Abnormal changes in voltage-gated sodium channels NaV1.1, NaV1.2, NaV1.3, NaV1.6 and in Calmodulin/calmodulin-dependent protein kinase II, within the brains of spontaneously epileptic rats and tremor rats

Voltage-gated sodium channels (VGSCs) play a crucial role in epilepsy. The expressions of different VGSCs subtypes are varied in diverse animal models of epilepsy that may reflect their multiple phenotypes or the complexity of the mechanisms of epilepsy. In a previous study, we reported that NaV1.1 and NaV1.3 were up-regulated in the hippocampus of the spontaneously epileptic rat (SER). In this study, we further analyzed both the expression and distribution of the typical VGSC subtypes NaV1.1, NaV1.2, NaV1.3 and NaV1.6 in the hippocampus and in the cortex of the temporal lobe of two genetic epileptic animal models: the SER and the tremor rat (TRM). The expressions of calmodulin (CaM) and calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) were also analyzed with the purpose of assessing the effect of the CaM/CaMKII pathway in these two models of epilepsy. Increased expression of the four VGSC subtypes and CaM, accompanied by a decrease in CaMKII was observed in the hippocampus of both the SERs and the TRM rats. However, the changes observed in the expression of VGSC subtypes and CaM were decreased with an elevated CaMKII in the cortex of their temporal lobes. Double-labeled immunofluorescence data suggested that in SERs and TRM rats, the four subtypes of the VGSC proteins were present throughout the CA1, CA3 and dentate gyrus regions of the hippocampus and temporal lobe cortex and these were co-localized in neurons with CaM. These data represent the first evidence of abnormal changes in expression of four VGSC subtypes (NaV1.1, NaV1.2, NaV1.3 and NaV1.6) and CaM/CaMKII in the hippocampus and temporal lobe cortex of SERs and TRM rats. These changes may be involved in the generation of epileptiform activity and underlie the observed seizure phenotype in these rat models of genetic epilepsy.

Low-power DWT-based quasi-averaging algorithm and architecture for epileptic seizure detection

In this paper, we have developed a low-complexity algorithm for epileptic seizure detection with a high degree of accuracy. The algorithm has been designed to be feasibly implementable as battery-powered low-power implantable epileptic seizure detection system or epilepsy prosthesis. This is achieved by utilizing design optimization techniques at different levels of abstraction. Particularly, user-specific critical parameters are identified at the algorithmic level and are explicitly used along with multiplier-less implementations at the architecture level. The system has been tested on neural data obtained from in-vivo animal recordings and has been implemented in 90nm bulk-Si technology. The results show up to 90 % savings in power as compared to prevalent wavelet based seizure detection technique while achieving 97% average detection rate. Copyright 2010 ACM.

Differential regulation of hippocampal neurogenesis by nitric oxide following seizures

The fact that the adult brain is able to produce new neurons or glial cells from neural stem cells (NSC) became one of the most interesting and challenging fields of research in neuroscience. Endogenous adult neurogenesis occurs in two main regions of the brain: the subventricular zone (SVZ) of the lateral ventricles and the subgranular zone (SGZ) in the dentate gyrus. Brain injury may be accompanied by increased neurogenesis, although neuroinflammation promotes the activation of microglial cells that can be detrimental to the neurogenic process. Nitric oxide (NO) is one of the factors released by microglia that can be proneurogenic. The mechanism by which NO promotes the proliferation of NSCs has been intensively studied. However, little is known about the role of NO in migration, survival and differentiation of the newborn cells. The aim of this work was to investigate the role of NO from inflammatory origin in proliferation, migration, differentiation and survival of NSCs from the dentate gyrus in a mouse model of status epilepticus. We also assessed neuroinflammation in the same injury model. Our work showed that NO increased proliferation of the early-born cells after seizures, but is detrimental for their survival. NO also increased migration of neuroblasts. Moreover, NO was important to maintain long-term neuroinflammation. Taken together, these results show that NO may be a good target to promote proliferation and migration of NSCs following seizures, but compromises survival of early-born cells.

Investigation des circuits neuronaux de la lecture à l’aide de la spectroscopie près du spectre de l’infrarouge

Pour la plupart des gens, la lecture est une activité automatique, inhérente à leur vie quotidienne et ne demandant que peu d’effort. Chez les individus souffrant d’épilepsie réflexe à la lecture, le simple fait de lire déclenche des crises épileptiques et les personnes doivent alors renoncer à la lecture. Les facteurs responsables du déclenchement de l’activité épileptique dans l’épilepsie réflexe à la lecture demeurent encore mal définis. Certains auteurs suggèrent que le nombre ainsi que la localisation des pointes épileptiques seraient en lien avec la voie de lecture impliquée. Des études en imagerie cérébrale, menées auprès de populations sans trouble neurologique, ont dévoilé que la lecture active un réseau étendu incluant les cortex frontaux, temporo-pariétaux et occipito-temporaux bilatéralement avec des différences dans les patrons d’activation pour les voies de lecture lexicale et phonologique. La majorité des études ont eu recours à des tâches de lecture silencieuse qui ne permettent pas d'évaluer la performance des participants. Dans la première étude de cette thèse, qui porte sur une étude de cas d'un patient avec épilepsie réflexe à la lecture, nous avons déterminé les tâches langagières et les caractéristiques des stimuli qui influencent l'activité épileptique. Les résultats ont confirmé que la lecture était la principale tâche responsable du déclenchement de l’activité épileptique chez ce patient. En particulier, la fréquence des pointes épileptiques était significativement plus élevée lorsque le patient avait recours au processus de conversion grapho-phonémique. Les enregistrements électroencéphalographiques (EEG) ont révélé que les pointes épileptiques étaient localisées dans le gyrus précentral gauche, indépendamment de la voie de lecture. La seconde étude avait comme objectif de valider un protocole de lecture à voix haute ayant recours à la spectroscopie près du spectre de l’infrarouge (SPIR) pour investiguer les circuits neuronaux qui sous-tendent la lecture chez les normo-lecteurs. Douze participants neurologiquement sains ont lu à voix haute des mots irréguliers et des non-mots lors d’enregistrements en SPIR. Les résultats ont montré que la lecture des deux types de stimuli impliquait des régions cérébrales bilatérales communes incluant le gyrus frontal inférieur, le gyrus prémoteur et moteur, le cortex somatosensoriel associatif, le gyrus temporal moyen et supérieur, le gyrus supramarginal, le gyrus angulaire et le cortex visuel. Les concentrations totales d’hémoglobine (HbT) dans les gyri frontaux inférieurs bilatéraux étaient plus élevées dans la lecture des non-mots que dans celle des mots irréguliers. Ce résultat suggère que le gyrus frontal inférieur joue un rôle dans la conversion grapho-phonémique, qui caractérise la voie de lecture phonologique. Cette étude a confirmé le potentiel de la SPIR pour l’investigation des corrélats neuronaux des deux voies de lecture. Une des retombées importantes de cette thèse consiste en l’utilisation du protocole de lecture en SPIR pour investiguer les troubles de la lecture. Ces investigations pourraient aider à mieux établir les liens entre le fonctionnement cérébral et la lecture dans les dyslexies développementales et acquises.

Induction of astrocytic cyclooxygenase-2 in epileptic patients with hippocampal sclerosis.

Induction of cyclooxygenase-2 (COX-2) has been described in a wide range of neurological diseases including animal models of epilepsy. The present study was undertaken to assess COX-2 expression in hippocampal biopsies from patients with therapy-refractive temporal lobe epilepsy (TLE). For this purpose, hippocampal CA1 subfield was dissected from epileptic patients with (n=5) or without (n=2) hippocampal sclerosis (HS). COX-2 expression was investigated using immunohistochemistry and semi-quantitative RT-PCR. COX-2 immunoreactivity in TLE patient material in the absence of HS was restricted to a few neurons of the hippocampus. In the presence of HS, on the other hand, a significant induction of astrocytic COX-2 immunoreactivity associated with a concomitant increase in the steady-state level of COX-2 mRNA was observed in the CA1 subfield. These findings suggest that induction of astrocytic COX-2 is implicated in the pathogenesis of HS in TLE and is consistent with the previous findings of increased concentrations of prostaglandins in the cerebrospinal fluid of these patients.

Apport de nouvelles techniques dans l’évaluation de patients candidats à une chirurgie d’épilepsie : résonance magnétique à haut champ, spectroscopie proche infrarouge et magnétoencéphalographie

L'épilepsie constitue le désordre neurologique le plus fréquent après les maladies cérébrovasculaires. Bien que le contrôle des crises se fasse généralement au moyen d'anticonvulsivants, environ 30 % des patients y sont réfractaires. Pour ceux-ci, la chirurgie de l'épilepsie s'avère une option intéressante, surtout si l’imagerie par résonance magnétique (IRM) cérébrale révèle une lésion épileptogène bien délimitée. Malheureusement, près du quart des épilepsies partielles réfractaires sont dites « non lésionnelles ». Chez ces patients avec une IRM négative, la délimitation de la zone épileptogène doit alors reposer sur la mise en commun des données cliniques, électrophysiologiques (EEG de surface ou intracrânien) et fonctionnelles (tomographie à émission monophotonique ou de positrons). La faible résolution spatiale et/ou temporelle de ces outils de localisation se traduit par un taux de succès chirurgical décevant. Dans le cadre de cette thèse, nous avons exploré le potentiel de trois nouvelles techniques pouvant améliorer la localisation du foyer épileptique chez les patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie d’épilepsie : l’IRM à haut champ, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) et la magnétoencéphalographie (MEG). Dans une première étude, nous avons évalué si l’IRM de haut champ à 3 Tesla (T), présentant théoriquement un rapport signal sur bruit plus élevé que l’IRM conventionnelle à 1,5 T, pouvait permettre la détection des lésions épileptogènes subtiles qui auraient été manquées par cette dernière. Malheureusement, l’IRM 3 T n’a permis de détecter qu’un faible nombre de lésions épileptogènes supplémentaires (5,6 %) d’où la nécessité d’explorer d’autres techniques. Dans les seconde et troisième études, nous avons examiné le potentiel de la SPIR pour localiser le foyer épileptique en analysant le comportement hémodynamique au cours de crises temporales et frontales. Ces études ont montré que les crises sont associées à une augmentation significative de l’hémoglobine oxygénée (HbO) et l’hémoglobine totale au niveau de la région épileptique. Bien qu’une activation contralatérale en image miroir puisse être observée sur la majorité des crises, la latéralisation du foyer était possible dans la plupart des cas. Une augmentation surprenante de l’hémoglobine désoxygénée a parfois pu être observée suggérant qu’une hypoxie puisse survenir même lors de courtes crises focales. Dans la quatrième et dernière étude, nous avons évalué l’apport de la MEG dans l’évaluation des patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie. Il s’est avéré que les localisations de sources des pointes épileptiques interictales par la MEG ont eu un impact majeur sur le plan de traitement chez plus des deux tiers des sujets ainsi que sur le devenir postchirurgical au niveau du contrôle des crises.

Utilisation des potentiels évoqués visuels stationnaires pour mieux évaluer la neurotoxicité visuelle chez les enfants exposés au vigabatrin

Le traitement de l’épilepsie chez le jeune enfant représente un enjeu majeur pour le développement de ce dernier. Chez la grande majorité des enfants atteints de spasmes infantiles et chez plusieurs atteints de crises partielles complexes réfractaires, le vigabatrin (VGB) représente un traitement incontournable. Cette médication, ayant démontré un haut taux d’efficacité chez cette population, semble toutefois mener à une atteinte du champ visuel périphérique souvent asymptomatique. L’évaluation clinique des champs visuels avec la périmétrie chez les patients de moins de neuf ans d’âge développemental est toutefois très difficile, voire impossible. Les études électrophysiologiques classiques menées auprès de la population épileptique pédiatrique suggèrent l’atteinte des structures liées aux cônes de la rétine. Les protocoles standards ne sont toutefois pas spécifiques aux champs visuels et les déficits soulignés ne concordent pas avec l’atteinte périphérique observée. Cette thèse vise donc à élaborer une tâche adaptée à l’évaluation des champs visuels chez les enfants en utilisant un protocole objectif, rapide et spécifique aux champs visuels à partir des potentiels évoqués visuels (PEVs) et à évaluer, à l’aide de cette méthode, les effets neurotoxiques à long terme du VGB chez des enfants épileptiques exposés en bas âge. La validation de la méthode est présentée dans le premier article. La stimulation est constituée de deux cercles concentriques faits de damiers à renversement de phase alternant à différentes fréquences temporelles. La passation de la tâche chez l’adulte permet de constater qu’une seule électrode corticale (Oz) est nécessaire à l’enregistrement simultané des réponses du champ visuel central et périphérique et qu’il est possible de recueillir les réponses électrophysiologiques très rapidement grâces l’utilisation de l’état-stationnaire (steady-state). La comparaison des données d’enfants et d’adultes normaux permet de constater que les réponses recueillies au sein des deux régions visuelles ne dépendent ni de l’âge ni du sexe. Les réponses centrales sont aussi corrélées à l’acuité visuelle. De plus, la validité de cette méthode est corroborée auprès d’adolescents ayant reçu un diagnostic clinique d’un déficit visuel central ou périphérique. En somme, la méthode validée permet d’évaluer adéquatement les champs visuels corticaux central et périphérique simultanément et rapidement, tant chez les adultes que chez les enfants. Le second article de cette thèse porte sur l’évaluation des champs visuels, grâce à la méthode préalablement validée, d’enfants épileptiques exposés au VGB en jeune âge en comparaison avec des enfants épileptiques exposés à d’autres antiépileptiques et à des enfants neurologiquement sains. La méthode a été bonifiée grâce à la variation du contraste et à l’enregistrement simultané de la réponse rétinienne. On trouve que la réponse corticale centrale est diminuée à haut et à moyen contrastes chez les enfants exposés au VGB et à haut contraste chez les enfants exposés à d’autres antiépileptiques. Le gain de contraste est altéré au sein des deux groupes d’enfants épileptiques. Par contre, l’absence de différences entre les deux groupes neurologiquement atteints ne permet pas de faire la distinction entre l’effet de la médication et celui de la maladie. De plus, la réponse rétinienne périphérique est atteinte chez les enfants épileptiques exposés au Sabril® en comparaison avec les enfants neurologiquement sains. La réponse rétinienne périphérique semble liée à la durée d’exposition à la médication. Ces résultats corroborent ceux rapportés dans la littérature. En somme, les résultats de cette thèse offrent une méthode complémentaire, rapide, fiable, objective à celles connues pour l’évaluation des champs visuels chez les enfants. Ils apportent aussi un éclairage nouveau sur les impacts à long terme possibles chez les enfants exposés au VGB dans la petite enfance.

Hemodynamic changes during posterior epilepsies: an eeg-fnirs study

Posterior epilepsies are relatively rare, mainly suspected clinically by the presence of visual auras. Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is an emerging non-invasive imaging technique that has the potential to monitor hemodynamic changes during epileptic activity. Combined with electroencephalography (EEG), 9 patients with posterior epilepsies were recorded using EEG-fNIRS with large sampling (19 EEG electrodes and over 100 fNIRS channels). Spikes and seizures were carefully marked on EEG traces, and convolved with a standard hemodynamic response function for general linear model (GLM) analysis. GLM results for seizures (in 3 patients) and spikes (7 patients) were broadly sensitive to the epileptic focus in 7/9 patients, and specific in 5/9 patients with fNIRS deoxyhemoglobin responses lateralized to the correct lobe, and to plausible locations within the occipital or parietal lobes. This work provides evidence that EEG-fNIRS is a sensitive technique for monitoring posterior epileptic activity.

fNIRS-EEG study of focal interictal epileptiform discharges

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) acquired with electroencephalography (EEG) is a relatively new non-invasive neuroimaging technique with potential for long term monitoring of the epileptic brain. Simultaneous EEG-fNIRS recording allows the spatio-temporal reconstruction of the hemodynamic response in terms of the concentration changes in oxy-hemoglobin (HbO) and deoxy-hemoglobin (HbR) associated with recorded epileptic events such as interictal epileptic discharges (IEDs) or seizures. While most previous studies investigating fNIRS in epilepsy had limitations due to restricted spatial coverage and small sample sizes, this work includes a sufficiently large number of channels to provide an extensive bilateral coverage of the surface of the brain for a sample size of 40 patients with focal epilepsies. Topographic maps of significant activations due to each IED type were generated in four different views (dorsal, frontal, left and right) and were compared with the epileptic focus previously identified by an epileptologist. After excluding 5 patients due to the absence of IEDs and 6 more with mesial temporal foci too deep for fNIRS, we report that significant HbR (respectively HbO) concentration changes corresponding to IEDs were observed in 62% (resp. 38%) of patients with neocortical epilepsies. This HbR/HbO response was most significant in the epileptic focus region among all the activations in 28%/21% of patients.

Optical imaging and two-photon microscopy study of hemodynamic changes contralateral to ictal focus during epileptiform discharges

Il est relativement bien établi que les crises focales entraînent une augmentation régionale du flot sanguin dans le but de soutenir la demande énergétique en hémoglobine oxygénée des neurones épileptiques. Des changements hémodynamiques précoces ont également été rapportés dans la région homologue controlatérale, bien que ceci ait été moins bien caractérisé. Dans cette étude, notre objectif est de mieux caractériser, lors de crises focales, la nature des changements hémodynamiques précoces dans la région homologue controlatérale au foyer épileptique. L'imagerie optique intrinsèque (IOI) et la microscopie deux-photons sont utilisées pour étudier les changements hémodynamiques dans la région homologue controlatérale au site de crises focales induites par l’injection de 4-aminopyridine (4-AP) dans le cortex somatosensitif ipsilatéral de souris. Dans l'étude d'IOI, des changements de l’oxyhémoglobine (HbO), de la désoxyhémoglobine (HbR) et du débit sanguin cérébral ont été observées dans la région homologue controlatérale au site de crises focales lors de toutes les crises. Toutefois, ces changements étaient hétérogènes, sans patron cohérent et reproduisible. Nos expériences avec la microscopie deux-photons n’ont pas révélé de changements hémodynamiques significatifs dans la région homotopique controlatérale lors de trains de pointes épileptiques. Nos résultats doivent être interprétés avec prudence compte tenu de plusieurs limitations: d’une part absence de mesures électrophysiologiques dans la région d’intérêt controlatérale au foyer simultanément à l’imagerie deux-photons et à l'IOI; d’autre part, lors des expériences avec le deux-photons, incapacité à générer de longues décharges ictales mais plutôt des trains de pointes, couverture spatiale limitée de la région d’intérêt controlatérale, et faible puissance suite au décès prématuré de plusieurs souris pour diverses raisons techniques. Nous terminons en discutant de divers moyens pour améliorer les expériences futures.

Down-regulation of cerebellar 5-HT2C receptors in pilocarpine-induced epilepsy in rats: Therapeutic role of Bacopa monnieri extract

Epilepsy is a syndrome of episodic brain dysfunction characterized by recurrent unpredictable, spontaneous seizures. Cerebellar dysfunction is a recognized complication of temporal lobe epilepsy and it is associated with seizure generation, motor deficits and memory impairment. Serotonin is known to exert a modulatory action on cerebellar function through 5HT2C receptors. 5-HT2C receptors are novel targets for developing anticonvulsant drugs. In the present study, we investigated the changes in the 5-HT2C receptors binding and gene expression in the cerebellum of control, epileptic and Bacopa monnieri treated epileptic rats. There was a significant down regulation of the 5-HT content (pb0.001), 5-HT2C gene expression (pb0.001) and 5-HT2C receptor binding (pb0.001) with an increased affinity (pb0.001). Carbamazepine and B. monnieri treatments to epileptic rats reversed the down regulated 5-HT content (pb0.01), 5-HT2C receptor binding (pb0.001) and gene expression (pb0.01) to near control level. Also, the Rotarod test confirms the motor dysfunction and recovery by B. monnieri treatment. These data suggest the neuroprotective role of B. monnieri through the upregulation of 5-HT2C receptor in epileptic rats. This has clinical significance in the management of epilepsy

Nonlinear Analysis of an Electroencephalogram (ECG) During Epileptic Seizure

A mathematical analysis of an electroencephalogram of a human Brain during an epileptic seizure shows that the K2 entropy decreases as compared to a clinically normal brain while the dimension of the attractor does not show significant deviation.

Withania somnitera and withanolide a mediated restoration of AMPA and NMDA receptor function in pilocarpine induced temporal lobe epilepsy

The onset of spontaneous seizures triggers a cascade of molecular and cellular events that eventually leads to neuronal injury and cognitive decline. The present study investigated the effect of Withania somnifera (WS) root extract and Withanolide A (WA) in restoring behavioural deficit by inhibiting oxidative stress induced alteration in glutamergic neurotransmission. The subdued performance in behavioural tests shows impaired motor coordination and memory. Histopathological investigations revealed significant neuronal loss in hippocampus of epileptic rats indicating glutamate mediated excitotoxicity. The treatment with WS and WA restored behavioural deficit and ameliorated neuronal loss. An altered redox homeostasis leading to oxidative stress is a hallmark of TLE. The antioxidant potential was afflicted in epileptic rats, evident from altered activity of SOD and CAT, down regulation of SOD and GPX expression and enhanced lipid peroxidation. The antioxidant property of WS and WA restored altered antioxidant capacity. Alteration in GDH activity and down regulation of GLAST expression resulted in enhanced glutamate content in the brain regions. The metabolism of glutamate was altered in the form of down regulated GAD expression. The alteration in synthesis, transport and metabolism resulted in further increase of the glutamate concentration at the synapse leading to glutamate mediated excitotoxicity. The decreased NMDA and AMPA receptor binding and down regulated NMDA R1, NMDA 2B and AMPA (GluR2) mRNA expression indicated altered glutamergic receptor function. The treatment with WS and WA reversed altered glutamergic receptor function, synthesis, transport and metabolism. The enhanced levels of second messenger IP3 responsible for Ca2+ mediated toxicity was reversed after treatment with WS and WA. Neurotoxics concentration of glutamate resulted in up regulation of pro apoptotic factors Bax and Caspase 8 and down regulation of anti apoptotic factor Akt resulting in neuronal death. The treatment with WS and WA resulted in activation of Akt and down regulation of Bax and caspase 8 leading to blocking of apoptotic pathway. The treatment with WS and WA resulted in reduced seizure frequency and amelioration of associated alterations suggesting the therapeutic role of Withania somnifera in temporal lobe epilepsy

Caracterización de pacientes adultos mayores con epilepsia en dos hospitales en Bogotá, Colombia

Introducción: la prevalencia global de la epilepsia en Colombia es 1.13% y en pacientes de 65 años o más puede estar cercana 1,5%. Aunque la población ha envejecido en las últimas décadas, hay poca información sobre el comportamiento de esta enfermedad en este grupo etario. Materiales y métodos: estudio descriptivo, de corte transversal en dos hospitales en Bogotá, Colombia, durante los años 2005-2008. Se revisaron las bases de datos y se seleccionaron las historias clínicas de los pacientes mayores de 65 años con epilepsia. Resultados: se revisaron 211 historias clínicas y se seleccionaron 179. La edad media fue de 75 años (65-98) y el inicio de la epilepsia fue a los 67.5 (7-93); 64.4% iniciaron la enfermedad después de los 65 años. 84% de las crisis fueron clasificadas como parciales. El diagnóstico más frecuente fue epilepsia focal sintomática (94.4%). 61 pacientes tuvieron como etiología una enfermedad cerebrovascular. Los antiepilépticos de primera generación, especialmente Fenitoína, fueron los más utilizados (99%) aunque 81 de104 pacientes tratados no estaban libres de crisis. Conclusiones: la mayoría de las crisis son resultado de una epilepsia parcial sintomática como consecuencia de una lesión vascular por lo que se debe considerar el tratamiento farmacológico desde la primera crisis. Es recomendable iniciar el tratamiento con antiepilépticos de segunda generación como Lamotrigina, Gabapentin, Levetiracetam o Topiramato para minimizar efectos secundarios y, mantener el principio de inicio con dosis bajas y mantenimiento con dosis bajas. Si las condiciones económicas no lo permiten, se puede usar Fenitoina con precaución.

Proyecto Colombia Slow Seizures

Teniendo en cuenta las tendencias del mercado de productos para el tratamiento de la Epilepsia Refractaria en Colombia, es necesario implementar estrategias de marketing para lograr la adherencia del producto y el seguimiento del tratamiento.