Directional Connectivity in Hippocampal Subnetworks during Seizure-like Events and after Neuromodulation

Abstract

A better understanding of this hippocampal network using effective connectivity analysis during ictogenesis is crucial for developing diagnostic and therapeutic strategies in patients with mesial temporal lobe epilepsy (TLE). In this study, we investigated the causal relationship of spatiotemporal mechanism using microelectrode array (MEA) to record neural signals from the entorhinal-combined hippocampal slices. Also, we analyzed the effects of high frequency stimulation (HFS) to abort hippocampal seizures and to understand how HFS alters spatio-temporal dynamics of seizures in hippocampal subnetworks. Materials and Methods To analyze the spatiotemporal dynamic changes of epileptic seizures, we recorded postsynaptic field potentials using 6x10 channels of a planar MEA in the entorhinal-hippocampal slices including CA1, CA3, dentate gyrus, subiculum, medial entorhinal cortex and lateral EC from 14-21 day-olds male Sprague-Dawley rats’ brain slices. Seizure-like events (SLEs) were induced using 4-aminopyridine (4-AP) administered into artificial CSF. For suppression of SLEs, we applied 130 Hz HFS manually on the layer Ⅲ of MEC through an external electrode-connected stimulator. To identify the location and time of seizure onset, visually reviewed results compared with calculated results using the integrated net causal outflows (iOF) based on Granger Causality (GC) analysis. The causal connectivity was analyzed by GC between all the electrode pairs, to investigate the strength and directional changes of in 8 different frequency ranges; delta (1–4Hz), theta (4–8Hz), alpha (8–13Hz), beta (13–25Hz), gamma (25–55Hz), ripple (65–200Hz), fast ripple (250–500Hz) and total (1–500Hz). Results The onset time of SLEs were observed 5.63 ± 3.51 sec earlier based on the calculated iOF values, compared with the visual analysis. Patterns of GC rapidly increased even before the visually identified ictal onset time in the onset region. The directional change was increased in the seizure-initiating electrodes, which was propagated into the other channels along with the epileptic hippocampal subnetworks. When applied HFS on the layer Ⅲ of MEC, the duration of SLEs was significantly shortened in the stimulation group compared to the non-stimulation group. Distinctive changes of effective connectivity were analyzed in SLEs with or without HFS, especially in each hippocampal subnetwork. Conclusions This kind of analysis in hippocampal subnetwork dynamics during seizures could provide more efficient therapeutic strategies to suppress seizures as well as in-depth understandings of the spatiotemporal mechanism involving ictogenesis. ;해마(Hippocampus)는 측두엽 뇌전증(Temporal Lobe Epilepsy, TLE) 환자에서 발작파의 시작 및 전파에 관여하는 매우 중요한 역할을 하며, 만성 측두엽 뇌전증 환자들에서 나타나는 해마경화증(hippocampal sclerosis)은 기억 장애(hippocampal-related memory impairment)와 연관된다는 보고가 있음. 신경신호의 서브네트워크 분석 방법을 통한 뇌전증 서브네트워크에 대한 이해는 이러한 발작뇌파의 발생과 전파를 이해하기 위한 중요한 단계임. 본 연구에서는 마이크로 일렉트로드 어레이(Microelectrode Array, MEA)를 이용하여 실험쥐의 해마절편(entorhinal-hippocampal slice)에서 기록한 뇌전증 경련뇌파 신경신호의 spatio-temporal dynamics를 분석하고, 고주파 자극(high frequency stimulation, HFS) 전과 후의 해마내 서브네트워크 분석 및 경련뇌파 억제(seizure suppression)의 효과를 연구함. 실험 재료 및 방법 14-21일령의 Sprague-Dawley (SD) 렛트 뇌에서 cornu ammonis (CA)1, CA3, dentate gyrus (DG), medial entorhinal cortex (MEC), lateral entorhinal cortex (LEC)와 subiculum (SUB)이 결합된 hippocampal horizontal slice를 약 400-500μm 두께로 준비하고 Potassium channel blocker로 잘 알려진 4-Aminopyridine (4-AP)를 녹인 Artificial Cerebrospinal Fluid (ACSF)에 해마 절편을 담가 경련뇌파 (seizure-like events, SLEs)를 유발함. 60개의 채널로 구성된 MEA에 해마 절편을 위치시키고 4-AP 약물에 의해 유도된 해마 절편의 경련뇌파 신경신호를 기록하며, 외부에서 삽입된 자극기(stimulator)를 통해 경련뇌파가 발생될 때 MEC, MEC+CA3, CA3 region에 각각 고주파 자극을 준 후 신경신호를 기록하고 Granger Causality (GC)의 분석방법을 이용하여 delta (1-4Hz), theta (4-8Hz), alpha (8-13Hz), beta (13-25Hz), gamma (25-55Hz), ripple (65-200Hz), fast ripple (250-500Hz), total (1-500Hz) 주파수 별로 해마 내 경련 뇌파의 시작 시간 및 시작 부위, 그리고 국소 부위 간 연결성 및 인과관계를 분석함. 결과 4-AP에 의해 유도된 SLEs의 시작 부위는 주로 EC (65%) 와 CA3 (35%)에서 관찰되었으며, iOF에 의해 계산된 SLEs의 시작 시간은 눈으로 리뷰한 결과와 비교했을 때 5.63 ± 3.51초 더 빨랐음. SLEs 시작 부위와 상관없이 MEC를 자극했을 때 SLEs 길이는 유의미하게 줄어들었음. 방향 연결성 변화는 SLEs 시작 전극에서 증가했으며, 이는 발작 해마 서브 네트워크를 따라 다른 전극으로 전파되는 것을 확인했으며, 고주파 자극을 준 군과 주지 않은 군에서 유효 연결성 변화 분석을 통해 해마 서브네트워크의 변화를 관찰함. 결론 뇌전증 동물모델에서 SLEs 동안 해마 서브네트워크 시공간적 역학분석 연구를 시행하였으며, 이러한 분석법은 앞으로 뇌전증 환자에서 발작파의 형성을 억제하는 근본적인 치료 메커니즘에 대한 심층적인 이해를 바탕으로 보다 효과적인 신경조절치료법을 개발하는데 도움이 될 수 있을 것으로 기대됨.