Generalized Epilepsy with Spike‐and‐Wave Discharge: A Reinterpretation of Its Electrographic and Clinical Manifestations1
Authors: Gloor P. 
Published: November 2007

Summary: Electrophysiological data obtained in generalized penicillin epilepsy of the cat indicate that bilaterally synchronous spike‐and‐wave discharge represents an abnormal response pattern of cortical neurons to afferent thalamocortical volleys normally involved in the elicitation of spindles. Such a response occurs under conditions of diffuse mild cortical hyperexcitability that causes cortical neurons to generate an increased number of action potentials per afferent volley. This secondarily leads to powerful activation of the in‐tracortical recurrent inhibitory pathway. The result is an alternation of short periods of increased cortical excitation corresponding to the EEG spike with longer‐lasting periods of intense cortical inhibition corresponding to the wave component of the spike‐and‐wave complex. This pattern of widespread synchronous oscillation between increased excitation and increased inhibition profoundly disrupts the normal pattern of cortical neuronal activity necessary for sustaining higher nervous functions, i.e., such components of mental activity as perception, cognition, memory, and voluntary motor activity. It is the disruption of these components of mental activity that occurs to a variable degree during generalized spike‐and‐wave discharge, rather than disruption of a more fundamental mechanism of maintenance of consciousness related to the sleep‐wakefulness cycle, which depends on upper brainstem functions, that characterizes the disturbances of higher nervous functions typical for the absence attack. According to the severity and pervasiveness of the disruption of normal cortical activity by the spike‐and‐wave pattern, impairment of mental function may range from an almost imperceptible degree of transient interference with mental processes to complete arrest of mental activity that can be considered as being equivalent to temporary loss of consciousness. Even though the regular alternation between periods of excitation and inhibition appearing synchronously in widespread cortical areas certainly is a highly abnormal pattern in terms of its temporal and spatial organization, the cycles of activities through which individual cortical neurons go during spike‐and‐wave discharge do not exceed the normal range of neuronal excitatory and inhibitory states. More particularly, the more excessive and definitely abnormal state of individual neuronal hyperexcitability, as represented by paroxysmal depolarization shifts that occur in focal epileptogenic lesions, does not seem to be a characteristic of this form of epilepsy. It is therefore proposed that the spike‐and‐wave pattern represents a milder form of epileptic neuronal behavior that can be considered as a first degree of epileptogenesis, whereas activity characterized at the neuronal level by paroxysmal depolarization shifts represents a more intense second degree of epileptogenesis. The two states may coexist in one brain, the first degree of epileptogenesis being, for instance, present diffusely either on a genetic or acquired basis, whereas in a circumscribed area the second degree of epileptogenesis may prevail and give a focal accentuation to both the electro‐graphic and clinical manifestations of an epileptogenic disorder that also exhibits some generalized features. Such a concept facilitates an understanding of the neurobiology of epileptogenic states, for which a multifactorial origin is becoming increasingly more apparent. On a more practical level, this concept makes it easier to understand the frequently encountered but often baffling coexistence of generalized and focal features in the EEGs of individual epileptic patients. The EEG under these conditions may reflect a topographical gradation of a diffuse epileptogenic process.RÉSUMÉLes données électrophysiologiques fournies par L'epilepsie généralisee pénicillinique chez le chat indiquent que les décharges bilatérales et synchrones de pointe‐onde représentent un modèle de réponse anormale des neurones corticaux à des vollées affér‐entes thalamo‐corticales qui sont normalement impliquées dans le déclenchement des fuseaux. Une telle réponse survient sous L'effet D'une légère hypér‐excitabilité corticate diffuse qui est responsable du fait que les neurones corticaux engendrent un nombre accru de potentiels D'action pour chaque vollée afférente. Ce qui conduit secondairement à une puissante activation des voies inhibitrices intracorticales récurrentes. Le resultat de cette interraction est représenté par une alternance de brèves périodes D'excitation corticale accrue, répondant à la pointe du complexe pointe‐onde, et de période plus longues D'inhibition corticale intense correspondant à L'onde lent du dit complexe. Ce modèle D'oscillation synchrone entre une excitation et une inhibition profondes interrompt le modèle D'activité corticale normale nécessaire pour assurer les fonctions nerveuses supérieures, c'est à dire L'activité mentale représentée par les perceptions, la cognition, la mémorisation et L'activité motrice volontaire. C'est <interruption de ces composantes de L'activité mentale au niveau du cortex, bien plus que <interruption D'un mécanisme fondamental du maintien de la conscience en relation avec la régulation due cycle veille‐sommeil dans le tronc cérébral supérieur, qui est responsable de L'alteration des fonctions nerveuses superieures au cours de L'absence. Alteration qui, suivant <importance de la perturbation de L'activité corticale normale par la décharge de pointe‐ondes, peut revêtir tous les aspects depuis une diminution à peine perceptible des fonctions nerveuses supérieures jusqu'à un arrêt complet de ces fonctions qui peut alors être considéré comme équivalent à une perte temporaire de la conscience. Bien que L'alternance régulière de période D'excitation et D'inhibition dans de vastes aires corneals constitue un phénomène hautement anormal en ce qui concerne une organisation globale dans le temps et dans L'espace, les cycles D'activitéà travers lesquels chaque neurone cortical est engagé pendant la décharge de pointe‐onde n'excède pas le niveau normal des états D'excitation ou D'inhibition neuronique. En particulier, on n'observe pas au cours de la décharge de pointe‐onde les états D'hyperexcitabilité neuronique individuelle, excessifs et manifestement anormaux, représentée par les dépolarisations paroxystiques que L'on recontre dans les lésions épileptogènes focales. Ce qui permet D'envisager L'éventualité suivant laquelle la décharge de pointe‐onde représenterait une forme légère du comportement épileptique des neurones; forme qui pourrait être considéré comme un premier degré de L'épileptogénèse, tandis que L'activité caractérisée par des paroxysmes de dépolarisation au niveau neuronique individuel représenterait un second degré, plus intense, de cette épileptogénèse. Ces deux états pourraient D'ailleurs coexister dans le cerveau, le premier degré de L'épileptogénèse étant présent, de façon diffuse, en tant que facteur génétique ou acquis, tandis que, dans une aire corticale limitée, le second degré prévaudrait et serait responsable D'une accentuation focale des manifestations cliniques et ilectrographiques D'un processus épileptogène qui pourrait aussi présenter des caractères généralisés. Un tel concept à L'avantage de faciliter la compréhension de la neurobiologie des états épileptogènes pour lesquels une origine multifactorielle semble de plus en plus évidente. D'un point de vue plus pratique, ce concept permet de mieux comprendre la coexistence fréquante et apparemment étonnante D'éléments généralisés et focaux sur L'électroencéphalogramme D'un même malade épileptique. Dans de telles conditions, en effet, L'E.E.G. pourraît témoigner de la gradation topographique D'un même processus épileptogène diffuse.ZUSAMMENFASSUNGDie elektrophysiologischen Untersuchungen der generalisierten Penicillinepilepsie der Katze weisen darauf hin, daß bilateral synchrone spike und wave Entladungen eine abnorme Antwork kortikaler Neuronen darstellen als Folge von thalamocorticalen Entladungen, die normalerweise an der Auslösung der Spindeln beteiligt sind. Solch eine Antwort erfolgt unter den Bedingungen einer diffusen milden corticalen Hyperexcitabilität, die cortikale Neuronen veranlasst, auf einen afferenten Reiz mit einer erhöhten Anzahl von Aktionspotentialen zu reagieren. Das führt sekundär zu einer mächtigen Aktivierung des intrakortikalen inhibitorischen Systems. Das Ergebnis ist eine Abfolge kurzer Perioden erhöhter cortikaler Reizung, der der EEG spike entspricht mit längerdauernden Perioden einer intensiven kortikalen Hem‐mung, deren Ausdruck die Wellenkomponente des spike wave Komplexes darstellt. Dieses Muster der ausgedehnten synchronen Oszillation zwischen ver‐mehrter Reizung und vermehrter Hemmung unter‐bricht das normale Bild der kortikalen neuronalen Aktivität wesentlich, das notwendig ist für höhere nervöse Leistungen wie z.B. Perception, kognitive Funktion, Gedächtnis und willkürliche motorische Aktivität. Das sind die Komponenten der geistigen Tätigkeit, die in unterschiedlichem Ausmaß während generalisierter spike wave Entladungen unterbrochen werden. So etwas geschieht viel häufiger als die Unterbrechung der mehr fundamentalen Mechanismen des Bewußtseins, die zum Schlaf‐Wach‐Zyklus Beziehung haben und damit abhängig sind von der Funktion des oberen Hirnstamms; seine Unterbrechung kennzeichnet eine Stöning höherer nervöser Funktionen, wie sie während einer Absence eintritt. Entsprechend der Schwere und dem Ausmaß der Unterbrechung normaler kortikaler Aktivität durch das spike wave Muster kann die Beeinträchtigung der geistigen Funktion schwanken zwischen einern fast unerkennbarem Maß einer vorübergehenden Beeinträchtigung geistiger Prozesse bis zu einem völligen Stillstand der geistigen Aktivität, die man einem zeitweisen Verlust des Bewußtseins äquivalent betrachten kann. Obwohl der regelmäßige Wechsel zwischen Perioden der Reizung und Inhibition synchron in ausgedehnten kortikalen Gebieten erscheinen kann und ein hochgradig abnormes Muster hinsichtlich zeitlicher und örtlicher Organisation darstellt, übersteigt der Aktivitätszyklus, dem individuelle kortikale Neurone unterliegen, während der spike wave Entladungen nicht den üblichen Bereich der neuronalen Erregung und Hemmung. Im besonderen scheint der excessive und ein‐deutig abnorme Status der individuellen neuronalen Hyperexcitabilitat wie er durch die Veränderungen der paroxysmalen Depolarisation hervorgerufen wird, die in fokalen epileptogenen Läsionen stattfinden, kein Charakteristikum dieser Form der Epilepsie darzustellen. Es wird deshalb vorgeschlagen, daß die spike wave Muster eine mildere Form des Verhaltens epileptischer Neurone darstellt, die als erster Schritt auf dem Wege der Epileptogenese angesehen werden kann, wahrend die Aktivität, die auf neuronaler Ebene durch paroxysmale Depolarisationsvorgänge dargestellt wird, einen intensiveren zweiten Grad in der Epileptogenese darstellen. Die beiden Zustände mögen in einem Gehirn koexistieren: Der erste Grad der Epileptogenese z.B. diffus vorhanden sein entweder auf genetischer oder erworbener Basis, während in einem umschriebenen Gebiet der 2. Grad der Epileptogenese vorherrschen kann und die elektrographischen und klinischen Manifestationen einer epileptogenen Stöning mit ihren generalisierten Veränderungen fokal akzentuieren kann, solch ein Konzept ermöglicht das verstehen der Neurobiologie epileptogener Zustände, für die eine multifaktorielle Verursachung in zunehmendem Maße deutlich wird. Auch auf einer mehr praktischen Ebene macht solch ein Konzept es leichter, das zu verstehen, was häufig beobachtet wird und auf den ersten Blick verwirrend erscheint: Das gleichzeitige Vorkommen generalisierter und fokaler Entladungen im Elektroencephalogramm einzelner epileptischer Patienten. Das EEG kann unter diesen Bedingungen eine topographische Intensität des diffusen epileptogenen Prozesses widerspiegeln.