psychiatry（IF2023=5.8）上發表了題名為“Hyperexcitability and translational phenotypes in a preclinical mouse model of SYNGAP1-related intellectual disability”的文章。研究以 Syngap1 雜合子小鼠為模型，探究 SYNGAP1 缺失對神經元結構與功能、行為表型及電生理活動的影響，旨在明確 SRID 的病理機制，尋找可用于評估靶向治療效果的生物標志物。
研究亮點
1、首次結合體內外電生理研究
通過無線 EEG 發現 Syngap1+/- 小鼠 delta 和 theta 功率升高、 spike trains 增多，首次利用 HD-MEA 證實其原代神經元網絡放電活動增強、爆發頻率增加且爆發間隔縮短，橋接了體外神經元電生理與體內腦電活動。
2、發現新型轉化表型
明確睡眠結構異常（慢波睡眠減少、主動覺醒增加）可作為 SRID 潛在生物標志物，為臨床診斷和治療評估提供新方向。
3、行為表型的系統驗證
通過多種行為測試（開放場、Y 迷宮、新物體識別等）全面證實 Syngap1+/- 小鼠存在多動、認知缺陷及焦慮樣行為減少，為 SRID 病理機制研究提供堅實行為學證據。
Maxwell HD-MEA
Maxwell HD-MEA的很多特點使得它受到神經科學家們及人工智能科學家們的青睞：
⚫ 3265 electrods/mm2的高密度電極
Maxwell MEA芯片上有26400個電極。這樣的密度使其可以記錄2D培養物中幾乎每一個活細胞；而對于3D類器官更為關鍵，因為類器官與芯片接觸面積通常比較小，如此高的密度提供了足夠的記錄位點獲取大量神經元信息。
Maxwell MEA 芯片
⚫可放在培養箱內進行記錄
這使得在記錄過程中細胞能夠維持良好的生理狀態，支持反復長期的檢測。
⚫低本底噪音，高信噪比
僅為2.4微伏的本底噪音保證了高質量的讀取信號，使得AI系統獲得足夠豐富的輸出信息。
⚫電極可作為刺激電極
在2萬多個電極中每一個電極都可作為刺激電極給出刺激，這在構建的AI系統中成為重要的信息輸入的媒介。在此，高電極密度也為這種信息輸入提供了高空間分辨率的特性。
⚫可開放API，實現快速實時反饋系統
Maxwell HD-MEA可開放API，允許其它軟件的操控，靈活地設計輸入輸出模式，能夠在輸入與輸出間建立實時的反饋。
研究結果
突變小鼠中SynGAP1蛋白水平降低
研究人員對出生后第42天（PND42）的Syngap1+/−突變小鼠和同窩野生型（WT）對照小鼠的皮層裂解物進行了Western blot分析，使用已驗證的抗體檢測SynGAP1總蛋白表達水平（以GAPDH為內參）。Western blot結果顯示兩條與已知SynGAP1亞型對應的條帶，研究者對其中較大的主要亞型條帶進行了定量分析。結果顯示，雜合突變體Syngap1+/−的SynGAP1蛋白水平降至野生型標準化表達的41%。
圖1：Syngap1+/-小鼠SynGAP1蛋白表達顯著降低
A PND42的Syngap1+/+和Syngap1+/-小鼠的SynGAP1與Gapdh蛋白表達。Western Blot顯示Syngap1+/-小鼠SynGAP1（140kDa）表達降低。B 經Gapdh標準化后的SynGAP1蛋白定量顯示，Syngap1+/-腦組織SynGAP1表達量僅為野生型同窩對照的41%。數據采用t檢驗，*P=0.0051（各組n=3）。
突變小鼠的運動增多和認知功能受損
通過行為學實驗系統評估了Syngap1+/−小鼠的運動和認知功能。
在曠場實驗中，突變小鼠表現出顯著的多動癥狀，其水平活動和總活動量在所有時間段均顯著高于野生型，且中心區域停留時間增加，結合高架十字迷宮實驗結果，提示其可能具有焦慮樣行為減少和多動共存的復雜表型。認知功能測試顯示，在新物體識別任務中，突變小鼠對新物體的探索偏好降低，表明長期記憶受損；而在Y迷宮測試中，雖然工作記憶的正確率無顯著差異，但其臂間轉換次數顯著增多，再次印證了多動特征。
這些結果共同表明，Syngap1單倍劑量不足會導致小鼠出現明顯的多動行為和認知功能障礙，其中多動表型在不同行為范式測試中表現一致且顯著，而認知缺陷主要體現在長期記憶方面。
圖2：Syngap1+/-小鼠運動活性增強伴認知障礙
A水平活動、B總活動量和C中心區域停留時間均顯著增加（重復測量ANOVA）。D 30分鐘總活動量比較（t檢驗）。E新物體識別測試中突變鼠未表現偏好。F自發交替任務正確率無差異。G臂間轉換次數顯著增多（t檢驗）。P<0.05，***P<0.0001。
突變小鼠的體內腦電圖改變
通過無線遙測技術對Syngap1+/-突變小鼠進行了系統的腦電活動和睡眠結構分析。
研究結果顯示，與野生型小鼠相比，突變小鼠表現出顯著的腦電圖異常：72小時連續監測發現其絕對功率譜密度（PSD）整體升高，特別是Delta波（0.5-4Hz）和Theta波（5-9Hz）功率顯著增強，同時棘波串數量和持續時間明顯增加，這些發現提示Syngap1單倍劑量不足導致神經元網絡過度興奮。
在睡眠結構方面，突變小鼠表現出明顯的睡眠-覺醒周期紊亂：主動覺醒時間顯著增加，安靜覺醒時間減少，慢波睡眠比例明顯降低，異相睡眠雖未達統計學顯著性但也有減少趨勢。
這些電生理和行為學改變與人類SYNGAP1相關神經發育障礙患者的臨床特征高度吻合，為理解該基因缺陷導致神經系統異常的內在機制提供了重要實驗依據。
圖3：Syngap1+/-小鼠delta/theta波功率增強
無線遙測EEG顯示：A功率譜密度整體升高；B delta/theta頻段功率顯著增加；C 10分鐘功率分布示delta/theta波增強；D棘波串計數；E棘波串總時長增加；F代表性EEG波形（雙因素ANOVA與t檢驗）。P<0.05，P<0.01，P<0.001，****P<0.0001。
圖4：Syngap1+/-小鼠睡眠特征改變
A無線記錄系統示意圖及四期睡眠特征波形。B主動覺醒期比例增加；C安靜覺醒期減少；D慢波睡眠減少；E異相睡眠有降低趨勢（t檢驗）。*P<0.05，**P<0.01。
突變小鼠原代培養神經元電生理活動增強
通過高密度微電極陣列技術（HD-MEA）系統比較了Syngap1+/-突變小鼠與野生型原代皮層神經元的電生理特性。
研究發現Syngap1單倍劑量不足導致神經元網絡活動顯著增強，表現為：動作電位形態改變、爆發式放電活動增多、爆發間隔縮短等特征性改變。具體而言，突變神經元雖然每次爆發包含的放電次數減少，但爆發頻率在培養第21天（DIV21）后持續增加，爆發間隔時間從DIV21開始顯著縮短，至DIV29時爆發持續時間也明顯延長。
這些電生理異常表明Syngap1缺失導致神經元網絡興奮性增高和同步化活動增強，可能反映了突觸可塑性和神經網絡功能的紊亂。
圖5：Syngap1+/-原代神經元網絡放電活動增強
A動作電位波形疊加；B全芯片放電頻率；C網絡活性掃描電極選擇；D野生型柵格圖；F野生型網絡活動；E突變型柵格圖；G突變型網絡活動增強（同步記錄1024個電極）。
圖6：Syngap1+/-神經元爆發活動增加
A單次爆發放電次數減少；B爆發間隔（IBI）在DIV21/27/29縮短；C DIV21后爆發次數持續增加；D DIV29爆發時長延長（雙因素ANOVA）。P<0.05，P<0.01，P<0.001，****P<0.0001。
研究總結
本研究通過整合HD-MEA和無線腦電技術，首次在Syngap1+/-小鼠模型中系統揭示了突觸功能障礙與神經發育障礙的關聯。
研究發現，Syngap1單倍劑量不足導致神經元網絡活動增強、睡眠結構紊亂及認知行為異常，并首次在體外和體內水平建立了電生理與行為表型的橋梁。
這些發現為SRID的精準治療提供了關鍵生物標志物和潛在干預靶點，推動了從基礎研究到臨床轉化的突破。
參考文獻：
Fenton TA, Haouchine OY, Hallam EB, et al. Hyperexcitability and translational phenotypes in a preclinical mouse model of SYNGAP1-related intellectual disability. Transl Psychiatry. 2024 Oct 2;14(1):405. doi: 10.1038/s41398-024-03077-6.
