癫是一类常见的以无诱因神经元反复自发放电为特点的神经系统疾病。据WHO报告显示，癫的患病率为5.0‰ ～ 11.2‰，而我国癫患病率为7.2‰，即我国存在有900万左右的癫患者。大多数癫患者需要长期治疗(至少治疗2年以上)，部分患者甚至需要终身服药。癫患者易伴有其他躯体性或精神性疾病，并且病死率显著高于健康人，癫疾病给患者及其家属造成严重的经济和心理负担^[1]。现在对癫的致病机制的认知还不十分清楚。在原代培养的神经元细胞和急性分离的脑片上，均发现细胞外无镁能诱发癫样放电的产生。这说明镁离子浓度的异常在癫的致病机制中起着重要作用。2012年本课题组发现一种高选择性镁离子转运蛋白相关基因(NIPA2基因)与儿童失神癫密切相关^[2]，再次支持镁离子很可能在神经元兴奋性调控方面具有重大意义。NIPA2蛋白功能是将胞外的镁离子转运到细胞内^[3]，因此推测NIPA2蛋白功能障碍将引发细胞内的镁离子浓度改变，从而导致神经元网络兴奋性显著增加，并产生样放电。这很可能是儿童失神癫的致病机制之一。

镁离子在体内参与多种离子通道和受体的调控，如大电导钾离子通道(BK通道)及N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDA受体)。BK通道在神经元爆发动作电位的过程中起着重要的调节作用，而NMDA受体在突触可塑性方面具有重要意义。目前认为，失神癫来源于皮质丘脑网络的异常放电。BK通道和NMDA受体广泛分布于皮质和丘脑的兴奋性神经元中。因此，镁离子的浓度改变很可能通过BK通道和NMDA受体途径增强了神经元网络的兴奋性，最终导致样放电的产生。本研究结合计算机模型生物学模拟及大鼠皮质丘脑脑片的电生理记录初步讨论了细胞内镁离子浓度对皮质丘脑网络的兴奋性的影响，为揭示儿童失神癫的发病机制提供实验基础，也为儿童失神癫的临床药物研发提供重要线索。

细胞内的镁离子对BK通道和NMDA受体有重要的调控作用。推测细胞内镁离子浓度的降低可能通过2条途径增强神经元细胞和神经网络的兴奋性：(1)BK通道的激活依赖细胞内的镁离子、钙离子以及膜电位。BK通道参与神经元细胞的超极化过程，在终止动作电位上发挥着重要作用。细胞内镁离子的减少很可能减弱了BK通道的激活，从而削弱了BK通道对神经元动作电位的阻断作用，最终导致了神经元兴奋性的增强。(2)通过削弱镁离子对NMDA受体的阻断作用而增强神经网络兴奋性。

研究表明增加细胞内的镁离子浓度(增加为正常值的10～100倍)可以显著增加BK通道的激活^[8]，但是没有研究报道细胞内低镁的情况下是否可以显著影响BK通道的激活。为了揭示细胞内低镁对BK通道的影响，本研究建立细胞内镁离子浓度依赖的BK通道模型。在这个模型中，在细胞内低镁的条件下没有观察到明显的BK通道激活和动作电位特性的改变。作者认为细胞内高镁可能更易引起BK通道激活的改变，细胞内低镁对BK通道激活的影响可能较微弱。另一方面，细胞内低镁可以增强NMDA受体相关电流从而增强兴奋性突触耦联。在NMDA受体模型中，发现细胞内低镁可以增强NMDA受体相关电流。本研究中的皮质丘脑脑片记录也支持电脑生物学模型的结果。在细胞内低镁的状况下，可以观察到fEPSPs的幅度增加和样放电的产生。这种在低镁情况下显著增加的fEPSPs和样放电可以被NMDA受体阻滞剂CPP所抑制。这些结果都支持细胞内镁离子浓度的降低将削弱镁离子对NMDA受体的阻断作用这一假说，从而增加NMDA受体相关电流，最终增强了神经网络的兴奋性耦联，导致样放电的产生。

目前认为，癫与离子通道和受体相关电流的异常密切相关。50%以上的癫患者存在遗传基础^[9]。与癫相关的易感基因也多为离子通道和受体相关基因^[10,11]。研究结果提示，癫的发生过程中很可能存在关键的节点或共同的通路，即离子通道和受体相关功能的改变，同时其发生也会受到遗传因素与环境因素共同作用的影响^[12]。镁离子作为在人体中很多生化通路和离子通道激活过程中的关键分子，很可能是癫发生过程中的重要一环。只要是任何上游通路的改变引发了镁离子浓度的异常，将很可能影响到诸多镁离子相关离子通道和受体(如NMDA受体)，导致突触电流的改变以及神经网络的兴奋性耦联过度增强。本研究已明确细胞内低镁可导致NMDA受体相关电流增强，从而引发神经元网络兴奋性增加。此外，目前研究癫的细胞模型有许多^[13]，但是在计算机模拟方面国内的研究还比较薄弱。本研究构建了与细胞内镁离子相关的计算机模型，其可以作为很好的预测工具，模拟不同的细胞内镁离子浓度对离子通道功能和神经元兴奋性的影响。对于一些特定的癫类型及其他镁离子相关的神经系统疾病，可以应用这些计算机模型来分析其潜在的分子机制。

儿童失神癫是小儿常见的特发性全面性癫之一，约占所有小儿癫的10%^[14]。儿童失神癫的主要临床表现为短暂的意识丧失，双眼凝视及突然的动作终止。儿童失神癫的脑电图表现为特征性的3 Hz左右的棘慢综合波。2012年，本组从儿童失神癫患者中发现了染色体15q11.2和15q13.3区域的微缺失，提示这2个区域的拷贝数变异与儿童失神癫密切相关^[15]。除此之外，还在儿童失神癫患者中发现了3个未报道的NIPA2基因突变(c.532A>T，p.I178F；c.731A>G，p.N244S；c.1002_1003insGAT，p.N334_335EinsD)，首次明确了NIPA2与儿童失神癫密切相关^[2]。NIPA2蛋白是一个9次跨膜蛋白，由360个氨基酸组成。NIPA2属于膜整合蛋白NIPA家族，发挥着转运细胞内外镁离子的功能^[3]。此家族共包含4个家族成员，分别为NIPA1、NIPA2、NIPA3和NIPA4。NIPA1、NIPA3和NIPA4为非选择性的镁离子转运体，不仅转运镁离子而且可以转运其他的二价阳离子。然而，NIPA2是一种高选择性的镁离子转运体，几乎不转运其他的二价阳离子^[3]。NIPA2蛋白主要分布在细胞膜和早期内体，NIPA2可将细胞外的镁离子运输到细胞内。至今未有关于NIPA2基因突变功能的相关报道。关于其同族基因NIPA1的突变功能研究发现，NIPA1突变体可以阻碍NIPA1蛋白的上膜，从而导致NIPA1蛋白潴留在细胞质内，使其不能有效转运镁离子^[16]。基于这些研究，推测NIPA2基因突变也很可能削弱了NIPA2蛋白对镁离子的转运，导致细胞内镁离子浓度的降低。本研究已发现细胞内镁离子浓度的降低，可以增加NMDA受体相关电流，最终增强了神经元网络的兴奋性耦联，导致样放电的产生。这提示细胞内低镁很可能是儿童失神癫的发生过程中的重要一环，其与NIPA2基因突变引发儿童失神癫的致病机制可能密切相关。

相信深入地研究镁离子转运与癫发生的关系，明确镁离子转运体相关基因NIPA2的突变功能，将进一步加深对儿童失神癫的病理机制的认识。此外，本研究也为抗癫药物的研发提供了重要线索，促进镁离子转运的药物很可能可以作为新一类的潜在抗癫药物。