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: 10438529
• 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/10438529
• 关键词: 4-Aminopyridine; Area; Brain; Cells; Chronic; Contralateral; Convulsants; Craniocerebral Trauma; Detection; Development; Diagnosis; Drug resistance; Electric Stimulation; 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; Neurons; Operative Surgical Procedures; Outcome; Partial Epilepsies; Pathway interactions; Patients; Pattern; Penetrating Head Injuries; Pharmaceutical Preparations; Pharmacology; Phase; Photons; Pilocarpine; Play; Population; Positioning Attribute; Post-Traumatic Epilepsy; Prevalence; Property; Refractory; Role; Seizures; Site; Stroke; Study models; Surface; Techniques; Temporal Lobe; Testing; Therapeutic; Time; Trauma; Traumatic Brain Injury; Veterans; Vietnam; Visual Cortex; Visual system structure; area V1; area V2; area striata; base; cell type; excitatory neuron; experimental study; frontal lobe; high risk; hippocampal pyramidal neuron; in vivo; in vivo monitoring; military veteran; mouse model; neocortical; nervous system disorder; neural circuit; optogenetics; patch clamp; 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〜7/1,000，其电路 机制知之甚少。在退伍军人中，其流行率很高。创伤后大脑的患者 受伤后数十年的损伤具有很高的癫痫风险，导致考虑发病率。 15年 在受伤后51％的受试者中，越南头部损伤研究进行了癫痫发作的诊断。清楚地 癫痫是VA人群的重要问题。获得的创伤通常导致局灶性失衡 在兴奋和抑制之间，这将原本正常的神经回路驱动到自我永久性 振荡活性状态在皮质表面脑电图上表现为癫痫发作。这种现象清晰的认股权证 研究的研究是由多种神经系统疾病呈现的，伴有局灶性癫痫发作，包括慢性局灶 癫痫病，这是创伤后癫痫的最常见形式。具体来说，我们需要了解如何 单个神经元被招募到体内的ICTAL事件中，招募的顺序是什么， 随着时间的推移招募变化，导致发作和抵消Ictal活动，招聘如何取决于 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，以及招募是否招募 沿着某些电路途径的进行比其他电路途径更有效。 我们将在体内2光子显微镜技术中结合大规模的大小与特定的光遗传学调制 选定的单元类型和单个单位贴片钳记录，以研究局部的出现和扩散 在局灶性发作发生的4-氨基吡啶（4-AP）小鼠模型中癫痫发作。我们建议学习和 比较视觉和运动皮层，这两个区域具有不同的发作性。 4-AP模型是 可靠，建立良好的局灶性新皮层癫痫发作模型，引起脑电图（EEG）事件 类似于人类创伤后癫痫患者中观察到的低压快速发作事件。 与其他化学杂志的人相比，GABA-ergic传播相对保留，使4-AP成为一个想法 用于研究正常抑制循环如何无法包含由一个异常事件的传播的模型 过量的兴奋，正如事后癫痫后发生的那样。 在AIM＃1中，我们将衡量招募单个神经元的概况 4-AP注射后脑电图观察到的局灶性新皮质癫痫发作事件，并将确定募集方式 取决于沿皮质回路的细胞类型和位置。 GABA-ergic INTERRONS的三个主要类别 （PV+，SOM+，VIP+）将在体内进行监测，并将其招募到以层为特征的癫痫发作事件 V1区域（4-AP注射部位）以及区域V2和对侧皮层中的2/3、4和5。我们 期望皮质神经元在发作，剧前，发作性和后造影术中会有所不同 阶段。在从癫痫表现活性演变中的不同神经元类型的募集谱 ICTAL的间歇性将使这些神经元在癫痫发作进展中的作用具有丰富的信息。识别  电路故障的通用主题，我们将将4-AP与斑car虫模型进行比较。 在AIM＃2中，我们将使用光遗传学方法来询问不同的神经间类型的因果作用 局灶性癫痫活性从发作到诊断的演变，并测试如何阻止癫痫发作。我们期望 不同的中间神经元的课程为局部皮质回路做出了不同的贡献 裂缝活性。这可能取决于皮层。中间神经元在 癫痫发作进展的各个阶段将是控制发作活性的主要目标。 了解如何将单个神经元招募到焦点癫痫中的癫痫发作事件以及它们如何 影响截瘫将构成新的，基于电路的，治疗策略的未来发展的低音 针对特定的单元格。这代表了范式的完整性转变为当前的药理 方法。