CMA: Network plasticity in acquired epileptogenesis

NIH RePORTER · VA · I01 · · view on reporter.nih.gov ↗

Abstract

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 u...

Key facts

NIH application ID
10768574
Project number
5I01BX005221-04
Recipient
VA BOSTON HEALTH CARE SYSTEM
Principal Investigator
Stelios Manolis Smirnakis
Activity code
I01
Funding institute
VA
Fiscal year
2024
Award amount
Award type
5
Project period
2021-01-01 → 2024-12-31