The function of neural networks in epileptic seizures with a combination of imaging and electrophysiological recordings
Authors: Βαγιάκη Λήδα-Ευμορφία 
Published: September 2024

Σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας, η επιληψία είναι μια από τις πιο συχνές, σοβαρές και χρόνιες νευρολογικές παθήσεις, που χαρακτηρίζεται από την εμφάνιση αυθόρμητων επαναλαμβανόμενων επιληπτικών κρίσεων. Ως επιληπτική κρίση ορίζεται ένα επεισόδιο παροδικής, ανώμαλης και υπερβολικής νευρωνικής δραστηριότητας στον εγκέφαλο. Ειδικότερα, η επιληψία του μέσου κροταφικού λοβού απαντάται στον πιο συνήθη τύπο επιληψίας που παρατηρείται στους ενήλικες. Από αυτούς, περίπου το 33,3% των ασθενών διαγιγνώσκεται με φαρμακοανθεκτική επιληψία, καθώς τα υπάρχοντα αντιεπιληπτικά φάρμακα (ΑΕΦ) καταφέρνουν να ελέγξουν αποτελεσματικά τις επιληπτικές κρίσεις σε ποσοστό έως 66,7% των ασθενών. Τα αίτια εμφάνισης επιληπτικών κρίσεων ποικίλουν, όμως σίγουρα σχετίζονται με την εμφάνιση ανισορροπίας μεταξύ διεγερτικών και ανασταλτικών διεργασιών στα νευρωνικά δίκτυα. Συγκεκριμένα, η επιληψία έχει χαρακτηριστεί ως πάθηση διαφόρων διαύλων, πάθηση ενδονευρώνων, μεταβολική διαταραχή, αλλά και ως πάθηση δυσρυθμίας.Το εύρος των εκλυτικών παραγόντων που μπορούν να οδηγήσουν στην εμφάνιση επιληπτικών κρίσεων καθιστούν την αποτελεσματική διαχείριση των τελευταίων ιδιαιτέρως δύσκολη, λόγω τριών βασικών περιορισμών. Ο πρώτος περιορισμός έγκειται στην αναποτελεσματική πρόβλεψη των επιληπτικών κρίσεων λόγω χαμηλής ευαισθησίας και ακρίβειας. Τα περισσότερα μοντέλα πρόβλεψης στοχεύουν στη διάκριση μεταξύ τριών περιόδων: α) την περίοδο πριν την επιληπτική κρίση, β) την περίοδο μεταξύ των επιληπτικών κρίσεων και γ) την περίοδο των επιληπτικών κρίσεων. Ωστόσο, ο ορισμός αυτών των περιόδων παραμένει ασαφής, καθώς η αόριστη διάρκεια τους σε συνδυασμό με τις ποικίλλες επαγώμενες μεταβολές στο δίκτυο εντοπίζονται όχι μόνο σε διαφορετικούς τύπους επιληψίας αλλά και μεταξύ των επιληπτικών κρίσεων που παρουσιάζονται στον ίδιο ασθενή. Ο δεύτερος περιορισμός εντοπίζεται στην μετριασμένη αποτελεσματικότητα των ΑΕΦ, τα οποία συχνά συνοδεύονται από διάφορες παρενέργειες. Είναι σημαντικό να αναφερθεί πως η έλλειψη κατανόησης όλων των μηχανισμών που διέπουν τις επιληπτικές κρίσεις αυξάνει τη δυσκολία σχεδιασμού μιας αποτελεσματικής θεραπευτικής προσέγγισης. Οι δύο προαναφερθέντες περιορισμοί οδηγούν στην εξέλιξη των εστιακών επιληπτικών κρίσεων σε γενικευμένη μορφή, επηρεάζοντας έτσι περισσότερες περιοχές του εγκεφάλου. Συνεπώς, οδηγούμαστε στον τρίτο περιορισμό που επιδρά στην επιδείνωση των γνωστικών ελλειμμάτων, η εμφάνιση των οποίων αποτελεί κοινή συνέπεια των συχνών επιληπτικών κρίσεων ή και ακόμη της χορήγησης ορισμένων ΑΕΦ. Η μελέτη μας θέτει ως στόχο την προσπάθεια αντιμετώπισης αυτών των περιορισμών συμβάλλοντας στην ανάπτυξη νέων και αποτελεσματικότερων θεραπευτικών προσεγγίσεων, μέσω α)πρόβλεψης των επιληπτικών κρίσεων με βάση ορισμένες διαφορές στις νευρωνικές ταλαντώσεις που αξιοποιήθηκαν ως δείκτες, β) μελέτης νέων αντι-επιληπτικών φαρμακευτικών προσεγγίσεων και γ) εξάσκησης γνωστικών λειτουργιών ως νευροπροστατευτικός μηχανισμός μείωσης της συχνότητας εμφάνισης επιληπτικών κρίσεων. Για την μελέτη αυθόρμητων επιληπτικών κρίσεων απομονώθηκαν τομές εγκεφάλου που περιέχουν την περιοχή του ιππόκαμπου (ΙΠΚ) από ενήλικους αρσενικούς και θηλυκούς μύες. Για την επαγωγή αυθόρμητων επιληπτικών κρίσεων χρησιμοποιήσαμε το in vitro μοντέλο υψηλής συγκέντρωσης καλίου (Κ+) και καταγράψαμε την αυθόρμητη δραστηριότητα με εξωκυττάριες καταγραφές πεδίου σε τρεις υποπεριοχές του ΙΠΚ, συγκεκριμένα: cornu amonis 1 και 3 (CA1, CA3) και οδοντωτή έλικα (ΟΕ). Στην μελέτη αυτή, καταγράφηκαν διακριτές διαφορές στην ρυθμική δραστηριότητα που καταγράφηκε κυρίως στις περιοχές CA3 και DG, κατά τη διάρκεια επώασης των εγκεφαλικών τομών είτε σε τεχνητό εγκεφαλονωτιαίο υγρό που προσομειάζει το φυσιολογικό είτε σε τεχνητό εγκεφαλονωτιαίο υγρό με υψηλή περιεκτικότητα σε Κ+. Επιπλέον, ορίστηκαν συγκεκριμένα χρονικά τμημάτα διάρκειας 1 δευτερολέπτου, σε καταγραφές συνολικής διάρκειας 10 δευτερολέπτων, κατά τη διάρκεια των εξής περιόδων: α) το διάστημα πριν τις επιληπτικές κρίσεις (ΠΚ), β) το διάστημα απουσίας επιληπτικών κρίσεων (ΑΚ) και γ) το διάστημα κατά την διάρκεια των κρίσεων (Κ). Εν συνεχεία, στα τμήματα αυτά καταγράφηκε η ρυθμική δραστηριότητα η οποία παρουσίασε σημαντικές διακυμάνσεις μεταξύ των περιόδων ΠΚ - Κ, ΠΚ - ΑΚ καθώς και Κ – ΑΚ. Μέσω της χρήσης του αλγορίθμου της Γραμμικής Διακριτικής Ανάλυσης από τα δεδομένα της ρυθμικής δραστηριότητας που καταγράφηκε στα προαναφερθέντα χρονικά τμήματα, προβλέψαμε την επικείμενη εμφάνιση μιας κρίσης 5 δευτερόλεπτα πριν την έναρξη της, επιτυγχάνοντας ακρίβεια περίπου 85% για τους ρυθμούς θήτα (θ), άλφα (α) και υψηλή γάμμα συχνότητα (hγ) για την περιοχή της ΟΕ.Ως προς το κομμάτι της μελέτης μας που αφορά στη θεραπευτική προσέγγιση, παρατηρήσαμε ότι οι τρεις περιοχές εμφανίζουν διαφορετική ευαισθησία στη μείωση των κρίσεων έπειτα από χορήγηση δύο ευρέως χρησιμοποιούμενων ΑΕΦ, τη διαζεπάμη (ΔΖΠ) και την καρβαμαζεπίνη (ΚΒΖ). Συγκεκριμένα, η επώαση των τομών σε ΔΖΠ οδήγησε σε καταστολή των δυναμικών πυροδότησης καθώς και της ρυθμικής δραστηριότητας, ενώ παράλληλα μείωσε τον αριθμό των κυττάρων που εκφράζουν την πρωτείνη Fos και στις τρεις υποπεριοχές του ΙΠΚ. Αυτή η ομολογουμένως εκτεταμένη μείωση της αυθόρμητης δραστηριότητας μπορεί να εξηγεί τις κατασταλτικές επιδράσεις της ΔΖΠ. Αντίθετα, η χορήγηση της ΚΒΖ ανέστειλε αποτελεσματικά τις κρίσεις, ωστόσο η αποτελεσματικότητά της ήταν περιορισμένη στην καταστολή των ενδιάμεσων επιληπτικών εκπολώσεων στην περιχή της ΟΕ. Πέραν της μελέτης των καθιερωμένων ΑΕΦ, διερευνήσαμε τις αντι-επιληπτικές ιδιότητες ενός προσφάτως εγκεκριμένου ΑΕΦ, την κανναβιδιόλη (ΚΒΔ). Επιπλέον, έχοντας ως στόχο τον σχεδιασμό μιας νέας, αποτελεσματικής φαρμακολογικής προσέγγισης για την εξάλειψη των επιληπτικών κρίσεων, διερευνήσαμε τις αντι-επιληπτικές ιδιότητες μιας νέας συνθετικής ένωσης, του GAT1508, ενός εκλεκτικού αγωνιστή των GIRK 1/2, και ενός φυσικού προιόντος που απομονώθηκε από το ελαιόλαδο, την ελαιοκανθάλη (ΕΛΚ) σε ΙΠΚ τομές εγκεφάλου. Οι αντι-επιληπτικές τους ιδιότητες διερευνήθηκαν περαιτέρω μέσω της ταυτόχρονης χορήγησης τους με ΚΒΔ, αποκαλύπτοντας συνεργιστική δράση. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν τριπλάσια μείωση του αριθμού των δυναμικών πυροδότησης σε ΙΠΚ τομές, όταν 5 μΜ ΚΒΔ χορηγήθηκαν ταυτόχρονα με 5 μΜ GAT1508, σε σύγκριση με τη μεμονωμένη χορήγηση 5 μΜ ΚΒΔ ή GAT1508 διαλυμένα σε τεχνητό εγκεφαλονωτιαίο υγρό υψηλής περιεκτικότητας σε Κ+. Όσον αφορά στον άλλον συνδυασμό, παρατηρήσαμε μείωση των δυναμικών πυροδότησης κατά δύο φορές όταν 2,5 μΜ ΚΒΔ χορηγήθηκαν ταυτόχρονα με 20 μΜ ΕΛΚ, σε σύγκριση με την αποτελεσματικότητά τους στη μείωση των δυναμικών πυροδότησης, όταν χορηγήθηκαν χωριστά σε ΙΠΚ τομές που επωάζονταν σε τεχνητό εγκεφαλονωτιαίο υγρό υψηλής περιεκτικότητας σε Κ+.Επιπροσθέτως, η εκτεταμένη εμφάνιση ή διάδοση των επιληπτικών κρίσεων οδηγεί στην εμφάνιση γνωστικών ελλειμμάτων. Στα πλαίσια της μελέτης μας επιδιώξαμε να διερευνήσουμε την επίδραση της εξάσκησης της μνήμης εργασίας (ΕΜΕ) στη συναπτική πλαστικότητα, στην αυθόρμητη δραστηριότητα και στην εμφάνιση επιληπτικών κρίσεων. Για την επίτευξη αυτού, πραγματοποιήσαμε ΕΜΕ σε διαφορετικές ομάδες ενήλικων θηλυκών μυών. Σε προηγούμενη μελέτη που διεξήχθη στο εργαστήριό μας, καταγράψαμε σημαντικές αυξήσεις τόσο στον αριθμό των δενδριτικών ακανθών στον προμετωπιαίο φλοιό ενήλικων αρσενικών μυών, όσο και στην μακρόχρονη συναπτική ενδυνάμωση (ΜΣΕ). Στην παρούσα μελέτη, μέσω της χρώσης Golgi-cox εντωπίσαμε σημαντική αύξηση του αριθμού των ώριμων και των συνολικών δενδριτικών ακανθών στην CA1 υποπεριοχή του ΙΠΚ των θηλυκών μυών. Επιπλέον, παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση της ΜΣΕ έπειτα από 1 και 14 ημέρες μετά την ΕΜΕ. Κατά συνέπεια, η επίδραση της ΕΜΕ ήταν εμφανής για τουλάχιστον 14 ημέρες μετά την εξάσκηση στους ΙΠΚ των θηλυκών μυών, υποδεικνύοντας φυλετικές διαφορές στη συναπτική πλαστικότητα που εντοπίζονται έπειτα απο ΕΜΕ. Επιπλέον, η ΕΜΕ οδήγησε τόσο σε αυξημένα δυναμικά πυροδότησης όσο και σε αυξημένη ρυθμική δραστηριότητα στον ΙΠΚ θηλυκών μυών. Ειδικότερα, η μελέτη μας έδειξε πως η ΕΜΕ παρουσιάζει νευροπροστατευτικές ιδιότητες στην μέιωση των επιληπτικών κρίσεων, καθώς η επώαση των τομών ΙΠΚ σε τεχνητό εγκεφαλονωτιαίο υγρό υψηλής περιεκτικότητας σε Κ+ δεν προκάλεσε παθολογική αύξηση της αυθόρμητης δραστηριότητας στην CA1 περιοχή των θυληκών μυών που είχαν υποβληθεί προηγουμένως σε ΕΜΕ. Ως εκ τούτου, η ΕΜΕ είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του μέσου αριθμού των επιληπτικών κρίσεων που καταγράφηκαν κάθε 7,5 λεπτά, σε ποσοστό 72% , σε σύγκριση με τους θηλυκούς μύες της ομάδας ελέγχου. Συνοψίζοντας, η μελέτη μας σε μια προσπάθεια να άρει τους υπάρχοντες περιορισμούς στην διαχείριση των επιληπτικών κρίσεων αξιοποίησε τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις. Τα αποτελέσματά αυτής, στοχεύουν στην ακριβή πρόβλεψη των επικείμενων κρίσεων, στην ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών θεραπευτικών προσεγγίσεων και τέλος, υποδεικνύοουν πως η ΕΜΕ δρα νευροπροστατευτικά στη μείωση της συχνότητας εμφάνισης των επιληπτικών κρίσεων και κατ’ επέκταση, θα μπορούσε να συμβάλει στη μείωση των γνωστικών ελλειμμάτων.