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

Va Boston Health Care System, Boston MA

Investigators

Abstract

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.