Intermittent spike-wave dynamics in a heterogeneous, spatially extended neural mass model

Generalised epileptic seizures are frequently accompanied by sudden, reversible transitions from low amplitude, irregular background activity to high amplitude, regular spike-wave discharges (SWD) in the EEG. The underlying mechanisms responsible for SWD generation and for the apparently spontaneous transitions to SWD and back again are still not fully understood. Specifically, the role of spatial cortico-cortical interactions in ictogenesis is not well studied. We present a macroscopic, neural mass model of a cortical column which includes two distinct time scales of inhibition. This model can produce both an oscillatory background and a pathological SWD rhythm. We demonstrate that coupling two of these cortical columns can lead to a bistability between out-of-phase, low amplitude background dynamics and in-phase, high amplitude SWD activity. Stimuli can cause state-dependent transitions from background into SWD. In an extended local area of cortex, spatial heterogeneities in a model parameter can lead to spontaneous reversible transitions from a desynchronised background to synchronous SWD due to intermittency. The deterministic model is therefore capable of producing absence seizure-like events without any time dependent adjustment of model parameters. The emergence of such mechanisms due to spatial coupling demonstrates the importance of spatial interactions in modelling ictal dynamics, and in the study of ictogenesis.

Cortical local and long-range synchronization interplay in human absence seizure initiation

Brain activity relies on transient, fluctuating interactions between segregated neuronal populations. Synchronization within a single and between distributed neuronal clusters reflects the dynamics of these cooperative patterns. Thus absence epilepsy can be used as a model for integrated, large-scale investigation of the emergence of pathological collective dynamics in the brain. Indeed, spike-wave discharges (SWD) of an absence seizure are thought to reflect abnormal cortical hypersynchronization. In this paper, we address two questions: how and where do SWD arise in the human brain? Therefore, we explored the spatio-temporal dynamics of interactions within and between widely distributed cortical sites using magneto-encephalographic recordings of spontaneous absence seizures. We then extracted, from their time-frequency analysis, local synchronization of cortical sources and long-range synchronization linking distant sites. Our analyses revealed a reproducible sequence of 1) long-range desynchronization, 2) increased local synchronization and 3) increased long-range synchronization. Although both local and long-range synchronization displayed different spatio-temporal profiles, their cortical projection within an initiation time window overlap and reveal a multifocal fronto-central network. These observations contradict the classical view of sudden generalized synchronous activities in absence epilepsy. Furthermore, they suggest that brain states transition may rely on multi-scale processes involving both local and distant interactions.

Mechano-Biologie von bovinen Bandscheiben belastet unter Kompression und Torsion

Einleitung: Bandscheiben wirken als Schockabsorbierer in der Wirbelsäule und auf diese wirken meistens komplexe Kräfte, zusammengesetzt aus Kompression, Torsion und Flexion. Die biomechanishe Umgebung einer Bandscheibe ist denn auch geprägt von komplexen Belastungen. Die Forschung über die in vitro Bandscheibenbiologie hat sich bisher um die axiale Kompression konzentriert, wobei die Bedeutung von Torsion und insbesondere dem Zusammenspiel von Kompression und Torsion (="Twisting") praktisch noch nie untersucht wurde an lebenden Organkultur-Explantaten. Wir präsentieren neue mechanobiologische Daten über die Überlebenswahrscheinlichkeit von Bandscheibenzellen kultiviert in einem neuartigen, kompakten Design eines bi-axialen Bioreaktors, um die Bedeutung von Kompression und Torsion zu verstehen. Material/Methode: Bovine Schwanzbandscheiben mit den Endplatten wurden isoliert wie bereits beschrieben [2] und mechanische Belastung wurde angewendet mit einem 2 DoF Bioreaktor für 14 Tage [3]. Die Bandscheiben wurden in verschiedene Belastungsgruppen eingeteilt: 1) Keine Belastung (NL), 2) zyklische Kompression (CC) [8h: axiale Kompression mit 0.6 ± 0.2 MPa, 0.2 Hz], 3) zyklische Torsion (CT) [8h: ± 2° torsion, 0.2 Hz, 0.2 MPa compression], 4) zyklische Kompression und Torsion (CCT) [8h: 0.6 ± 0.2 MPa, 0.2 Hz & ± 2° torsion, 0.2 Hz]. Das Bandscheibengewebe wurde mit LIVE/DEAD gefärbt und miteinem konfokalen Mikroskop visualisiert um die Überlebensrate zu bestimmen. Zell Apoptosis wurde quantifiziert mit einem Caspase 3/7 Kit normalisiert zum totalen Proteingehalt (Bradford). Relative Gen-Expression von wichtigen Genen für die Bandscheibe wurde bestimmt von anabolischen, katabolischen und inflammatorischen Genen mittels real-time RT-PCR. Die Morphologie der Bandscheibenzellen wurde mittels Histologie bestimmt. Ergebnisse: Die Resultate zeigten einen starken Abfall der Zellüberlebenswahrscheinlichkeit im Zentrum der Bandscheiben, dem Nulceus Pulposus (NP), i.e. 10%, in der Gruppe mit CCT. Hingegen die Überlebenswahrscheinlichkeit im Annulus fibrosus (AF) war stabilisiert bei über 60% im NP und im AF in allen anderen Gruppen (Fig 1). Apoptotische Aktivität war statistisch signifikant erhöht in der CC-Gruppe, aber nicht in der CCT-Gruppe, was die Vermutung nahe legt, dass der erhöhte Zellverlust im NP nicht mit Apoptose sondern mit Nekrose erklärt werden kann. Die Gen Expression der anabolischen Gene COL1, COL2 und Biglycan war signifikant erhöht im AF in der CCT Gruppe, ebenfalls waren Remodeling-Gene angeschaltet wie ADAMTS4 und MMP-13 in der CCT Gruppe (Fig. 2). Der Glykosaminoglykan (GAG) Gehalt war generell im AF erhöht in den Gruppen unter mechanischer Belastung, jedoch nicht statistisch signifikant. Schlussfolgerung: Zyklische Torsion kombiniert mit zyklischer Kompression waren in dieser Studie erfolgreich und nach unserem besten Wissen zum ersten Mal an Bandscheibenexplantaten in einer 14- tägigen Organkultur angewendet worden in einem dafür speziell konzipierten Bioreaktor. Die Resultezeigten überraschend einen negativen Effekt bei physiologischen Parametern, was die Belastung (0.6MPa ± 0.2MPa) und die Torsion (± 2°) angeht. Dieser negative Effekt des "Twistings" auf die Überlebenswahrscheinlichkeit der Zellen war jedoch nur regional im NP von Bedeutung, wohingegen im AF keine Effekte zu detektieren waren.

Validität und Reliabilität bei der visuellen okklusalen Kariesdiagnostik mit ICDAS unter der Verwendung von unterschiedlichen dentalen Vergrösserungshilfen

Zielsetzung: Diese Studie untersuchte die Validität und Reliabilität von verschiedenen visuellen dentalen Vergrösserungshilfen in Bezug auf die okklusale Kariesdiagnostik mit Hilfe des International Caries Detection and Assessment System (ICDAS). Material und Methode: Die Okklusalflächen von 100 extrahierten Zähnen wurde an einer zuvor bestimmten Stelle von 10 Studenten (5 Studenten des 3. Jahreskurses (Bachelor-Studenten) und 5 Studenten des 4. Jahreskurses (Master-Studenten) der Zahnmedizinischen Kliniken der Universität Bern) und 4 Zahnärzten visuell untersucht und nach ICDAS auf das Vorhandensein und die Tiefe einer kariösen Läsion beurteilt. Die Beurteilung der Zähne erfolgte je zwei Mal von blossem Auge, mit einem Galilei-Lupensystem (2.5x Vergrösserung), mit einem Kepler-Lupensystem (4.5x Vergrösserung) und mit dem Operationsmikroskop (10x Vergrösserung) mit mindestens 24 Stunden Abstand zwischen den jeweiligen Untersuchungen. Als Goldstandard diente die Histologie. Die statistische Auswertung der Untersuchungen erfolgte mit der Berechnung der Kappa-Koeffizienten für die Intra- und Inter-Untersucher Reliabilität sowie einer Bayes-Analyse durch Ermittlung von Sensitivität, Spezifität und der Fläche unter der Receiver Operating Characteristic Kurve (AUC). Ergebnisse: Bei den Untersuchungsdurchläufen, welche mit dentalen Vergrösserungshilfen für die Diagnostik der okklusalen Zahnoberflächen durchgeführt wurden, sank die Anzahl der mit einem ICDAS-Code 0 (gesunde Zahnoberfläche) beurteilten Zähne, während die Quantität des Codes 3 (Schmelzeinbruch) mit höheren Vergrösserungen drastisch zunahm. Mit steigendem Vergrösserungsfaktor liessen sich sowohl mehr Schmelzkaries als auch Dentinkaries richtig erkennen (bessere Sensitivität), im Gegenzug sanken aber die Werte der Spezifität auf ein klinisch unakzeptables Niveau. Während der Abfall der Spezifität und AUC-Werte bei der Beurteilung von Schmelzkaries unter Verwendung von kleinen Vergrösserungen lediglich einen Trend darstellte, waren die Verschlechterungen in der Diagnostik bei der Dentinkaries unter der Zuhilfenahme von höheren Vergrösserungen häufig signifikant. So stiegen zum Beispiel bei den Zahnärzten die Werte der Sensitivität (Bandbreite) auf dem D3-Diagnostikniveau von 0.47 (0.17-0.79) bei dem Durchlauf von Auge auf 0.91 (0.83-1.00) bei der Benutzung des Operationsmikroskopes an, während jedoch die Spezifitätswerte (Bandbreite) von 0.78 (0.58-0.95) auf 0.30 (0.07-0.55) sanken. Ebenfalls einen negativen Einfluss von optischen Hilfsmitteln zeigte sich bei der Inter-Untersucher Reliabilität, während die Intra-Untersucher Reliabilität unbeeinflusst blieb. Die persönliche klinische Erfahrung scheint sowohl in Bezug auf das Mass der Übereinstimmung visueller Kariesdiagnostik als auch auf die Präferenz bei der Vergabe der ICDAS-Codes und somit auf die Werte der Validität einen wesentlichen Faktor auszumachen. Die Studenten erreichten die besten Werte der Sensitivität, indes die Zahnärzte dies bei der Spezifität erzielten. Schlussfolgerung: Insgesamt zeigte sich, dass ICDAS nicht für den zusätzlichen Gebrauch von optischen Vergrösserungen konzipiert wurde. Da es auf Grund von der Zuhilfenahme von dentalen Vergrösserungen zu mehr und unnötigen invasiven Behandlungsentscheidungen kommen könnte, ist von der Zuhilfenahme derselben für die okklusale Kariesdiagnostik mit ICDAS abzuraten.

Sicherheit und Zuverlässigkeit der Nebenschilddrüsenchirurgie bei Patienten mit Hyperparathyreoidismus und intraoperativ gemessenem intakten Parathormon

In der vorliegenden Arbeit wurde die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Nebenschilddrüsenchirurgie beim Hyperparathyreoidismus mit intraoperativer Bestimmung des intakten Parathormons (Parathormonschnelltest) untersucht. Im Zeitrahmen zwischen 1/2004 und 12/2008 wurden an der universitären Klinik für viszerale Chirurgie und Medizin bei 194 operierten Patienten 150 Adenome, 39 Hyperplasien, sowie 5 Doppeladenome der Nebenschilddrüsen gefunden. Das intakte Parathormons (iPTH) im Serum wurde zu Beginn der Operation, nach Präparation der vergrösserten Nebenschilddrüse bei noch erhaltenem Gefässstiel, sowie 5, 10 und 15 Minuten nach der Parathyreoidektomie gemessen. Für den Erfolg der Operation wurde ein Abfall des iPTH um mehr als 50% vom Ausgangswert innerhalb der ersten 5 Minuten, sowie um mehr als 60% innerhalb der ersten 10 Minuten festgelegt. Bei solitären Adenomen der Nebenschilddrüse kam es bereits 5 Minuten nach der Parathyreoidektomie zu einem durchschnittlichen Abfall des iPTH um 61±19% vom Ausgangswert und nach 10 Minuten um 73±17%. Bei einer Hyperplasie der Nebenschilddrüse blieb dieser schnell eintretende steile Abfall des iPHT aus, der Rückgang des iPHT-Spiegels war zögerlich und erreichte erst nach subtotaler Parathyreoidektomie Normalwerte. In dem vorliegenden Patientengut wurden drei falsch-negative sowie ein falsch-positiver Befund beobachtet. Prognostisch ergibt sich für ein solitäres Adenom unserem Patientengut eine Sensitivität von 96% und eine Spezifität von 91% für den 10 Minuten-Wert. Der prädiktive Wert des positiven Tests beträgt 97%. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass mit Hilfe der intraoperativen iPTH-Messung die Sicherheit in der Chirurgie des Parathyreoidismus gesteigert werden kann, vor allem beim Vorliegen eines Doppeladenoms oder bei schwierigen Rezidiveingriffen.

Sleep-wake disorders persist 18 months after traumatic brain injury but remain underrecognized

OBJECTIVE This study is a prospective, controlled clinical and electrophysiologic trial examining the chronic course of posttraumatic sleep-wake disturbances (SWD). METHODS We screened 140 patients with acute, first-ever traumatic brain injury of any severity and included 60 patients for prospective follow-up examinations. Patients with prior brain trauma, other neurologic or systemic disease, drug abuse, or psychiatric comorbidities were excluded. Eighteen months after trauma, we performed detailed sleep assessment in 31 participants. As a control group, we enrolled healthy individuals without prior brain trauma matched for age, sex, and sleep satiation. RESULTS In the chronic state after traumatic brain injury, sleep need per 24 hours was persistently increased in trauma patients (8.1 ± 0.5 hours) as compared to healthy controls (7.1 ± 0.7 hours). The prevalence of chronic objective excessive daytime sleepiness was 67% in patients with brain trauma compared to 19% in controls. Patients significantly underestimated excessive daytime sleepiness and sleep need, emphasizing the unreliability of self-assessments on SWD in trauma patients. CONCLUSIONS This study provides prospective, controlled, and objective evidence for chronic persistence of posttraumatic SWD, which remain underestimated by patients. These results have clinical and medicolegal implications given that SWD can exacerbate other outcomes of traumatic brain injury, impair quality of life, and are associated with public safety hazards.