Differences of In Vitro Electrophysiology of Hippocampal Neurons from Epileptic Patients with Mesiotemporal Sclerosis Versus Structural Lesions

Summary: In vitro electrophysiologic studies of animal hippocampal slice models of epilepsy have generated hypotheses regarding cellular pathophysiologies associated with epileptogenesis. We tested some of these hypotheses using in vitro intracellular recordings of hippocampal neurons from patients with intractable temporal lobe epilepsy. We compared the electrophysiology of hippocampal neurons from 14 patients with mesiotemporal sclerosis with hippocampal neurons from 7 epileptic patients with structural lesions near the hippocampal biopsy. Both spontaneous and stimulus-evoked synaptic function and action potential firing patterns were observed. Presumed pyramidal neurons from sclerotic hippocampus were significantly less likely to display stimulus-evoked inhibitory postsynaptic potentials (IPSPs) and were more likely to fire spontaneously in bursts of action potentials than were hippocampal neurons from patients with structural lesions. No significant differences were detected in spontaneous postsynaptic potentials, spontaneous rhythmic synaptic events, spontaneous or anode break action potentials, stimulus-evoked excitatory postsynaptic potentials, or stimulus-evoked action potential bursts. Cellular membrane parameters were similar in the two groups, including resting membrane potential, action potential amplitude, action potential half-width, action potential threshold, input resistance, time constant, input/output relationship, and afterhyperpolarization amplitude. RESUME Des etudes electrophysiologiques in-vitro de coupes hippocampiques obtenues sur des modeles animaux ont ete la source d'hypotheses concernant la pathophysiologie cellulaire associee a l'epileptogenese. Les auteurs ont teste certaines de ces hypotheses au moyen d'enregistrements intacellulaires in-vitro de neurones hippocampiques obtenus chez des patients presentant une epilepsie intraitable du lobe temporal. IIs ont compare I'electrophysiologie de neurones hippocampiques obtenus chez 14 patients presentant un sclerose temporale mesiale, et celle obtenue au niveau des neurones hippocampiques chez 7 patients epileptiques presentant des lesions struturales a proximite de la biopsie hippocampique. IIs ont etudiea fois la fonction synaptique spontanee et apres stimulus, mais aussi I'organisation des decharges de potentiels d'action. Des neurones presumes pyramidaux obtenus sur les hippocampes sclereux ont presente significativement moins de potentiels postsynaptiques inhibiteurs apres stimulus, ils avaient davantage tendance aemettre des decharges spontanees de potentiels d'action que les neurones hippocampiques de patientes traites pour lesions structurelles. Les auteurs n'ont pas detecte de differences significatives dans les potentiels postsynaptiques spontanes, dans les evenements synaptiques rythmiques spontanes, dans les potentiels d'action spontanes ou induits par anodes, dans les potentiels excitatoires postsynaptiques apres stimulus ou dans le bouffees de potentiels d'action apres stimulus. Les parametres de membranes cellulaires etaient similaires dans les deux groupes, en particulier: le potentiel membrainaire de repos, I'amplitude du potentiel d'action, la demi-bdrgeur du potentiel d'action, le seuil du potentiel d'action, la resistance d'entree, la constante de temps, la relation entre entree et sortie et l'amplitude de la post-hyperpolarisation. RESUMEN Dos estudios electrofisiologicos in vitro en modelos de epilepsia utilizando rodajas del hicpocampo en animales, han generado hipotesis en relacion con las patofisiologias celulares asociadas a la epileptogenesis. Los autores han comprobado algunas de esta hipotesis utilizando registros intracelulares in vitro en neuronas del hipocampo de pacientes con epilepsia del lobulo temporal incontrolable. Se ha comparado la electrofisiologia de las neuronas hipocampicas de 14 enfermos con esclerosis temporal mesial con las neuronas hipocampicas de 7 enfermos epilepticos con lesiones estructurales en la proximidad de la biopsia del hipocampo. Se han observado, tanto la funcion sinaptica espontanea y evocada por estimulos como los patrones de descarga del potencial de accion. Las neuronas piramidales, presumiblemente pertenecientes al hipocampo esclerotico, mostraron una menor tendencia significativa de exhibir potenciales postsinapticos inhibitorios evocados por el estimulo y mostraron una mayor tendencia a presentar brotes espontaneos de potenciales de accion que las neuronas hipocampicas de enfermos con lesiones estructurales. No se observaron diferencias significativas en los potenciales postsinapticos espontaneos, los acontecimientos sinapticos ritmicos espontaneos, los potenciales de accion espontaneos o por ruptura del anodo, los potenciales postsinapticos excitatorios evocados por estimulos o los brotes de potenciales de accion provocados por estimulos. Los parametros de la membrana celular fueron semejantes en los dos grupos incluyendo: potencial de reposo de membrana, amplitud del potencial de accion, umbra1 del potencial de accion, resistencia a la entrada, constante en el tiempo, relacion entrada/salida y amplitud de la posthiperpolarizacion. ZUSAMMENFASSUNG Elektrophysiologische Studien in vitro am tierischen hippocampalen Schnittpraparat- Epilepsiemodell haben verschiedene Hypothesen uber die zellulare Pathophysiologie bei der Epileptogenese geliefert. Wir haben einige dieser Hypothesen an intrazellularen in vitro Ableitungen von hippocampalen Neuronen von Patienten mit therapierefraktarer Temporallappenepilepsie getestet. Wir verglichen die elektrophysiologischen Eigenschaften von hippocampalen Neuronen von 14 Patienten mit mesialer temporaler Sklerose mit hippocampalen Neuronen von 7 epileptischen Patienten mit strukturellen Lasionen in der Nahe der hippocampalen Biopsie. Es wurden die spontane und stimulierte synaptische Aktivitat sowie Aktionspotential-Muster untersucht. Pyramidale Neurone von sklerotischen Hippocampi zeigten signifikant weniger Stimulus-evozierte inhibitorische postsynaptische Potentiale und feuerten eher spontan in Aktionspotential-Ausbriuchen als hippocampale Neurone von Patienten mit strukturellen Lasionen. Es wurden keine signifikanten Unterschiede in den spontanen postsynaptischen Potentialen, spontanen rhythmischen synaptischen Ereignissen, spontanen oder nach Hyperpolarisation ausgelosten Aktionspotentialen sowie in den Stimulus-evozierten exzitatorischen postsynaptischen Potentialen oder den Stimulus-evozierten Aktionspotential-Ausbruchen gefunden. Die zellularen Membranparameter waren in beiden Gruppen gleich einschlieβlich Ruhemembranpotential, Aktionspotentialamplitude, Aktionspotentialbreite, Aktionspotentialschwelle, Eingangswiderstand, Zeitkonstante, InputiOutput-Beziehung und Nachhyperpolarisationsarnplitude.