Význam vysokofrekvenčních oscilací v iktogenezi a funkční organizaci epileptogenní tkáně

Abstract

Patologické vysokofrekvenční oscilace (VFO, 60-600 Hz) jsou mozkové oscilace, které se objevují de novo v epileptické tkáni. Předchozí studie prokázaly, že VFO přináší klinicky relevantní informace ohledně lokalizace zóny počátku záchvatu, či epileptogenní zóny. VFO jsou přítomny v časných fázích epilepsie a jejich výskyt předchází rovoji spontánních záchvatů. Zároveň lze VFO využít v monitorování aktivity onemocnění. Předpokládá se, že objasnění buněčných a síťových mechanizmů odpovědných za vznik VFO může zásadně přispět k lepšímu pochopení funkční organizace epileptogenní tkáně, mechanizmům epileptogenní přestavby mozku, či dějům odpovědných za vznik záchvatu. Cílem této práce bylo objasnit úlohu VFO v patofyziologii epilepsie a vzniku záchvatů. Za tímto účelem jsme využili řadu výzkumných technik sahající od počítačového modelování iktogeneze až po akutní modely záchvatů in vitro, chronické modely fokální epilepsie a analýzu lidské intrakraniální aktivity. Spontánní elektrická buněčná a síťová aktivita byla zaznamenána pomocí technik jednokanálového či vícekanálového záznamu lokálních potenciálů z mozku, jež byly kombinovány s elektrickou nebo optickou stimulací. Získaná data byla analyzována tradičními i pokročilými technikami zpracování signálů, včetně poloautomatických detekčních algoritmů, spektrální analýzy, metod z oblasti dynamiky složitých systémů a široké škály statistických přístupů. Analýzou časných varovných signálů kritického přechodu, odvozených z vlastností interiktálních VFO, jsme prokázali předzáchvatovou ztrátu resilience mozkové tkáně, jež se manifestovala zvýšenou citlivostí mozku k perturbacím. Získané výsledky nám umožnily formulovat novou hypotézu vzniku epileptických záchvatů, kdy přechod do záchvatu je spojený s postupnou ztrátou stability mozku. Zároveň nám pozorování umožnila vysvětlit duální úlohu interiktální aktivity v iktogenezi. Identifikované dynamické principy přechodu do záchvatu posloužily jako substrát pro vývoj techniky shlukové analýzy odhadující stav epileptického mozku. Analýzou VFO na počátku záchvatů jsme odhalili dichotomii mezi primární lézí a hlavní zónou počátku záchvatu v nelezionálním modelu epilepsie temporálního laloku. V modelu neokortikální epilepsie na podkladě fokální kortikální dysplázie jsme prokázali, že mozková kůra generuje široké spektrum VFO. Tyto VFO mají diagnostickou výpovědní hodnotu, neboť lokalizují primární lézi a zónu počátku záchvatu. Pomocí optogenetických metod jsme prokázali, že mutované neurony ve fokální kortikální dysplázii mohou generovat patologickou epileptiformní aktivitu, včetně VFO. Tato disertační práce přinesla nové poznatky o VFO a jejich úloze v patofyziologii epilepsie a záchvatů a využití VFO v předoperačních diagnostice v rámci chirurgické léčby epilepsie. Práce poskytla nové poznatky o buněčných a síťových mechanizmech VFO, které jsou cenné pro diagnostiku a léčbu farmakorezistentních fokálních epilepsií.

Pathological high-frequency oscillations (HFOs, 60-600 Hz) are cerebral oscillations that occur de novo in the epileptic brain. Past studies demonstrated that HFOs provide valuable information to localize the seizure onset zone and epileptogenic tissue, predict the future development of spontaneous seizures, or monitor disease activity. It is hypothesized that elucidation of the cellular and network mechanisms underlying HFO genesis can contribute to a better understanding of the functional organization of the epileptogenic tissues, its reorganization and to better understanding the mechanisms of seizure initiation. The central goal of the thesis was to explore the role of HFOs in seizure genesis and the functional organization of the neocortical epileptic networks. To address these questions, we utilized a range of research techniques ranging from in silico models of ictogenesis to acute seizure models in vitro, chronic focal epilepsy models, and human intracranial recordings. Spontaneous cellular and network activity was recorded using electrophysiological techniques from single-electrode to large-scale or multi-channel recording combined with electrical or optical stimulation. Obtained data were analyzed by traditional and advanced signal processing techniques, including semi-automatic detection algorithms, spectral analysis, methods from complex system dynamics, and a wide range of statistical approaches. Analysis of early warning signals of critical transition derived from the interictal HFO revealed a preictal loss of resilience accompanied by an increased sensitivity to perturbations ahead of seizures. The obtained results allowed us to formulate a new hypothesis about seizure genesis through the loss of brain stability and explain the dual role of interictal activity in ictogenesis. Identified dynamical principles of transition to seizure represented a substrate for developing an unsupervised technique estimating the epileptic brain state. Through the analysis of HFOs at the seizure onsets, we disclosed the dichotomy between the primary lesion and the main seizure onset zone in a model of non-lesional temporal lobe epilepsy. In a highly realistic model of neocortical epilepsy, we showed that the neocortex can generate a wide range of HFOs that co-localize with the primary lesion and seizure onset zone. Using optogenetics, we showed that mutated neocortical neurons are an integral part of the network, and their activation can initiate neocortical HFO and seizures. The thesis improved understanding of HFOs and seizure transition mechanisms, presenting diagnostic insights applicable to presurgical epilepsy evaluations. It contributed novel insights into neocortical HFOs and epileptic network organization, valuable for diagnosing and treating drug-resistant focal epilepsies.