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Dynamic changes of depolarizing GABA in a computational model of epileptogenic brain: Insight for Dravet syndrome

Authors :
Olivier Dulac
Polina Kurbatova
Rima Nabbout
Fabrice Wendling
Anna Rosati
Renzo Guerrini
Patrice Nony
Catherine Chiron
Anna Kaminska
Catherine Cornu
Gérard Pons
Pascal Benquet
Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE)
Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire Traitement du Signal et de l'Image (LTSI)
Université de Rennes (UR)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
Epilepsies de l'Enfant et Plasticité Cérébrale (U1129)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
Pediatric Neurology Unit and Laboratories
Università degli Studi di Firenze = University of Florence (UniFI)-Children's Hospital A. Meyer
IRCCS Fondazione Stella Maris [Pisa]
Evaluation et modélisation des effets thérapeutiques
Département biostatistiques et modélisation pour la santé et l'environnement [LBBE]
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE)
CIC CHU Lyon (inserm)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
CRESIM/EpiCRESIM Study Group
Leon Aarons, Corinne Alberti, Agathe Bajard, Pascal Benque t, Yves Bertrand, Frank Bretz, Daan Caudri, Charlotte Castellan, Sylvie Chabaud, Catherine Chir on, Catherine Cornu, Frank Dufour, Nathalie Eymard, Roland Fisch, Renzo Guerrini, Vinc ent Jullien, Behrouz Kassai, Polina Kurbatova, Salma Malik, Rima Nabbout, Patrice Nony, Kayode Ogungbenro, David Pérol, Gérard Pons, Anna Rosati, Harm Tiddens, Fabrice Wendling.
ANR-11-INBS-0011,NeurATRIS,Infrastructure de Recherche Translationnelle pour les Biothérapies en Neurosciences(2011)
Senhadji, Lotfi
Infrastructures - Infrastructure de Recherche Translationnelle pour les Biothérapies en Neurosciences - - NeurATRIS2011 - ANR-11-INBS-0011 - INBS - VALID
Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive ( LBBE )
Université Claude Bernard Lyon 1 ( UCBL )
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS )
Laboratoire Traitement du Signal et de l'Image ( LTSI )
Université de Rennes 1 ( UR1 )
Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM )
Epilepsies de l'Enfant et Plasticité Cérébrale ( U1129 )
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ) -Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM )
Children's Hospital A. Meyer-University of Florence
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM )
ANR-11-INBS-0011/11-INBS-0011,NeurATRIS,Infrastructure de Recherche Translationnelle pour les Biothérapies en Neurosciences ( 2011 )
Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
Università degli Studi di Firenze = University of Florence [Firenze] (UNIFI)-Children's Hospital A. Meyer
Source :
Experimental Neurology, Experimental Neurology, 2016, 283 (Pt A), pp.57-72. ⟨10.1016/j.expneurol.2016.05.037⟩, Experimental Neurology, Elsevier, 2016, 283 (Pt A), pp.57-72. 〈10.1016/j.expneurol.2016.05.037〉, Experimental Neurology, Elsevier, 2016, 283 (Pt A), pp.57-72. ⟨10.1016/j.expneurol.2016.05.037⟩
Publication Year :
2016
Publisher :
HAL CCSD, 2016.

Abstract

Abnormal reemergence of depolarizing GABAA current during postnatal brain maturation may play a major role in paediatric epilepsies, Dravet syndrome (DS) being among the most severe. To study the impact of depolarizing GABA onto distinct patterns of EEG activity, we extended a neural mass model as follows: one sub-population of pyramidal cells was added as well as two sub-populations of interacting interneurons, perisomatic-projecting interneurons (basket-like) with fast synaptic kinetics GABAA (fast, I1) and dendritic-projecting interneurons with slow synaptic kinetics GABAA (slow, I2). Basket-like cells were interconnected to reproduce mutual inhibition mechanisms (I1➔I1). The firing rate of interneurons was adapted to mimic the genetic alteration of voltage gated sodium channels found in DS patients, SCN1A(+/-). We implemented the "dynamic depolarizing GABAA" mediated post-synaptic potential in the model, as some studies reported that the chloride reversal potential can switch from negative to more positive value depending on interneuron activity. The "shunting inhibition" promoted by GABAA receptor activation was also implemented. We found that increasing the proportion of depolarizing GABAA mediated IPSP (I1➔I1 and I1➔P) only (i.e., other parameters left unchanged) was sufficient to sequentially switch the EEG activity from background to (1) interictal isolated polymorphic epileptic spikes, (2) fast onset activity, (3) seizure like activity and (4) seizure termination. The interictal and ictal EEG patterns observed in 4 DS patients were reproduced by the model via tuning the amount of depolarizing GABAA postsynaptic potential. Finally, we implemented the modes of action of benzodiazepines and stiripentol, two drugs recommended in DS. Both drugs blocked seizure-like activity, partially and dose-dependently when applied separately, completely and with a synergic effect when combined, as has been observed in DS patients. This computational modeling study constitutes an innovative approach to better define the role of depolarizing GABA in infantile onset epilepsy and opens the way for new therapeutic hypotheses, especially in Dravet syndrome.

Details

Language :
English
ISSN :
00144886 and 10902430
Database :
OpenAIRE
Journal :
Experimental Neurology, Experimental Neurology, 2016, 283 (Pt A), pp.57-72. ⟨10.1016/j.expneurol.2016.05.037⟩, Experimental Neurology, Elsevier, 2016, 283 (Pt A), pp.57-72. 〈10.1016/j.expneurol.2016.05.037〉, Experimental Neurology, Elsevier, 2016, 283 (Pt A), pp.57-72. ⟨10.1016/j.expneurol.2016.05.037⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....cb65d6a5444028fa6b900a4fbbfd666f