Μακροχρόνιες συνέπειες επιληπτικών κρίσεων κατά την ανάπτυξη στη λειτουργία του ιπποκάμπου κι ενδορρινικού φλοιού: χολινεργικός έλεγχος κι υψίσυχνες ταλαντώσεις μεσοκρισικών εκφορτίσεων in vitro

Abstract

We have earlier demonstrated that a single episode of early-life Status Epilepticus (SE) provokeslasting neurobiological effects persisting to adulthood and detectable in vitro and in vivo. In this work, we studied possible changes in adult IED frequency and concurrent HFOs (Rs, FRs) in hippocampal CA3 and medial entorhinal cortex networks (mEC), addressing their evolution and cholinergic control post-SE. In this setting, we have also aimed at detecting any correlation patterns between the IED frequency and HFOs, if any. Field potential recordings were made from the CA3 subfield of Temporal (T) and Septal (S) hippocampal slices or simultaneously from the pyramidal CA3 and mEC deep layers of hippocampalmEC (combined) slices. The slices were obtained either from Normal (N) or from animals subjected to a single PTZ-induced (60-90mg/Kg) generalized, sustained SE-like seizure (hereafter termed as “SE”) at PND 20. Spontaneous IEDs were induced in both areas (CA3, mEC) by bathing the slices (hippocampal, combined) either in Mg2+-free ACSF or in 4-Aminopyridine (4-AP, 50 μΜ). CA3 IED frequency of hippocampal slices was similar in same origin N slices across models, but differed in SE slices, being lower in Mg2+-free ACSF than in 4-AP, suggesting a long-term post-SE increase of a 4-AP sensitive K+ conductance(s). Bath application of cholinergics increased hippocampal-CA3 IED rates universally, but had region- and conditioning-specific effects on HFOs suggesting that IEDs and HFOs are different hypersynchronous phenomena generated within similar neuronal networks. Paired recordings from the pyramidal CA3 and mEC deep layers (V-VI) of combined (N or SE) slices, revealed that IED frequency was lower in mEC compared to CA3 in both models; isolation of the 2 areas did not alter this relationship. Also, CA3 IED frequency was similar in all slices (N, SE) however, mEC IED frequency was higher in SE vs N slices in both models. CA3 HFOs had 100 times higher power than those recorded from mEC. FR/R ratio was lower in CA3 vs mEC when they were functionally connected (Intact), a difference that disappeared when they were isolated. The FR/R ratio increased in CA3 in the absence of mEC; both in N and SE slices. Interestingly, the direction of the R and FR power changes post-SE was a mirror image between CA3 and mEC and also between N, SE slices, that is power increases in mEC corresponded to power decreases in CA3 post-SE. Immature SE has a profound impact on the communication modalities of CA3-mEC circuitry in the long term and results in region-specific effects across the septotemporal hippocampal axis. The post-SE changes in mEC network may enable this area to serve as an independent epileptogenic substrate post-SE, while the enhanced cholinergic facilitation of IED frequency in septal hippocampal extremity, suggests that at least to this area, the seizure threshold could be modified in a stimulus specific way. Overall, the sequalae of the early-life seizures depend on the affected area and on the stimuli that the adult brain faces.

Προηγούμενές μελέτες του εργαστηρίου, έχουν συσχετίσει ένα επεισόδιο επιληπτικής κατάστασης (SE) κατά την ανάπτυξη με μακροπρόθεσμες νευροβιολογικές τροποποιήσεις στην ενηλικίωση, ανιχνεύσιμες in vitro και in vivo. Σε αυτή την εργασία μελετήσαμε τις πιθανές αλλαγές στη συχνότητα των μεσοκρισικών εκφορτίσεων και των συνοδών υψίσυχνων ταλαντώσεων HFOs (Rs, FRs) στα δίκτυα ιπποκάμπου CA3 κι στο μέσοy ενδορρινικού φλοιού (mEC), εξετάζοντας την εξέλιξή τους και τον χολινεργικό τους έλεγχο μετά από SE. Σε αυτό το πλαίσιο, επιδιώξαμε επίσης να ανιχνεύσουμε τυχόν συσχετισμούς μεταξύ της συχνότητας των μεσοκρισικών εκφορτίσεων και των HFOs, στην περίπτωση που αυτές υπάρχουν. Οι εξωκυττάριες καταγραφές πραγματοποιήθηκαν από το υποπεδίο της CA3 διαφραγματικών (S) και κροταφικών (T) τομών ιππόκαμπου ή ταυτόχρονα από την πυραμιδική στοιβάδα της CA3 και τις βαθιές στοιβάδες του mEC βαθιά συνδυασμένων τομών ιπποκάμπου-mEC. Οι τομές προέρχονταν είτε από φυσιολογικά πειραματόζωα (Ν) είτε από πειραματόζωα που υποβλήθησαν σε μία γενικευμένη, παρατεταμένη SE-τύπου επιληπτική (60-90mg / Kg) κι επαγόμενη από ΡΤΖ (στο εξής "SE") κρίση κατά την 20η ημέρα μετά την γέννηση. Αυθόρμητες μεσοκρισικές εκφορτίσεις σε αμφότερες τις περιοχές (CA3, mEC) προκλήθηκαν με διαβροχή των τομών (ιπποκάμπου, συνδυασμένες) είτε με τΕΝΥ ελεύθερο-Mg2 + είτε σε τΕΝΥ με 4-Αμινοπυριδίνη (4-ΑΡ, 50 μΜ). Η συχνότητα CA3 IED των φετών του ιππόκαμπου ήταν παρόμοια με την ίδια προέλευση N φέτες σε όλα τα μοντέλα, αλλά διέφερε σε φέτες SE, χαμηλότερα σε ACSF χωρίς Mg2 + από ό, τι στο 4-ΑΡ, γεγονός που υποδηλώνει μακροπρόθεσμη αύξηση post-SE ενός ευαίσθητου 4-ΑΡ K + αγωγιμότητα (α). Η εφαρμογή της χολινεργικής από το λουτρό αύξησε τα ποσοστά IED των ιπποκαμπάλλων CA3 παγκοσμίως, αλλά είχε ειδικές επιδράσεις περιοχής και κλιματισμού σε HFO, υποδηλώνοντας ότι τα IEDs και HFOs είναι διαφορετικά υπερσυγχρονικά φαινόμενα που παράγονται μέσα σε παρόμοια νευρωνικά δίκτυα. Οι ζευγαρωμένες εγγραφές από τις πυραμίδες CA3 και mEC βαθιά στρώματα (V-VI) συνδυασμένων φετών (N ή SE) αποκάλυψαν ότι η συχνότητα IED ήταν χαμηλότερη σε mEC σε σύγκριση με CA3 και στα δύο μοντέλα. Η απομόνωση των δύο περιοχών δεν άλλαξε αυτή τη σχέση. Επίσης, η συχνότητα CA3 IED ήταν παρόμοια σε όλες τις φέτες (N, SE), ωστόσο, η συχνότητα mEC IED ήταν υψηλότερη σε φέτες SE vs N σε αμφότερα τα μοντέλα. Τα CA3 HFOs είχαν 100 φορές μεγαλύτερη ισχύ από αυτά που καταγράφηκαν από το mEC. Ο λόγος FR / R ήταν χαμηλότερος σε CA3 έναντι mEC όταν συνδέονταν λειτουργικά (Intact), μια διαφορά που εξαφανίστηκε όταν απομονώθηκαν. Ο λόγος FR / R αυξήθηκε σε CA3 απουσία mEC. Τόσο σε φέτες N και SE. Είναι ενδιαφέρον ότι η κατεύθυνση των μεταβολών ισχύος R και FR μετα-SE ήταν μια εικόνα καθρέφτη μεταξύ CA3 και mEC και επίσης μεταξύ N, SE φέτες, δηλαδή αυξήσεις ισχύος σε mEC αντιστοιχούσαν σε μειώσεις ισχύος σε CA3 μετά την SE. Η ανώριμη SE έχει βαθύ αντίκτυπο στην επικοινωνία του δικτύου CA3-mEC μακροπρόθεσμα και έχει ως αποτέλεσμα επιδράσεις ειδικά για την περιοχή σε ολόκληρο τον άξονα του septotemporal hippocampal. Οι μεταβολές στο δίκτυο του mEC μετά από SE, ενδέχεται να επιτρέψουν στην περιοχή αυτή να δρα ως ανεξάρτητο επιληπτογόνο υπόστρωμα μετά την SE, ενώ η ενισχυμένη χολινεργική διευκόλυνση στη συχνότητα των μεοσοκρισικών εκφορτίσεων στο διαφραγματικό άκρο του ιπποκάμπου, υποδηλώνει ότι τουλάχιστον σε αυτή την περιοχή, το κατώφλι για κρίσεις θα μπορούσε να τροποποιηθεί με ένα ειδικό ερέθισμα. Συνολικά, η συνέχιση των κρίσεων πρώιμης ζωής εξαρτάταιαπό την πληγείσα περιοχή και από τα ερεθίσματα που αντιμετωπίζει ο ενήλικας εγκέφαλος.