Metabolic, Circulatory, and Structural Alterations in the Rat Brain Induced by Sustained Pentylenetetrazole Seizures
Authors: Ingvar Martin , Söderfeldt Birgitta , Folbergrová Jaroslava , Kalimo Hannu , Olsson Yngve , Siesjö Bo K. 
Published: November 2007

Summary: Previous studies have demonstrated that bicuculline‐induced seizures of 1–2 h in duration lead to structural, metabolic, and circulatory alterations in the rat brain. Such alterations were observed even though cerebral oxygenation seemed adequate. In the present study, we explored whether pentylenetetrazole, a convulsant which interferes with ‐v‐aminobutyric acid inhibition by mechanisms other than that of bicuculline, leads to similar structural alterations and to similar cerebral metabolic and circulatory changes. The drug was given to paralyzed and artificially ventilated rats in a dose of 100 mg/ kg i.v., and seizures were allowed to continue for 1–120 min. The onset of seizures was accompanied by a small perturbation of cerebral cortical energy state, but sustained changes were confined to decreases in phosphocreatine, glycogen, and glucose and increases in lactate, pyruvate, and cyclic nucleotides. A sustained increase in free fatty acid concentration was observed, with the largest change occurring in arachidonic acid concentration. In the cerebellum, metabolic perturbation was clearly less pronounced, but cyclic nucleotide concentrations rose substantially. Local cerebral blood flow increased in all but two structures (frontal cortex and caudoputamen), but pronounced interstructural changes occurred. Nerve cell changes and astrocytic swelling were observed in the cerebral cortex. There was marked status spongiosus due to edema, which was mainly astrocytic and most prominent in cortical layer 3 and in parts of hippocampus. Nerve cell changes were of two basic types. The type 1 injured neurons, condensed and triangular in shape, were mainly confined to the edematous areas. Many of them had cytoplasmic vacuoles which on electron microscopy proved to be mainly dilated Golgi cis‐ternae or mitochondria. As compared with bicuculline‐induced epilepsy such abnormal mitochondria appeared to be more frequent. The type 2 neurons had slit‐formed intracytoplasmic and perinuclear vacuoles resulting from dilatation of the endoplasmic reticulum cisternae and the nuclear envelope. The cerebellum looked normal by light microscopy. We conclude that, in the rat, sustained seizure activity induced by pentylenetetrazole is accompanied by alterations in EEG activity, in cerebral metabolism and circulation, and in cell structure similar to those elicited by bicuculline.RÉSUMÉDes travaux antérieurs ont démontré que les crises induites par la bicuculline d'une durée de 1 à 2 heures provoquent des alterations struclurelles du cerveau du rat. Ces études apportent de nombreuses informations sur les modifications mélaboliques cérébrales et les modifications circulatoires concomitantes. Les altérations, qui affectent à la fois les neurones et les cellules gliales, ont été observées même si l'oxygénation cérébrale paraît adéquate et certaines ď entre elles persistent après Ľ arrêt de Ľ activité critique, suggérant que des lésions neuronales irré‐versibles se sont produites dans le néo‐cortex et dans la formation hippocampique. Dans cette étude, nous avons recherché si le pentylènetétrazol (Metrazol), un convulsivant dont il a ete rapporté qu'il interfère avec Ľ inhibition du GABA par ď autres mécanismes que la bicuculline, provoque des altérations structurelles similaries et des modifications métaboliques et circulatoires semblables. Le médicament a été injecté par voie IV à la dose de 100 mg/kg à des rats paralysés et artificiellement venulés. Ľ on a laissé continuer la crise entre 1 et 120 minutes. On étéétudiés L'EEG, les phosphates labiles, les métabolites gly‐colytiques, les nucleotides cycliques (à 1,60 et 120 minutes), les acides gras libres (à 1,5,60,120 minutes) et les modifications structurelles (120 minutes). Le début des crises s'accompagnait d'une légère perturbation de L'état énergétique cérébral cortical, les modifications durables étaient confinées à une diminution de la phosphocréatine, du glycogéne et du glucose, et à une augmentation des lactates, des pyruvates et des nucleotides cycliques. Une augmentation durable de la concentration des acides gras libres a été observée, la modification la plus importante étant celle de la concentration de Ľ acide arachidonique. Dans le cervelet, les perturbations métaboliques étaient nettement moins prononcées mais les concentrations des nucléotides cycliques augmentaient substantiellement. Le débit sanguin cérébral local augmentait partout, sauf dans 2 structures (le cortex frontal et la région putamino‐caudée). Mais des modifications structurelles prononcées sesont produites et Ľon n'a pas observé de modification du débit sanguin dans la période entre 60 et 120 minutes. Des modifications des cellules nerveuses et un gonflement des astrocytes ont été observés dans le cortex cérébral. Il y avait un état spongieux marqué en relation avec un oedéme affectant principalement les astrocytes et prédominant dans la couche 3 du cortex. Les modifications des cellules nerveuses étaient de deux types principaux: les lésions neuronales de type I (neurones condensés et triangulaires) étaient surtout présentes dans les zones oedémateuses. Beaucoup de neurones avaient des vacuoles cytoplasmiques dont Ľ examen en microscopie électronique montrait qu'il s'agissait surtout de citernes de Golgi dilatées ou de mitochondries. De telles anomalies mitochondriales étaient plus fréquentes que dans Ľépilepsie induite par la bicuculline. Les neurones type II avaient des vacuoles intracyto‐plasmiques et périnucléaires résultant de dilatation des citernes du réticulum endoplasmique et de Ľ'envelopee nucléaire. Un état spongieux marqué et des modifications des cellules nerveuses ont été aussi observés dans Ľ hippocampe mais le cervelet était normal au microscope optique. Nous concluons que chez le rat, une activité critique prolongée produite par le Metrazol est accompagnée par des modifications de Ľ EEG. du métabolisme et de la circulation cérébrale et des structures cellulaires semblables à celles produites par la bicuculline.RESUMENEstudios previos han demostrado que los ataques de 1–2 horas de duración, inducidos por la bicuculina, producen alteraciones estructurales en el cerebro de rata y, estos estudios, aportan amplia informacion sobre los cambios metabólicos y circulatorios accompañantes. Tales alteraciones. que afectan por igual a neuronas y glía, aparecieron incluso en condiciones adecuadas de oxigenación y, por lo menos, algunas persistieron después de la iterrupción de la actividad comicial, lo que sugiere la producción de una lesión neuronal irreversible en el neocortex y el hipocampo. En este estudio planteamos si el pentilentetrazol (Metrazol), un convulsivante que parece interferir la inhibition del GABA a través de mecanismos distintos de los de la bicuculina, produce cambios estructurales, metabólicos y circulatorios, similares. La medicateón fué administrada a ratas parali‐zadas y ventiladas artificialmente en dosis de 100 mg/kg i.v. y se permitió que los ataques durasen de 1 a 120 min para permitir el estudio del EEG, fosfatos lábiles, metabolitos glicoliticos y nucleótidos ciclicos a 1, 60 y 120 min, de ácidos grasos libres a 1, 5, 60 y 120 min y de cambios estructurales a los 120 min. El comienzo de los ataques se asoció a una pequeña perturbación del estado de energyía de la corteza cerebral y cambios prolon‐gados se limitaron a reducciones de la fosfocreatina, glicógeno y glucosa e incrementos del lactate priuvato y nucleótidos cíclicos. Se observó un aumento prolongado de la concentrateón de ácidos grasos libres y la más elevada fué la del ácido araquidónico. En el cerebelo, la perturbación metabólica fué clara‐mente menos pronunciada pero la concentración de nucleótido cíclico aumentó sustancialmente. El flujo cerebral regional aumentó en todas las estructuras menos en la corteza frontal y el caudoputamen pero se observaron cambios interestructurales pronunciados sin que aparecieran reducciones del flujo cerebral en un periodo de 60 a 120 min. En la corteza cerebral se observaron cambios de las células nerviosas e hinchazón de los as‐trocitos. Había un marcado status spongiosus debido al edema, sobre todo astrocitico, muy prominente en la capa 3 de la corteza. Los cambios neuronales eran de dos tipos. El tipo 1 de neuronas lesionadas, condensadas y triangulares, estaba confinado a las zonas edematosas. Muchas de las neuronas tenían vacuolas cytoplasmáticas que, en microscopia electrónica, se identificaron como cisternas de Golgi dilatadas o mitocondrias. En relatión con la epilepsia inducida por la bicuculina, estas mitocondrias aparecieron más frecuentemente. El tipo 2 de neuronas tenían vacuolas intraprotoplásmicas y perinucleares formadas por hendiduras que resultaban de la dilatatión de las cisternas del retículo endoplásmico y de la envoltura nuclear. En el hipocampo también se observaron un marcado status spongiosus y cambios neuronales, pero el cerebelo tenía un aspecto histológico normal. Concluimos que, en la rata, la actividad convulsiva mantenida inducida por el Metrazol, se acompaña de alteraciones en la actividad del EEG, el metabolismo y la circulateón cerebral y en la estructura cerebral, similares a las que produce la bicuculina.ZUSAMMENFASSUNGDie Studien haben gezeigt, daß Bicuculin Anfälle von I bis 2 Stunden Dauer zu strukturellen Veränderungen im Rattengehirn führen. Diese Untersuchungen haben zu sehr genauer Information über die begleitenden Veränderungen metabolischer und circulatorischer Art geführt. Solche Veränderungen, die sowohl Neuronen als Gliazellen betrafen, wurden beobachtet, obwohl die cerebrale Oxygenierung adäquat schien; mindestens einige von ihnen persistierten nach Aufhören der Anfallsaktivität. Das deutet darauf hin, daß irreversible neuronale Schädigungen im Neokortex und im Hippokampus erfolgt sein müssen. In der vor‐liegenden Arbeit untersuchten wir, ob Pentylenetetrazol (“Metrazol”) ein Konvulsivum von dem berichtet wurde, daß es mit der GABA‐inhibition durch Mechanismen interferiert, die sich von denen des Bicucullins unterscheiden, auch zu ähnlichen strukturellen Veränderungen und zu ähnlichen Veränderungen des Hirnstoffwechsels und des Kreislaufs führt. Das Medikament wurde paralysierten und künstlich beatmeten Ratten in einer Dosis von 100 mg pro kg i.v. gegeben. Die Anfälle dauerlen 1 bis 120 Minuten, um Veränderung des EEG‐Musters, der la‐bilen Phosphate, der glycolytischen Metabolite und der cy‐clischen Nucleotide (1,60 und 120 Min) der freien Fettsäuren (1, 5, 60, 120 Min) und der Hirnstruktur (120 Min) feststellen zu können. Der Krampfbeginn wurde von kleinen Veränderungen des cerebralen cortikalen Energiezustands begleitet; ausgeprägte Veränderungen beschrankten sich auf die Abnahme von Phosphocreatinin, Glykogen und Glucose und die Zunahme von Lactat, Pyruvat und cyclischen Nucleotiden. Es wurde außerdem eine ausgepréte Zunahme der freien Fettsäurekonzen‐tration beobachtet; die stärksten VeraInderungen geschahen in der Konzentration der Arachidonsäure. Im Kleinhirn waren die Stoffwechselveränderungen eindeutig geringer; allerdings stieg die Konzentration der cyclischen Nucleotide deutlich an. Die lokale Durchblutung erhöhte sich in alien Strukturen mit Aus‐nahme des frontalen Kortex und des Caudoputamen. Dennoch ereigneten sich ausgeprägte interstrukturale Veränderungen obwohl in der Periode 60 bis 120 Minuten keine Abnahme der CBF beobachtet wurde. Im cerebralen Kortex waren Veränderungen der Nervenzellen und Schwellung der Astrozyten zu sehen. Ein Status spongiosus aufgrund eines Odems, das hauptsächlich die Astrozyten betraf, war deutlich und am stärksten in der 3. kor‐tikalen Schicht. Zwei grundlegende Typen von Nervenzellver‐anderungen geschahen: (1) Die Neuronen verdichteten sich und wurden dreieckig; diese Veränderungen waren auf die ödematösen Gegenden beschränkt. Viele von ihnen zeigten zytoplas‐matische Vakuolen, die sich im Elektronenmikroskop hauptsächlich als dilatierte Golgi‐Zysternen und Mitochondrien zeigten. Verglichen mit der bicucullininduzierten Epilepsie schi‐enen häufiger abnorme Mitochondrien vorzukommen. (2) Diese Neuronen hatten schlitzförmige intracytoplastische und perinu‐cleäre Vakuolen aufgrund einer Erweiterung der Zysternen des endoplasmatischen Retikulums und der Kernhülle. Auch im Hippokampus sah man einen deutlichen Status spongiosus und Veränderungen der Nervenzellen; das Cerebellum hingegen schaute mikroskopisch normal aus. Wirfolgern daraus, daß bei der Ratte eine anhaltende Krampfaktivität–durch Metrazol induziert – von ähnlichen Veränderungen der EEG‐Aktivität, des Hirnstoffwechsels und der Durchblutung und der Zellstruktur begleitet werden wie die durch Bicucullin hervorgerufenen.