Возрастные изменения волн распространяющейся деполяризации во время генерализованной эпилептиформной активности, вызванной флуротилом

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Волны распространяющейся деполяризации (РД) часто ассоциируются с эпилептическими разрядами и могут лежать в основе постиктальной депрессии. Однако факторы, определяющие возникновение РД во время эпилептических разрядов, до конца не изучены. Мы исследовали влияние возраста животных на этот феномен с помощью многоканальной регистрации электрических сигналов на разных глубинах соматосенсорной коры крыс во время генерализованных эпилептических разрядов, спровоцированных ингаляцией флуротила. Было обнаружено, что у молодых 1–2-месячных крыс РД сопровождали эпилептическую активность почти в половине случаев. Однако у незрелых (до 3 недель) и взрослых (старше 3 месяцев) крыс РД наблюдались крайне редко. Во всех возрастах РД возникали в поверхностных слоях коры и распространялись сверху вниз в более глубокие слои. Однако глубина проникновения РД также зависела от возраста, причем у молодых животных РД распространялись глубже, чем у незрелых и взрослых животных. Таким образом, склонность к РД во время флуротиловых судорог имеет колоколообразный возрастной профиль с наибольшей частотой возникновения РД и более глубоким распространением РД у молодых животных. Наши результаты свидетельствуют о том, что возраст является важным фактором, определяющим возникновение РД и ее свойства во время эпилептических разрядов в коре головного мозга.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. Ф. Закирова

Казанский федеральный университет

Email: roustem.khazipov@inserm.fr
Россия, Казань

К. А. Чернова

Казанский федеральный университет

Email: roustem.khazipov@inserm.fr
Россия, Казань

Д. Е. Винокурова

Казанский федеральный университет

Email: roustem.khazipov@inserm.fr
Россия, Казань

Р. Н. Хазипов

Казанский федеральный университет; Aix-Marseille University

Автор, ответственный за переписку.
Email: roustem.khazipov@inserm.fr

INMED, IINSERM

Россия, Казань; Марсель, Франция

А. В. Захаров

Казанский федеральный университет; Казанский государственный медицинский университет

Email: roustem.khazipov@inserm.fr

Department of Normal Physiology

Россия, Казань; Казань

Список литературы

  1. Somjen GG (2001) Mechanisms of spreading depression and hypoxic spreading depression-like depolarization. Physiol Rev 81(3): 1065–1096. https://doi.org/10.1152/physrev.2001.81.3.1065
  2. Pietrobon D, Moskowitz MA (2014) Chaos and commotion in the wake of cortical spreading depression and spreading depolarizations. Nat Rev Neurosci 15(6): 379–393. https://doi.org/10.1038/nrn3770
  3. Dreier JP, Reiffurth C (2015) The stroke-migraine depolarization continuum. Neuron 86(4): 902–922. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2015.04.004
  4. Ayata C, Lauritzen M (2015) Spreading Depression, Spreading Depolarizations, and the Cerebral Vasculature. Physiol Rev 95(3): 953–993. https://doi.org/10.1152/physrev.00027.2014
  5. Hartings JA, Shuttleworth CW, Kirov SA, Ayata C, Hinzman JM, Foreman B (2017) The continuum of spreading depolarizations in acute cortical lesion development: Examining Leao's legacy. J Cereb Blood Flow Metab 37(5): 1571–1594. https://doi.org/10.1177/0271678X16654495
  6. Leao AAP (1944) Spreading depression of activity in the cerebral cortex. J Neurophysiol 7: 359–390. https://doi.org/10.1152/jn.1944.7.6.359
  7. Nasretdinov A, Lotfullina N, Vinokurova D, Lebedeva J, Burkhanova G, Chernova K, Zakharov A, Khazipov R (2017) Direct current coupled recordings of Cortical Spreading Depression using silicone probes. Front Cell Neurosci 11: 408. https://doi.org/10.3389/fncel.2017.00408
  8. Nasretdinov A, Vinokurova D, Lemale CL, Burkhanova-Zakirova G, Chernova K, Makarova J, Herreras O, Dreier JP, Khazipov R (2023) Diversity of cortical activity changes beyond depression during Spreading Depolarizations. Nat Commun 14(1): 7729. https://doi.org/10.1038/s41467-023-43509-3
  9. Zakharov A, Chernova K, Burkhanova G, Holmes GL, Khazipov R (2019) Segregation of seizures and spreading depolarization across cortical layers. Epilepsia 60(12): 2386–2397. https://doi.org/10.1111/epi.16390
  10. Bragin A, Penttonen M, Buzsaki G (1997) Termination of epileptic after discharge in the hippocampus. J Neurosci 17(7): 2567–2579. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.17-07-02567.1997
  11. Calia AB, Masvidal-Codina E, Smith TM, Schäfer N, Rathore D, Rodríguez-Lucas E (2022) Full-bandwidth electrophysiology of seizures and epileptiform activity enabled by flexible graphene microtransistor depth neural probes. Nat Nanotechnol 17(3): 301–309. https://doi.org/10.1038/s41565-021-01041-9
  12. Tamim I, Chung DY, de Morais AL, Loonen ICM, Qin T, Misra A, Schlunk F, Endres M, Schiff SJ, Ayata C (2021) Spreading depression as an innate antiseizure mechanism. Nat Commun 12(1): 2206. https://doi.org/10.1038/s41467-021-22464-x
  13. Bastany ZJR, Askari S, Dumont GA, Kellinghaus C, Kazemi A, Gorji A (2020) Association of cortical spreading depression and seizures in patients with medically intractable epilepsy. Clin Neurophysiol 131(12): 2861–2874. https://doi.org/10.1016/j.clinph.2020.09.016
  14. Van Harreveld A, Stamm JS (1953) Spreading cortical convulsions and depressions. J Neurophysiol 16(4): 352–366. https://doi.org/10.1152/jn.1953.16.4.352
  15. Dreier JP, Major S, Pannek HW, Woitzik J, Scheel M, Wiesenthal D (2012) Spreading convulsions, spreading depolarization and epileptogenesis in human cerebral cortex. Brain 135(Pt 1): 259–275. https://doi.org/10.1093/brain/awr303
  16. Hertelendy P, Varga DP, Menyhart A, Bari F, Farkas E (2019) Susceptibility of the cerebral cortex to spreading depolarization in neurological disease states: The impact of aging. Neurochem Int 127: 125–136. https://doi.org/10.1016/j.neuint.2018.10.010
  17. Isaeva E, Isaev D, Savrasova A, Khazipov R, Holmes GL (2010) Recurrent neonatal seizures result in long-term increases in neuronal network excitability in the rat neocortex. Eur J Neurosci 31(8): 1446–1455. https://doi.org/10.1111/j.1460-9568.2010.07179.x.
  18. Liu Z, Gatt A, Werner SJ, Mikati MA, Holmes GL (1994) Long-term behavioral deficits following pilocarpine seizures in immature rats. Epilepsy Res 19(3): 191–204. https://doi.org/10.1016/0920-1211(94)90062-0
  19. Khazipov R, Zaynutdinova D, Ogievetsky E, Valeeva G, Mitrukhina O, Manent JB (2015) Atlas of the Postnatal Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. Front Neuroanat 9: 161. https://doi.org/10.3389/fnana.2015.00161
  20. Nasretdinov A, Evstifeev A, Vinokurova D, Burkhanova-Zakirova G, Chernova K, Churina Z, Khazipov R (2021) Full-Band EEG Recordings Using Hybrid AC/DC-Divider Filters. eNeuro 8(4): ENEURO.0246-21.2021. https://doi.org/10.1523/ENEURO.0246-21.2021
  21. Захаров АВ, Захарова ЮП (2023) Eview – программа с открытым исходным кодом для преобразования и визуализации многоканальных электрофизиологических сигналов. Гены и клетки 18(4): 323–330. [Zakharov AV, Zakharova JP (2023) Eview – an open-source program for conversion and visualisation of multichannel electrophysiological signals. Genes and Cells 18(4): 323–330. (In Russ)].
  22. Ghasemi A, Jeddi S, Kashfi K (2021) The laboratory rat: Age and body weight matter. EXCLI J 20: 1431–1445. https://doi.org/10.17179/excli2021-4072
  23. Leao AA (1951) The slow voltage variation of cortical spreading depression of activity. Electroencephal Clin Neurophysiol 3(3): 315–321. https://doi.org/10.1016/0013-4694(51)90079-x
  24. Munoz-Martinez EJ (1970) Facilitation of cortical cell activity during spreading depression. J Neurobiol 2(1): 47–60. https://doi.org/10.1002/neu.480020105
  25. Richter F, Lehmenkuhler A (1993) Spreading depression can be restricted to distinct depths of the rat cerebral cortex. Neurosci Lett 152(1-2): 65–68. https://doi.org/10.1016/0304-3940(93)90484-3
  26. Kaufmann D, Theriot JJ, Zyuzin J, Service CA, Chang JC, Tang YT, Bogdanov VB, Multon S, Ju VS, Brennan KC (2017) Heterogeneous incidence and propagation of spreading depolarizations. J Cereb Blood Flow Metab 37(5): 1748–1762. https://doi.org/10.1177/0271678X16659496
  27. Vinokurova D, Zakharov A, Chernova K, Burkhanova-Zakirova G, Horst V, Lemale CL, Dreier JP, Khazipov R (2022) Depth-profile of impairments in endothelin-1 – induced focal cortical ischemia. J Cereb Blood Flow Metab 42(10): 1944–1960. https://doi.org/10.1177/0271678X221107422
  28. Bures J (1957) The ontogenetic development of steady potential differences in the cerebral cortex in animals. Electroencephal Clin Neurophysiol 9(1): 121–130. https://doi.org/10.1016/0013-4694(57)90116-5
  29. Richter F, Lehmenkuhler A, Fechner R, Manveljan L, Haschke W (1998) Postnatal conditioning for spreading cortical depression in the rat brain. Brain Res Dev Brain Res 106(1-2): 217–221. https://doi.org/10.1016/s0165-3806(98)00018-2
  30. Schade JP (1959) Maturational aspects of EEG and of spreading depression in rabbit. J Neurophysiol 22(3): 245–257. https://doi.org/10.1152/jn.1959.22.3.245
  31. Gainutdinov A, Juzekaeva E, Mukhtarov M, Khazipov R (2023) Anoxic spreading depolarization in the neonatal rat cortex in vitro. Front Cell Neurosci 17: 1106268. https://doi.org/10.3389/fncel.2023.1106268
  32. Maslarova A, Alam M, Reiffurth C, Lapilover E, Gorji A, Dreier JP (2011) Chronically epileptic human and rat neocortex display a similar resistance against spreading depolarization in vitro. Stroke 42(10): 2917–2922. https://doi.org/10.1161/STROKEAHA.111.621581
  33. Menyhart A, Zolei-Szenasi D, Puskas T, Makra P, Orsolya MT, Szepes BE, Toth R, Ivankovits-Kiss O, Obrenovitch TP, Bari F, Farkas E (2017) Spreading depolarization remarkably exacerbates ischemia-induced tissue acidosis in the young and aged rat brain. Sci Rep 7(1): 1154. https://doi.org/10.1038/s41598-017-01284-4
  34. Hansen AJ (1977) Extracellular potassium concentration in juvenile and adult rat brain cortex during anoxia. Acta Physiol Scand 99(4): 412–420. https://doi.org/10.1111/j.1748-1716.1977.tb10394.x
  35. Dzhala V, Khalilov I, Ben Ari Y, Khazipov R (2001) Neuronal mechanisms of the anoxia-induced network oscillations in the rat hippocampus in vitro. J Physiol 536 (Pt 2): 521–531. https://doi.org/10.1111/j.1469-7793.2001.0521c.xd
  36. Ayata C (2013) Pearls and pitfalls in experimental models of spreading depression. Cephalalgia 33(8): 604–613. https://doi.org/10.1177/0333102412470216
  37. Mody I, Lambert JDC, Heinemann U (1987) Low extracellular magnesium induces epileptiform activity and spreading depression in rat hippocampal slices. J Neurophysiol 57: 869–888. https://doi.org/10.1152/jn.1987.57.3.869
  38. Wadman WJ, Juta AJ, Kamphuis W, Somjen GG (1992) Current source density of sustained potential shifts associated with electrographic seizures and with spreading depression in rat hippocampus. Brain Res 570(1-2): 85–91. https://doi.org/10.1016/0006-8993(92)90567-s
  39. Herreras O, Somjen GG (1993) Analysis of potential shifts associated with recurrent spreading depression and prolonged unstable spreading depression induced by microdialysis of elevated K+ in hippocampus of anesthetized rats. Brain Res 610(2): 283–294. https://doi.org/10.1016/0006-8993(93)91412-l
  40. Herreras O, Largo C, Ibarz JM, Somjen GG, Martin del Rio R (1994) Role of neuronal synchronizing mechanisms in the propagation of spreading depression in the in vivo hippocampus. J Neurosci 14(11 Pt 2): 7087–7798. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.14-11-07087.1994
  41. Makarova J, Gomez-Galan M, Herreras O (2008) Variations in tissue resistivity and in the extension of activated neuron domains shape the voltage signal during spreading depression in the CA1 in vivo. Eur J Neurosci 27(2): 444–456. https://doi.org/10.1111/j.1460-9568.2008.06022.x.
  42. Koroleva VI, Bures J (1983) Cortical penicillin focus as a generator of repetitive spike-triggered waves of spreading depression in rats. Exp Brain Res 51(2): 291–297. https://doi.org/10.1007/BF00237205
  43. Samotaeva IS, Tillmanns N, van Luijtelaar G, Vinogradova LV (2013) Intracortical microinjections may cause spreading depression and suppress absence seizures. Neuroscience 230: 50–55. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2012.11.013
  44. Rathmann T, Ghadiri MK, Stummer W, Gorji A (2020) Spreading Depolarization Facilitates the Transition of Neuronal Burst Firing from Interictal to Ictal State. Neuroscience 441: 176–183. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2020.05.029

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. РД во время флуротил-индуцированной эпилептической активности у крыс различного возраста. (a–f) – Примеры регистрации внеклеточного потенциала в соматосенсорной коре на глубине 0.2–0.3 мм у крыс различного возраста (Р) во время ингаляции флуротила (зеленый горизонтальный отрезок). Синие линии – сигналы, отфильтрованные в диапазоне 2–1000 Гц; эпизоды судорожной активности обозначены синими горизонтальными отрезками. Красными линиями показаны сигналы в более широком частотном диапазоне (0.01–1000 Гц), позволяющем отобразить РД; отрезки в желто-красной цветовой гамме кодируют глубину распространения РД соответственно шкале на панели (g). (g) – Растер-график временной организации эпилептиформной активности (синие отрезки) и РД (отрезки в красно-желтой гамме с кодировкой глубины распространения РД), сортированные по возрасту крыс (Р). Вторая волна РД отмечена сиволом “*”.

Скачать (370KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Возрастная зависимость возникновения РД во время флуротил-индуцированной эпилептической активности. Животные разделены на следующие возрастные группы P: 0–6, 7–20, 21–35, 36–55, 56–70, 71–370 постнатальных дней [22]. Вероятность РД и соответствующее медианное значение возраста для каждой группы обозначено красным кружком. Горизонтальные отрезки указывают на 25-й и 75-й перцентили распределения возраста в каждой группе. Оценка достоверности различия вероятностей возникновения РД произведена точным тестом Фишера с уровнем значимости 0.05.

Скачать (52KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Вертикальное распространение РД во время флуротил-индуцированных эпилептических разрядов. (a–d) – Примеры судорожной активности и РД у крыс разного возраста, зарегистрированные на различной глубине коры. Период подачи флуротила обозначен горизонтальными зелеными отрезками. Красными линиями показан полевой потенциал в диапазоне 0.01–1000 Гц для отображения РД и в диапазоне 2–1000 Гц для отображения эпилептической активности на различной глубине соматосенсорной коры. Справа на каждой панели показан полевой потенциал (белые линии) в диапазоне 0.01–1000 Гц на фоне цветокодированной карты частоты потенциалов действия нейронов (MUA).

Скачать (1MB)
Метаданные
5. Рис. 4. Возрастная зависимость глубины проникновения РД во время флуротил-индуцированных эпилептических разрядов. Глубина проникновения РД от поверхности в глубь коры представлена в процентах от толщины коры. Учтены как единичные, так и множественные РД, возникающие в результате ингаляции флуротила. Черными кружками указаны значения для отдельных животных. Медианное значение глубины и соответствующее медианное значение возраста для каждой группы обозначено красными кружками. Горизонтальные отрезки указывают на 25-й и 75-й перцентили распределения возрастов в каждой возрастной группе. Вертикальные отрезки указывают на 25-й и 75-й перцентили распределения глубины проникновения РД в каждой группе.

Скачать (52KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025