Bistability in epileptic phenomena

• Autorzy: Suffczyński P. , Kalitzin S. , da Silva F. L.

Warianty tytułu

PL

Bistabilność w układach epileptycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

It is currently believed that the mechanisms underlying spindle oscillations are related to those that generate spike and wave (SW) discharges. The mechanisms of transition between these two types of activity, however, are not well understood. In order to provide more insight into the dynamics of the neuronal networks leading to seizure generation in a rat experimental model of absence epilepsy we developed a computational model of thalamo-cortical circuits based on relevant (patho)physiological data. The model is constructed at the macroscopic level since this approach allows to investigate dynamical properties of the system and the role played by different mechanisms in the process of seizure generation, both at short and long time scales. The main results are the following: (i) SW discharges represent dynamical bifurcations that occur in a bistable neuronal network. (ii) The durations of paroxysmal and normal epochs have exponential distributions, indicating that transitions between these two stable states occur randomly over time with constant probabilities. (iii) The probabilistic nature of the onset of paroxysmal activity implies that it is not possible to predict its occurrence. (iv) The bistable nature of the dynamical system allows an ictal state to be aborted by a single counter-stimulus.

PL

Mechanizm spontanicznego powstawania oraz wygaszania napadów epileptycznych nie jest dobrze poznany. W celu lepszego zrozumienia tych mechanizmów opracowany został model symulacyjny układu wzgórzowo-korowego, odpowiedzialnego za powstawanie napadów nieświadomości u ludzi oraz zwierząt. Model wykorzystuje podejście populacyjne, co pozwoliło na zbadanie właściwości układu w skali krótko- i długoczasowej. Główne wyniki pracy to: (i) napady nieświadomości powstają w bistabilnej sieci neuronalnej, (ii) długości napadów oraz odcinków pomiędzy napadami mają rozkład eksponencjalny, co sugeruje, że przejścia pomiędzy stanem normalnym a napadem odbywają się losowo w czasie ze stałym prawdopodobieństwem (iii) probabilistyczna natura powstawania napadów sugeruje, że nie jest możliwe ich przewidywanie (iv) napady powstające w układzie bistabilnym mogą być zatrzymane poprzez stymulację pojedynczym impulsem elektrycznym.

Słowa kluczowe

EN

absencje seizures; epilepsy; bistability

PL

napady nieświadomości; epilepsja; bistabilność

• Wydawca: Uniwersytet Jagielloński - Collegium Medicum ; Index Copernicus Sp. z o.o.
• Czasopismo: Bio-Algorithms and Med-Systems
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 1, no. 1/2
• Strony: 259--266
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys.

Twórcy

autor

Suffczyński P.

• Zakład Fizyki Biomedycznej, Instytut Fizyki Doświadczalnej, Uniwersytet Warszawski, Warszawa
• Stichting Epilepsje Instellingen Nederland, Heemstede, Holandia

autor

Kalitzin S.

• Stichting Epilepsje Instellingen Nederland, Heemstede, Holandia

autor

da Silva F. L.

• Stichting Epilepsje Instellingen Nederland, Heemstede, Holandia
• Section Neurobiology, Swammerdam Institute for Life Sciences, University of Amsterdam, Amsterdam

Bibliografia

• 1. Amzica F., Massimini M., Manfridi A.: Spatial buffering during slow and paroxysmal sleep oscillations in cortical networks of glial cells in vivo. J. Neurosci. 22(3): 1042-1052, 2002.
• 2. Bal T. and McCormick D. A.: What stops synchronized thalamo-cortical oscillations? Neuron 17: 297-308, 1996.
• 3. Bouwman B. M., van den Broek, P. L. C., van Luijtelaar E. L. J. M., van Rijn C. M.: The effects of vigabatrin on type II spike wave discharges in rats. Neurosci. Lett. 338: 177-180, 2003.
• 4. Crunelli V., Leresche N.: Childhood absence epilepsy: genes, channels, neurons and networks. Nature Rev. Neurosci. 3: 371- 382, 2002.
• 5. Destexhe A.: Can GABAA conductances explain the fast oscillation frequency of absence seizures in rodents? Eur. J. Neurosci. 11: 2175-2181, 1999.
• 6. Destexhe A., Sejnowski T. J.: Interactions Between Membrane Conductances Underlying Thalamocortical Slow-Wave Oscillations. Physiol. Rev. 83: 1401-1453, 2003.
• 7. Doob J. L.: Stochastic Processes. John Wiley & Sons, New York 1953.
• 8. Drinkenburg W. H. I. M., Coenen A. M. L., Vossen J. M. H., van Luijtelaar E. L. J. M.: Spike-wave discharges and sleep-wake states in rats with absence epilepsy. Epilepsy Res. 9: 218-224, 1991.
• 9. Glass L., Mackey M. C.: From Clocks to Chaos: The Rhythms of Life. Princeton University Press, Princeton 1988.
• 10. Hosford D. A., Clark S., Cao Z., Wilson Jr. W. A., Lin F. H., Morriset R. A., Huin A.: The role of GABAB receptor activation in absence seizures of lethargic (lh\lh) mice. Science 257: 398-401, 1992.
• 11. Lennox W.G., Lennox M. A.: Epilepsy and related disorders. Vol.1. Little, Brown and Co., Boston 1960.
• 12. Liu Z., Vergnes M., Depaulis A., Marescaux C.: Involvement of intrathalamic GABAB neurotransmission in the control of absence seizures in the rat. Neuroscience 48: 87-93, 1992.
• 13. Lopes da Silva F. H., Hoeks A., Smits H., Zetterberg L. H.: Model of Brain Rhythmic Activity. The Alpha-Rhythm of the Thalamus. Kybernetic 15: 27-37, 1974.
• 14. Lopes da Silva F. H., Pijn J. P., Velis D., Nijssen P. C. G.: Alpha rhythms: noise, dynamics and models. Int. J. Psychophysiol. 26: 237-249, 1997.
• 15. Marescaux C., Vergnes M., Depaulis A.: Genetic absence epilepsy rat from Strasbourg - A review. J. Neural. Transm. (Suppl.) 35: 37-69, 1992.
• 16. McCormick D. A., Contreras D.: On the cellular and network bases of epileptic seizures. Annu. Rev. Physiol. 63: 815-846, 2001.
• 17. Pumain R., Heinemann U.: Stimulus- and amino acid-induced calcium and potassium changes in rat neocortex. J. Neuro- physiol. 53(1): 1-16, 1985.
• 18. Snead O. C., Depaulis A., Vergnes M., Marescaux Ch.: Jasper 's Basic Mechanisms of the Epilepsies. In: Delgado-Escueta, A.V., Wilson, W.A., Olsen, R.W. and Porter, R.J. (Eds.) Advances in Neurology, Vol. 79: 253-279, Lippincott Williams &Wilkins, Philadelphia, 1999.
• 19. Suffczyński P., Kalitzin S., Lopes da Silva F. H.: Dynamics of non - convulsive epileptic phenomena modeled by a bistable neuronal network. Neuroscience, 126(2): 467-484, 2004.
• 20. Suffczyński P., Lopes da Silva F., Parra J., Velis D., Bouwman B., van Hese P., Carlen P., Kalitzin S.: Dynamics of epileptic phenomena determined from statistics of ictal transitions. Submitted to IEEE TBME, 2005.
• 21. Van Luijtelaar E. L. J. M., Coenen A. M. L.: Two types of electrocortical paroxysms in an inbred strain of rats. Neurosci. Lett. 70: 393-397, 1986.
• 22. Velazquez J. L. P., Khosravani H., Lozano A., Bardakijan B. L., Carlen P. L., Wennberg R.: Type III intermittency in human par- tial epilepsy. Eur. J. Neurosci. 11(7): 2571-2576, 1999.