CMA: Network plasticity in acquired epileptogenesis

CMA：获得性癫痫发生中的网络可塑性

• 批准号: 10553141
• 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: 2021
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2021-01-01 至 2024-12-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10553141
• 关键词: Adult; Area; Calcium; Cells; Chronic; Clinical; Cognitive; Cognitive deficits; Communication; Complex; Computer Models; Development; Dimensions; Disease; Drug resistance; Electrophysiology (science); Epilepsy; Epileptogenesis; Event; Excision; Functional disorder; GABA Receptor; Goals; High Frequency Oscillation; Hippocampus; Image; Imaging Techniques; Impaired cognition; In Vitro; Interneurons; Interruption; Intervention; Light; Maps; Measures; Mediating; Memory; Methods; Modeling; Monitor; Morbidity - disease rate; Neocortex; Neurons; Operative Surgical Procedures; Opsin; Parvalbumins; Pathologic; Patients; Pattern; Pharmaceutical Preparations; Photic Stimulation; Photons; Pilocarpine; Play; Post-Traumatic Epilepsy; Reporting; Research Design; Resistance; Resolution; Role; Seizures; Slice; Synapses; Techniques; Temporal Lobe Epilepsy; Time; cell type; comorbidity; disability; immunocytochemistry; in vivo; military veteran; neocortical; neuropsychiatry; optogenetics; patch clamp; prevent; receptor expression; recruit; side effect; two photon microscopy; two-photon

Project Summary/ Abstract: Temporal Lobe Epilepsy (TLE) is the most frequent type of post-­traumatic  epilepsy, causing significant morbidity in the veteran population. Approximately 60% of adult epilepsy cases  are due to TLE, which is often medication-­resistant requiring surgery. Even after surgery, ~30% of patients  continue to have ictal events. TLE causes cognitive deficits, including significant executive, memory, and  neuropsychiatric dysfunction. After initiation by a precipitating event, a seizure-­free “epileptogenic” period  typically follows before TLE sets in. The network mechanisms that lead to the development of epilepsy during  this “epileptogenic” period are poorly understood. A deep and precise understanding of these mechanisms is  critical for developing new, more effective, methods of intervention to treat temporal epilepsy without the side-­ effects of medications and the potential disability of large surgical resections.   TLE seizures are thought to be initiated at a restricted temporal focus and then entrain cortical networks. Recent  evidence suggests that a large network of areas, including neocortex, play an active role in TLE. Sheybani et al.  [7] reports that a self-­sustained epileptic network developed during epileptogenesis, becoming gradually able to  generate  pathological  electrical  activity  independent  of  the  initial  hippocampal  focus.  Together  with  other  experimental and clinical observations, this strongly suggests that extra-­hippocampal cortical areas are involved  in epileptogenesis. However, how cortical circuits get modified during epileptogenesis remains unknown.  We  combine  chronic,  in-­vivo,  large-­field  (Mesoscopic)  two-­photon  microscopy  with  optogenetic  modulation  of  specific  cortical  interneuron  classes  to  study  at  single-­cell  resolution:  i)  how  aberrant  activity  emerges  in  neocortical  circuits  over  the  course  of  epileptogenesis  in  the  pilocarpine  model  of  TLE,  and  ii)  whether  it  is  possible  to  interrupt  the  hippocampo-­cortical  cycle  of  epileptic  activity  by  modulating  optogenetically  specific  types  of  cortical  interneurons. We  hypothesize  that  hypersynchronous  firing  of parvalbumin  positive (PV+) and  progressively decreased engagement of SST+ interneurons emerges in cortical circuits during the epileptogenic  period.  Pathological  circuit  dynamics  will  be  particularly  observed  during  the  200-­400  Hz  high  frequency  oscillations (HFOs) shown to be a marker for circuit hyper-­excitability.  In aim 1, we measure how the profile of recruitment of different types of cortical neurons during high frequency  oscillations  (HFOs)  changes  as  a  function  of  time  during  epileptogenesis  in  the  pilocarpine  model  of  TLE.  We  expect that over time cortical excitability will increase and autonomous hyper-­synchronous activity patterns that  may be hippocampally independent will emerge.  In aim 2, we will use single-­photon optogenetics with stabilized  step-­function  opsins  as  well  as  spatial-­light-­modulated  (SLM),  2-­photon,  single-­cell-­specific  optogenetics  to  causally  interrogate  cortical  circuit  excitability  during  epileptogenesis.  Information  obtained  will  be  critical  for  identifying cell specific targets for interventions to prevent epileptogenesis and its cognitive sequelae in TLE.  Overall  Strategy:  The  overall  goal  of  our  collaborative  merit  proposal  is  to  determine  the  key  changes  in  hippocampal and neocortical circuitry that promotes the development of epilepsy and cognitive dysfunction after  the  initial  insult.  Aims  of  Other  Proposals:  1.  Wasterlain  will  use  immunocytochemical  techniques,  including  EM immunocytochemistry, to quantify changes in the GABA receptor expression at the synapse and in the peri-­ synaptic  space.  2.  Naylor  will  use  in-­vitro  slice  patch  clamp  recordings,  optogenetics,  and  computational  modeling  to  understand  how  the  functional  connectivity  of  different  interneuron  types  changes  during  this  key  period. 3. Golshani will use a combination of electrophysiological and imaging techniques to understand how the  activity patterns of defined interneuron types studied by Naylor change in vivo during the epileptogenesis in the  hippocampus. All studies are independent, yet deeply inform each other, as a multi-­dimensional understanding  will be key for making progress in this highly complex and disabling disorder.

颞叶癫痫（TLE）是脑外伤后最常见的癫痫类型， 癫痫，导致退伍军人群体发病率很高。大约60%的成人癫痫病例 是由于颞叶癫痫，这往往是耐药性，需要手术。即使手术后，约30%的患者， TLE导致认知缺陷，包括显著的执行、记忆和 神经精神功能障碍。由突发事件引发后， 通常在TLE发病前发生。 这一“致癫痫”时期的认识很少。对这些机制的深入和精确的理解是 这对于开发新的、更有效的干预方法来治疗颞叶癫痫而不产生副作用至关重要 药物的影响和大手术切除的潜在残疾。 TLE癫痫发作被认为是在有限的时间焦点开始，然后夹带皮层网络。 有证据表明，包括新皮层在内的大的区域网络在TLE中起着积极的作用。 [7]报告说，在癫痫发生过程中形成了一个自我维持的癫痫网络， 产生病理性电活动，而不依赖于最初的海马病灶。 通过实验和临床观察，这有力地表明海马外皮质区参与了 然而，皮层回路在癫痫发生过程中是如何被改变的仍然是未知的。 我们将联合收割机慢性、活体、大视场（介观）双光子显微镜与光遗传学调节相结合， 在单细胞分辨率下研究特定的皮质中间神经元类别：i）异常活动如何出现在 在TLE的毛果芸香碱模型中癫痫发生过程中的新皮层回路，以及ii）它是否 可能通过调节光遗传学特异性， 我们假设小白蛋白阳性（PV+）和 在癫痫发生过程中，皮层回路中出现SST+中间神经元的参与进行性减少。 在200- 400 Hz高频期间将特别观察到病理性电路动态 振荡（HFO）被证明是回路高兴奋性的标志。 在目的1中，我们测量了不同类型的皮层神经元在高频率时的募集概况， 在TLE的毛果芸香碱模型中，在癫痫发生过程中，HFO作为时间的函数而变化。 预计随着时间的推移，皮层兴奋性将增加，自主的超同步活动模式， 在目标2中，我们将使用单光子光遗传学， 阶跃功能视蛋白以及空间光调制（SLM）、2-光子、单细胞单光子特异性光遗传学， 因果询问皮层回路兴奋性在癫痫发生。获得的信息将是至关重要的， 识别细胞特异性干预靶点，以预防TLE的癫痫发生及其认知后遗症。 总体战略：我们的协作绩效提案的总体目标是确定以下方面的关键变化： 海马和新皮层回路，促进癫痫和认知功能障碍的发展， 其他建议的目的：1. Wasterlain将使用免疫细胞化学技术，包括 EM免疫细胞化学，以量化突触和突触后神经元中GABA受体表达的变化。 Naylor将使用体外切片膜片钳记录、光遗传学和计算机辅助神经网络技术， 通过建模来了解不同类型的中间神经元的功能连接在这个关键过程中是如何变化的。 3. Golshani将使用电生理和成像技术相结合的方法来了解 在癫痫发生过程中，Naylor研究的定义的中间神经元类型的活动模式在体内发生了变化， 所有的研究都是独立的，但作为一个多维的理解， 将是在这种高度复杂和致残的疾病中取得进展的关键。