CMA: Network plasticity in acquired epileptogenesis

Project Summary/ Abstract: Temporal Lobe Epilepsy (TLE) is the most frequent type of post-­traumatic 

epilepsy, causing significant morbidity in the veteran population. Approximately 60% of adult epilepsy cases 

are due to TLE, which is often medication-­resistant requiring surgery. Even after surgery, ~30% of patients 

continue to have ictal events. TLE causes cognitive deficits, including significant executive, memory, and 

neuropsychiatric dysfunction. After initiation by a precipitating event, a seizure-­free “epileptogenic” period 

typically follows before TLE sets in. The network mechanisms that lead to the development of epilepsy during 

this “epileptogenic” period are poorly understood. A deep and precise understanding of these mechanisms is 

critical for developing new, more effective, methods of intervention to treat temporal epilepsy without the side-­ effects of medications and the potential disability of large surgical resections.  

TLE seizures are thought to be initiated at a restricted temporal focus and then entrain cortical networks. Recent 

evidence suggests that a large network of areas, including neocortex, play an active role in TLE. Sheybani et al. 

[7] reports that a self-­sustained epileptic network developed during epileptogenesis, becoming gradually able to 

generate  pathological  electrical  activity  independent  of  the  initial  hippocampal  focus.  Together  with  other 

experimental and clinical observations, this strongly suggests that extra-­hippocampal cortical areas are involved  in epileptogenesis. However, how cortical circuits get modified during epileptogenesis remains unknown. 

We  combine  chronic,  in-­vivo,  large-­field  (Mesoscopic)  two-­photon  microscopy  with  optogenetic  modulation  of 

specific  cortical  interneuron  classes  to  study  at  single-­cell  resolution:  i)  how  aberrant  activity  emerges  in 

neocortical  circuits  over  the  course  of  epileptogenesis  in  the  pilocarpine  model  of  TLE,  and  ii)  whether  it  is 

possible  to  interrupt  the  hippocampo-­cortical  cycle  of  epileptic  activity  by  modulating  optogenetically  specific 

types  of  cortical  interneurons. We  hypothesize  that  hypersynchronous  firing  of parvalbumin  positive (PV+) and 

progressively decreased engagement of SST+ interneurons emerges in cortical circuits during the epileptogenic 

period.  Pathological  circuit  dynamics  will  be  particularly  observed  during  the  200-­400  Hz  high  frequency  oscillations (HFOs) shown to be a marker for circuit hyper-­excitability. 

In aim 1, we measure how the profile of recruitment of different types of cortical neurons during high frequency 

oscillations  (HFOs)  changes  as  a  function  of  time  during  epileptogenesis  in  the  pilocarpine  model  of  TLE.  We 

expect that over time cortical excitability will increase and autonomous hyper-­synchronous activity patterns that 

may be hippocampally independent will emerge.  In aim 2, we will use single-­photon optogenetics with stabilized 

step-­function  opsins  as  well  as  spatial-­light-­modulated  (SLM),  2-­photon,  single-­cell-­specific  optogenetics  to 

causally  interrogate  cortical  circuit  excitability  during  epileptogenesis.  Information  obtained  will  be  critical  for 

identifying cell specific targets for interventions to prevent epileptogenesis and its cognitive sequelae in TLE. 

Overall  Strategy:  The  overall  goal  of  our  collaborative  merit  proposal  is  to  determine  the  key  changes  in 

hippocampal and neocortical circuitry that promotes the development of epilepsy and cognitive dysfunction after 

the  initial  insult.  Aims  of  Other  Proposals:  1.  Wasterlain  will  use  immunocytochemical  techniques,  including 

EM immunocytochemistry, to quantify changes in the GABA receptor expression at the synapse and in the peri-­

synaptic  space.  2.  Naylor  will  use  in-­vitro  slice  patch  clamp  recordings,  optogenetics,  and  computational 

modeling  to  understand  how  the  functional  connectivity  of  different  interneuron  types  changes  during  this  key 

period. 3. Golshani will use a combination of electrophysiological and imaging techniques to understand how the 

activity patterns of defined interneuron types studied by Naylor change in vivo during the epileptogenesis in the 

hippocampus. All studies are independent, yet deeply inform each other, as a multi-­dimensional understanding  will be key for making progress in this highly complex and disabling disorder.