PROBING THE CELL-SPECIFIC CONTROL OF FOCAL CORTICAL SEIZURE EVENTS IN VIVO

探究体内局灶性皮质癫痫事件的细胞特异性控制

• 批准号: 10553167
• 负责人: Stelios Manolis Smirnakis
• 金额: --
• 依托单位: VA BOSTON HEALTH CARE SYSTEM
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2020-01-01 至 2023-12-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10553167
• 关键词: 4-Aminopyridine; Area; Brain; Cells; Chronic; Contralateral; Convulsants; Craniocerebral Trauma; Detection; Development; Diagnosis; Drug resistance; Electric Stimulation; Electroencephalography; Epilepsy; Etiology; Event; Evolution; Focal Seizure; Frequencies; Future; Human; Image; Individual; Injections; Injury; Interneurons; Interruption; Lateral; Lead; Lesion; Measures; Medical; Methods; Microscopy; Modeling; Morbidity - disease rate; Motor Cortex; Mus; Neocortex; Neurons; Operative Surgical Procedures; Outcome; Partial Epilepsies; Pathway interactions; Patients; Pattern; Penetrating Head Injuries; Pharmaceutical Preparations; Phase; Photons; Pilocarpine; Play; Population; Positioning Attribute; Post-Traumatic Epilepsy; Prevalence; Property; Recurrence; Refractory; Role; Seizures; Site; Stroke; Study models; Surface; Techniques; Temporal Lobe; Testing; Therapeutic; Time; Trauma; Traumatic Brain Injury; Veterans; Vietnam; Visual Cortex; Visual System; area V1; area V2; area striata; cell type; encephalography; epileptiform; excitatory neuron; experimental study; frontal lobe; gamma-Aminobutyric Acid; high risk; hippocampal pyramidal neuron; in vivo; in vivo monitoring; military veteran; mouse model; neocortical; nervous system disorder; neural circuit; optogenetics; patch clamp; pharmacologic; preservation; receptor; recruit; transmission process; two photon microscopy; two-photon; voltage

Epilepsy  is  a  common  severe  neurological  disorder  with  one-­year  prevalence  ~7/1,000,  whose  circuit  mechanisms  are  poorly  understood.  Its  prevalence  is  high  among  veterans.  Patients  with  post-­traumatic  brain  injury  carry  a  high  risk  of  epilepsy  for  decades  following  injury,  causing  considerable  morbidity.  At  15  years  following  injury  51%  of  the  subjects  in  the  Vietnam  Head  Injury  Study  carried  a  diagnosis  of  seizure.  Clearly  epilepsy  is  an  important  problem  for  the  VA  population.  Acquired  trauma  often  leads  to  focal  imbalance  between  excitation  and  inhibition,  which  drives  otherwise  normal  neural  circuits  into  self-­perpetuating  oscillatory  activity  states  manifesting  as  seizures  on  cortical  surface  EEG.  This  phenomenon  clearly  warrants  study  as  it  is  shared  by  multiple  neurological  disorders  presenting  with  focal  seizures,  including  chronic  focal  epilepsy,  which  is  the  most  common form  of post-­traumatic  epilepsy.  Specifically,  we need to understand  how  individual neurons get recruited into ictal events in vivo, what is the sequence of recruitment, how properties of  recruitment  change  with  time  leading  to  the  onset  and  offset  of  ictal  activity,  how  recruitment  depends  on  the  interaction between excitatory neurons with specific classes of inhibitory interneurons, and whether recruitment  proceeds more efficiently along certain circuit pathways more than others.   We  will  combine  large  scale  in  vivo  2-­photon  microscopy  techniques  with specific  optogenetic  modulation  of  selected  cell  types  and  individual  unit  patch-­clamp  recordings  to  study  the emergence  and  spread  of  focally  initiated  seizures  in  the  4-­aminopyridine  (4-­AP)  mouse  model  of  focal  ictogenesis.  We  propose  to  study  and  compare  visual  and  motor  cortex,  two  areas  with  different  potential  for  ictogenicity.  The  4-­AP  model  is  a  reliable,  well-­established,  model  of  focal  neocortical  seizures  inducing  electroencephalographic  (EEG)  events  similar  to  the  low-­voltage  fast-­onset  events  observed  in  human  patients  with  focal  post-­traumatic  epilepsy.  Compared to other chemo-­convulsants, GABA-­ergic transmission is relatively preserved, making 4-­AP an ideal  model  for  studying  how  normal  inhibitory  circuits  fail  to  contain  the  spread  of  abnormal  events  driven  by  an  excess of excitation as has been argued to occur in post-­traumatic epilepsy.   In  Aim  #1,  we  will  measure  the  profile  of  recruitment  of  individual  neurons  to  the  phases  of  progression  of  focal  neocortical  seizure  events  observed  by  EEG  after  4-­AP  injection,  and  will  determine  how  recruitment  depends  on  cell  type  and  position  along  the  cortical  circuit.  The  3  major  classes  of  GABA-­ergic  interneurons  (PV+,  SOM+,  VIP+)  will  be  monitored  in  vivo  and  their  recruitment  to  seizure  events  characterized  in  layers  2/3,  4,  and  5,  in  area  V1  (the  site  of  4-­AP  injection)  as  well  as  in  area  V2  and  the  contralateral  cortex.  We  expect  cortical  neurons  to  be  differentially  modulated  during  the  interictal,  pre-­ictal,  ictal-­proper  and  post-­ictal  phases.  Recruitment  profiles  of  different  neuronal  types  during  the  evolution  of  epileptiform  activity  from  interictal  to  ictal  will  be  informative  about  the  role  these  neurons  play  in  seizure  progression.  To  identify   universal themes of circuit malfunction we will compare 4-­AP to the pilocarpine model of focal ictogenesis.     In  Aim  #2,  we  will  use  optogenetic  methods  to  interrogate  the  causal  role  of  different  interneuronal  types  in  the  evolution  of  focal  epileptiform  activity  from  interictal  to  ictal  and  test  how  to  stop  the  seizures.  We  expect  that  different  interneuron  classes  make  distinct  contributions  to  the  entrainment  of  local  cortical  circuits  by  ictogenic  activity.  This  will  likely  depend  on  cortical  layer.  Interneurons  that  engage  differentially  during  the  various phases of seizure progression will be prime targets for controlling ictal activity.   Understanding  how  individual  neurons  get  recruited  into  seizure  events  in  focal  epilepsy  and  how  they  influence ictogenesis will form the basis for the future development of new, circuit-­based, therapeutic strategies  targeting  specific  cell  classes.  This  represents  a  shift  of  paradigm  complementary  to  current  pharmacologic  approaches.

癫痫是一种常见的严重神经系统疾病，一年患病率约为 7/1,000，其回路 其机制尚不清楚，其在退伍军人中的患病率很高。 受伤后数十年内患癫痫的风险很高，15 岁时发病率相当高。 越南头部受伤研究中，受伤后 51% 的受试者明确诊断为癫痫发作。 癫痫是 VA 人群的一个重要问题，后天性创伤常常导致局部失衡。 在兴奋和抑制之间，这会驱动其他正常的神经回路自我延续 振荡活动状态表现为皮质表面脑电图的癫痫发作，这种现象显然是有道理的。 研究发现，多种神经系统疾病均表现为局灶性癫痫发作，包括慢性局灶性癫痫 癫痫是最常见的创伤后癫痫形式，具体而言，我们需要了解如何发生。 单个神经元在体内的发作事件中被招募，招募的顺序是什么，其特性如何 招募随时间变化导致发作活动的发生和抵消，招募如何取决于 兴奋性神经元与特定类别的抑制性中间神经元之间的相互作用，以及是否招募 沿着某些电路路径比其他路径更有效地进行。 我们将大规模体内 2 光子显微镜技术与特定的光遗传学调制相结合 选择的细胞类型和单个单元膜片钳记录来研究局灶性病变的出现和扩散 我们建议在 4-氨基吡啶 (4-AP) 小鼠局灶性癫痫发作模型中引发癫痫发作。 比较视觉皮层和运动皮层，这两个区域具有不同的致敏性潜力。4-AP 模型是一个。 可靠、完善的局灶性新皮质癫痫发作诱发脑电图 (EEG) 事件的模型 类似于在患有局灶性创伤后癫痫的人类患者中观察到的低电压快速发作事件。 与其他化学惊厥剂相比，GABA 能传递相对保留，使 4-AP 成为理想的选择 用于研究正常抑制电路如何无法遏制由异常事件驱动的传播的模型 过度兴奋被认为发生在创伤后癫痫中。 在目标#1中，我们将测量个体神经元在进展阶段的募集情况。 注射 4-AP 后通过脑电图观察局灶性新皮质癫痫事件，并将确定如何募集 取决于细胞类型和沿皮质回路的位置 GABA 能中间神经元的 3 个主要类别。 （PV+、SOM+、VIP+）将在体内进行监测，并将其募集到以层为特征的癫痫事件中 2/3、4 和 5，位于 V1 区（4-AP 注射部位）以及 V2 区和对侧皮质 We。 预计皮质神经元在发作间期、发作前、发作正常和发作后受到差异性调节 癫痫样活动演化过程中不同神经类型的招募概况。 发作间期到发作期将提供有关这些神经元在癫痫发作进展中所起的作用的信息。 关于电路故障的普遍主题，我们将 4-AP 与局灶性发作的毛果芸香碱模型进行比较。 在目标#2中，我们将使用光遗传学方法来探究不同中间神经元类型在 我们期望了解局灶性癫痫样活动从发作间期到发作期的演变，并测试如何阻止癫痫发作。 不同的中间神经元类别通过以下方式对局部皮质回路的夹带做出不同的贡献 这可能取决于皮质层的不同参与。 癫痫发作进展的各个阶段将是控制发作活动的主要目标。 了解单个神经元如何被招募参与局灶性癫痫的癫痫发作事件以及它们如何 影响炎症发生将为未来开发新的、基于回路的治疗策略奠定基础 针对特定细胞类别，这代表了与当前药理学互补的范式转变。 接近。