Ripple Oscillation, Epilepsy, Human, Macroelectrode, Microelectrode, Intracranial, Single Unit Activity
Discipline
Biological basis of neurological and psychiatric disorders (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)
30 %
Biological basis of neurological and psychiatric disorders (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Ortelius classification: Neurophysiology
Panel
Neurosciences
Department or equivalent
Országos Klinikai Idegtudományi Intézet (National Institute of Neurosurgery)
Starting date
2011-09-01
Closing date
2014-08-31
Funding (in million HUF)
21.351
FTE (full time equivalent)
2.40
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései Egyre növekvő számú bizonyíték támasztja alá, hogy a magas frekvenciás oszcillációk (MFO, >80Hz) és ripple (fodor) oszcillációk fokális epilepsziában az epileptogén zóna elhelyezkedését jelzik. Célunk, hogy megismerjük ezen oszcillációk lokális neuronhálózati tulajdonságait, és jobb rálátásunk alakuljon ki ezek kóros, vagy fiziológiás jellegéről. Spontán és kérgi elektromos stimulációval (KES) kiváltott fodor oszcillációkat tervezünk regisztrálni epilepszia sebészeti betegekben koponyán belüli mikro-, és makroelektródák alkalmazásával, hogy leírjuk azok kérgi szerveződési mintázatait, jellemezzük a bevont kérgi területek nagyságát, és elemezzük azok kapcsolatát a kóros, és a fiziológiás agyi aktivitásokkal, úgy mint interiktális tüskék (IIT), rohamok, és alvásfüggő oszcillációk. Alvás alatti memóriamegőrzést mérő tesztet fogunk végezni, hogy mérhessük a fodrok bevonódását a memória-folyamatokba. Vizsgálataink eredményeként azt várjuk, hogy különböző frekvenciájú fodor aktivitásokat találunk különböző kérgi doménekhez kötve, mind az agyfelszín mentén, mind a kéreg rétegeinek megfelelően. A különböző komponenseket később akár arra is használhatjuk, hogy jellemezzük a fodor oszcillációk kóros, vagy fiziológiás természetét. A tervezett mérések elengedhetetlenek, hogy megértsük a kóros, és az egészséges agyi működések kapcsolatát. Az általunk kutatni kívánt módszer későbbiekben használhatóvá válhat arra, hogy jóslatot fogalmazzunk meg az epileptogén zóna méretéről, eképp tervezhetővé válhat a műtét sikere, és az okozott neuropszichológiai deficit.
Mi a kutatás alapkérdése? A legfontosabb célunk, hogy megtaláljuk a fodor oszcillációk agykérgi generátorait. Hipotézisünk szerint, támaszkodva korábbi hasonló méréseink eredményére, a különböző frekvenciájú, klasszikusan a gyors (200 Hz körül) és a lassú (100 Hz körül) kategóriába sorolt fodor komponensek időben összefüggnek, és a kérgi domének szerint térben szétválnak. Szeretnénk jellemezni ezt a szétválást a helyi neuronhálozatok működésének szintjén, és elemezni ennek függését a kérgi aktiváció állapotától, valamint a rohamoktól. Szeretnénk KES ingerlés alkalmazásával fodrokat kiváltani, és gátolni. A hipotézisünk szerint a fodor oszcillációk az IIT-kkel egyidőben fognak jelentkezni, és ennek megfelelően az alvás alatti, illetve kórosan, ébrenlétben aktiválódott lassú hullámú tevékenység egy meghatározott fázisában fognak megjelenni. Szintén feltételezzük, hogy KES ingerekkel sikerül majd fodrokat kiváltani. A fiziológiás agyi folyamatokkal való összefüggés vizsgálata érdekében alvás alatti memóriamegőrzési tesztet fogunk végezni. A mért adatok alapján szeretnénk támpontot kapni arra vonatkozóan, hogy miként lehet a fodor oszcillációkat kóros illetve fiziológiás funkcióval biró csoportokba osztani.
Mi a kutatás jelentősége? A fodor genezis megértése manapság az epileptológia egyik legsürgetőbb kérdése. Az általunk alkalmazni kívánt megközelítés, amely különböző méretű mikro-, és makroelektródák kombinációját használja, információt szolgáltathat a helyi neuronhálózati tevékenységről illetve egysejt aktivitásról a nagyobb méretű neuronhálózati aktivitással összefüggésben. Az agykérgen belüli események leírása megmutathatja számunkra azokat a kérgi elemeket amelyek elengedhetetlenek a fodor kialakulásához, eképp lényegi funkciót töltenek be a kéreg epilepsziás aktiválódásában. Az általunk tervezett kutatás azzal az előnnyel is bír az állatkísérletes megközelítésekkel szemben, hogy emberben tervezünk mérni, ami sokkal relevánsabb adatokkal szolgál. A fodor oszcillációk változékonyságának, illetve a KES ingerre adott válaszaik elemzése hozzájárulhatnak olyan korszerű diagnosztikus eszközök kifejlesztéséhez, amik a rohamok előrejelzését, illetve megelőzését célozzák. Szeretnénk elemezni a fodrok részvételét a beteg kognitív folyamatai alatt. Így azt az alapvető kérdést szeretnénk megközelíteni, hogy miként függnek össze, illetve miként károsítják az agy kóros aktivitásai a normális funkciókat, illetve fordítva miként járulnak hozzá a fiziológiás hálózati működések a kóros aktivitás kialakulásához. Ez irányban leszűkítettük a kérdéseinket, és csak az alvás alatti memóriamegőrzést szeretnénk vizsgálni, amit korábban a fodrokkal összefüggésben nem kutattak emberben. Korábbi állat és ember adatokra támaszkodva azt gondoljuk, hogy jó eséllyel tudunk összefüggést kimutatni. A tervezett kutatás eredményei segíthetnek a kóros és az egészséges agyi oszcillációk közti különbség leírásához, és egy általánosabb keret-hipotézis felállításához az epilepsziában.
Summary
Summary of proposed research Increasing body of evidence shows that high frequency oscillations (HFOs, higher than 80Hz) and ripple oscillations are markers of epileptogenic area in focal epilepsies. Our goal is to gain a better understanding of the neural network mechanisms of these oscillations and have a better insight to their pathologic and physiologic nature. We intend to measure spontaneous and electrically evoked (CES, Cortical Electrical Stimulation) ripple oscillations in epilepsy surgery patients using intracranial macro- and microelectrodes to describe their intracortical organization patterns, the involved cortical surface area and analyze their relationships to both pathologic and physiologic brain activities, like interictal discharges (IIDs), seizures, and sleep related oscillations. We will perform overnight learning tasks to study the involvement in memory processes. We expect our results to describe various frequency ripple activities in certain cortical domains both along the cortical surface and cortical depth. The various components might be used to further characterize the physiological and pathological nature of these oscillations. These data are essential to understand the interaction of pathological and physiological brain activities. Using this method we might be able to build predictions on the size of epileptogenic area, thus on the effect of the planned surgery and the caused neuropsychological deficit.
What is your research question? Our main goal is to resolve the intracortical generators of the ripple oscillations. We hypothesize, based on our preliminary studies that different frequency components traditionally classified into slow (around 100Hz) and fast ripple (around 200Hz) categories coincide in time and are separated in cortical domains. We want to characterize the neuronal network mechanisms of this separation, and study its interdependence with the activation states of the cortex, along with their dependence on the seizures. We would like to study the relationship of ripple oscillations to physiologic and pathologic brain potentials and oscillations. We want to use CES to evoke or suppress ripple oscillations. According to our hypothesis the ripple oscillations will be coincident with IIDs thus will appear in a particular phase of the sleep-related and pathologically activated slow oscillations. We also hypothesize that ripples will appear after electrical stimuli. To further characterize the relationship with physiological processes, we want to do overnight memory consolidation tests. Based on these studies we would like to give answers to the ongoing debate about the physiological role of ripples, and provide tools to make distinctions about their physiological or pathological nature.
What is the significance of your research? Understanding the mechanism of ripple genesis is highly needed in epilepsy nowadays. Our unique approach using different scale surface macro- and intracortical microelectrodes gives information on the local network and single neuronal mechanisms relative to the larger scale neuronal network activity. The description of the intracortical sequence of events during ripple oscillations may specify those cortical elements that are involved in their generation, thus have significant effect on the epileptic activation of the cortex. Our study design provides the possibility to investigate human patients that has big advantages compared to animal research in terms of relevancy. The understanding of the variability of ripple oscillations and their response to cortical electrical stimulation may contribute to advanced diagnostic tools serving seizure prediction and later seizure prevention techniques. We want to study the relationship of the ripple oscillations and the cognitive performance of the patient. With this approach we would like to address a fundamental question in epileptology, how do pathological activities interact with normal functions and how do they compromise them, and, on the other hand, how do the physiological network mechanisms contribute to the development of pathologic activities. We narrowed our search to sleep related memory consolidation, the relationship of which to ripple activity has never been studied in humans. Based on previous animal and human studies we think we have a good chance to demonstrate such interactions. The results of this research may contribute to arrange epileptic and physiological brain oscillations to build a more generalized framework hypothesis of epilepsy.
Final report
Results in Hungarian
A pályázat keretein belül epilepsziás betegekben vizsgáltuk mikro-, és makroelektródokkal a magas frekvenciás oszcillációk jelenlétét (MFO). A legfontosabb eredényünk, hogy le tudtuk írni a rövid latenciájú kiváltott MFO (rlkMFO)-k jelenlétét a hippocampusban, ami az agykéreg elektromos ingerlésével váltható ki. Minden hippocampális terület képes volt ilyen válaszra, de a legaktívabb, és legmagasabb frekvenciájú válaszokat a szubikulum adta. Ez az aktivitás úgy tünt a hippocampális sclerosis súlyosságától függött, ami CA1 régió sejveszteségében nyilvánul meg. Hasonló mikroelektródával éber körülmények között leírtunk egy MFO típust, ami az epilepsziás tüskékre specifikus. Ez az agykéreg felső rétegeiben jelentkezett 100-130Hz frekvenciával. Megpróbáltuk a hippocampális vagy kérgi MFO-kat a betegek memória telejsítményéhez kötni, de azt találtunk, hogy az alvási orsó -, így hipotetikusan MFO- függő memória feldolgozás megváltozik epilepsziás betegeken, így a konklúziók levonásához további vizsgálatok szükségesek a betegek alvási orsóinak vizsgálatára beültett elektródok nélkül.
Összegzésként a vizsgálatok során mélyebb betekintést nyertünk a kérgi, és hippocampális MFO-k szerveződésére, ami az epilepsziás rohamok kialakulásának megértését segíti. Eredményeink alapján új agyi stimulációs eljárást fejleszthetünk ki epilepsziás és idegsebészeti betegek számára az agykéreg epilepsziás természetének műtét alatti vizsgálatához.
Results in English
We investigated human epileptic patients with implanted macro-, and microelectrodes to study high frequency oscillation (HFO). Our main result is that we were able to describe short latency evoked HFO (sleHFO) in the hippocampus (Hc) as a response to cortical electric stimulation. All the hippocampal areas were able to perform sleHFO, but subiculum was the most active and highest in frequency. The subicular activation seemed to depend on the severity of hippocampal sclerosis with cell loss in the CA1 area. Using similar microelectrodes in awake conditions we described the HFOs associated to epileptic spikes (ES) in the neocortex. We described a subgroup of HFO that follows ESs selectively in the upper cortical layers around 100-130Hz. We tried to link hippocampal, or cortical MFOs to memory performances but we found that the sleep spindle -, and thus hypothetically MFO-, dependent memory processes change in epilepsy that we require more research in patients to study sleep spindles without invasive electrodes to conclude our results.
As a conclusion we gained higher understanding on the cortical and hippocampal organization of epilepsy specific HFOs, that helps to understand the generation of epileptic seizures. Based on these results we might be able to utilize a new stimulation paradigm to study the epileptogenic nature of the hippocampus in epileptic or general neurosurgical cases.
: High frequency oscillations in the human hippocampal formation using single pulse cortical electrical stimulation, , 2016
: Laminar organisation of high frequency oscillation in the human brain, , 2015
Virag M, Janacsek K, Horvath A, Bujdoso Z, Fabo D, Nemeth D: Competition between frontal lobe functions and implicit sequence learning: evidence from the long-term effects of alcohol, EXP BRAIN RES 233: (7) 2081-2089, 2015
Virág M, Janacsek K, Fabó D, Nemeth D: Learning and memory in patients with temporal lobe epilepsy and hippocampal sclerosis, IBRO Workshop 2014, 16-17 January, Debrecen, Hungary. , 2014
Clemens Z, Borbely C, Weiss B, Eross L, Szucs A, Kelemen A, Fabo D, Rasonyi G, Janszky J, Halasz P: Increased mesiotemporal delta activity characterizes virtual navigation in humans., NEUROSCI RES 76: (1-2) 67-75, 2013
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: (Országos Mentális, Ideggyógyászati és Idegsebészeti Intézet), Új kutatóhely: Országos Klinikai Idegtudományi Intézet (Országos Mentális, Ideggyógyászati és Idegsebészeti Intézet).
