Simultaneous electroencephalogram (EEG)-functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) recordings have seen growing application in the evaluation of epilepsy, namely in the characterization of brain networks related to epileptic activity. In EEG-correlated fMRI studies, epileptic events are usually described as boxcar signals based on the timing information retrieved from the EEG, and subsequently convolved with a hemodynamic response function to model the associated Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) changes. Although more flexible approaches may allow a higher degree of complexity for the hemodynamics, the issue of how to model these dynamics based on the EEG remains an open question. In this work, a new methodology for the integration of simultaneous EEG-fMRI data in epilepsy is proposed, which incorporates a transfer function from the EEG to the BOLD signal. Independent component analysis of the EEG is performed, and a number of metrics expressing different models of the EEG-BOLD transfer function are extracted from the resulting time courses. These metrics are then used to predict the fMRI data and to identify brain areas associated with the EEG epileptic activity. The methodology was tested on both ictal and interictal EEG-fMRI recordings from one patient with a hypothalamic hamartoma. When compared to the conventional analysis approach, plausible, consistent, and more significant activations were obtained. Importantly, frequency-weighted EEG metrics yielded superior results than those weighted solely on the EEG power, which comes in agreement with previous literature. Reproducibility, specificity, and sensitivity should be addressed in an extended group of patients in order to further validate the proposed methodology and generalize the presented proof of concept.

A bstract The units in artificial neural networks (ANNs) can be thought of as abstractions of biological neurons, and ANNs are increasingly used in neuroscience research. However, there are many important differences between ANN units and real neurons. One of the most notable is the absence of Dale’s principle, which ensures that biological neurons are either exclusively excitatory or inhibitory. Dale’s principle is typically left out of ANNs because its inclusion impairs learning. This is problematic, because one of the great advantages of ANNs for neuroscience research is their ability to learn complicated, realistic tasks. Here, by taking inspiration from feedforward inhibitory interneurons in the brain we show that we can develop ANNs with separate populations of excitatory and inhibitory units that learn just as well as standard ANNs. We call these networks Dale’s ANNs (DANNs). We present two insights that enable DANNs to learn well: (1) DANNs are related to normalization schemes, and can be initialized such that the inhibition centres and standardizes the excitatory activity, (2) updates to inhibitory neuron parameters should be scaled using corrections based on the Fisher Information matrix. These results demonstrate how ANNs that respect Dale’s principle can be built without sacrificing learning performance, which is important for future work using ANNs as models of the brain. The results may also have interesting implications for how inhibitory plasticity in the real brain operates.

Abstract Focal epilepsy is associated with intermittent brief population discharges (interictal spikes), which resemble sentinel spikes that often occur at the onset of seizures. Why interictal spikes self-terminate whilst seizures persist and propagate is incompletely understood. We used fluorescent glutamate and GABA sensors in an awake rodent model of neocortical seizures to resolve the spatiotemporal evolution of both neurotransmitters in the extracellular space. Interictal spikes were accompanied by brief glutamate transients which were maximal at the initiation site and rapidly propagated centrifugally. GABA transients lasted longer than glutamate transients and were maximal ∼1.5 mm from the focus where they propagated centripetally. Prior to seizure initiation GABA transients were attenuated, whilst glutamate transients increased, consistent with a progressive failure of local inhibitory restraint. As seizures increased in frequency, there was a gradual increase in the spatial extent of spike-associated glutamate transients associated with interictal spikes. Neurotransmitter imaging thus reveals a progressive collapse of an annulus of feed-forward GABA release, allowing seizures to escape from local inhibitory restraint.

Abstract Focal Cortical Dysplasias (FCDs) are a common subtype of malformation of cortical development, which frequently present with a spectrum of cognitive and behavioural abnormalities as well as pharmacoresistant epilepsy. FCD type II is typically caused by somatic mutations resulting in mTOR hyperactivity, and is the commonest pathology found in children undergoing epilepsy surgery. However, surgical resection does not always result in seizure freedom, and is often precluded by proximity to eloquent brain regions. Gene therapy is a promising potential alternative treatment and may be appropriate in cases that represent an unacceptable surgical risk. Here, we evaluated a gene therapy based on overexpression of the Kv1.1 potassium channel in a mouse model of frontal lobe FCD. An engineered potassium channel (EKC) transgene was placed under control of a human promoter that biases expression towards principal neurons ( CAMK2A ) and packaged in an adeno-associated viral vector (AAV9). We used an established FCD model generated by in utero electroporation of frontal lobe neural progenitors with a constitutively active human RHEB plasmid, an activator of mTOR Complex 1. First, we further characterised this by quantifying electrocorticograms and behavioural abnormalities, both in mice developing spontaneous generalised seizures and in mice only exhibiting abnormal interictal discharges. Then, using continuous video-electrocorticogram recordings from epileptic mice before and after injection of AAV9- CAMK2A -EKC in the dysplastic region, we observed a robust decrease in the frequency of seizures and in interictal activity, compared to mice injected with a control viral vector. Despite the robust anti-epileptic effect of the treatment, there was neither an improvement nor a worsening of performance in behavioural tests sensitive to frontal lobe function. AAV9- CAMK2A -EKC had no effect on interictal activity or behaviour in non-epileptic mice. AAV9- CAMK2A -EKC gene therapy is a promising therapy with translational potential to treat the epileptic phenotype of mTOR-related malformations of cortical development. Cognitive and behavioural co-morbidities may, however, resist an intervention aimed at reducing circuit excitability.

LGI1 (Leucine-Rich Glioma-Inactivated 1) is a secreted trans-synaptic protein that interacts presynaptically with Kv1.1 potassium channels and ADAM23, and postsynaptically, influencing AMPA receptors through a direct link with the ADAM22 cell adhesion protein. Haploinsufficiency of LGI1 or autoantibodies directed against LGI1 are associated with human epilepsy, generating the hypothesis that a subacute reduction of LGI1 is sufficient to increase network excitability. We tested this hypothesis in ex vivo hippocampal slices and in neuronal cultures, by subacutely reducing LGI1 expression with shRNA. Injection of shRNA-LGI1 in the hippocampus increased dentate granule cell excitability and low frequency facilitation of mossy fibers to CA3 pyramidal cell neurotransmission. Application of the Kv1 family blocker, alpha-dendrotoxin, occluded this effect, implicating the involvement of Kv1.1. This subacute reduction of LGI1 was also sufficient to increase neuronal network activity in neuronal primary culture. These results indicate that a subacute reduction in LGI1 potentiates neuronal excitability and short-term synaptic plasticity, and increases neuronal network excitability, opening new avenues for the treatment of limbic encephalitis and temporal lobe epilepsies.

Gamma-band oscillations are implicated in modulation of attention and integration of sensory information. The finding that cross-regional coherence varies with task and performance suggests a role for gamma oscillations in flexible communication among anatomically connected brain areas. How networks become entrained is incompletely understood. Specifically, it is unclear how the spectral and temporal characteristics of network oscillations can be altered on rapid timescales needed for efficient communication. We use closed-loop optogenetic modulation of principal cell excitability to interrogate the dynamical properties of hippocampal oscillations. Gamma frequency and amplitude can be modulated bi-directionally, and dissociated, by phase-advancing or delaying optogenetic feedback to pyramidal cells. Closed-loop modulation alters the synchrony rather than average frequency of action potentials, in principle avoiding disruption of population rate-coding of information. Modulation of phasic excitatory currents in principal neurons is sufficient to manipulate oscillations, suggesting that feed-forward excitation of pyramidal cells has an important role in determining oscillatory dynamics and the ability of networks to couple with one another.

Parvalbumin-expressing (PV+) GABAergic interneurons mediate feedforward and feedback inhibition and have a key role in gamma oscillations and information processing. The importance of fast synaptic recruitment, action potential initiation and repolarization, and rapid synchronous GABA release by PV+ cells is well established. In contrast, the functional significance of PV+ cell NMDA receptors (NMDARs), which generate relatively slow postsynaptic currents, is unclear. Underlining their importance, several studies implicate PV+ cell NMDAR disruption in impaired network function and circuit pathologies. Here, we show that dendritic NMDARs underlie supralinear integration of feedback excitation from local pyramidal neurons onto mouse CA1 PV+ cells. Furthermore, by incorporating NMDARs at feedback connections onto PV+ cells in spiking networks, we show that these receptors enable cooperative recruitment of PV+ interneurons, strengthening and stabilising principal cell assemblies. Failure of this phenomenon provides a parsimonious explanation for cognitive and sensory gating deficits in pathologies with impaired PV+ NMDAR signalling.

Current techniques for monitoring GABA, the primary inhibitory neurotransmitter in vertebrates, cannot follow ephemeral transients in intact neural circuits. We applied the design principles used to create iGluSnFR, a fluorescent reporter of synaptic glutamate, to develop a GABA sensor using a protein derived from a previously unsequenced Pseudomonas fluorescens strain. Structure-guided mutagenesis and library screening led to a usable iGABASnFR (maximum DeltaF/F ~ 2.5, Kd ~ 9 micromolar, good specificity, adequate kinetics). iGABASnFR is genetically encoded, detects single action potential-evoked GABA release events in culture, and produces readily detectable fluorescence increases in vivo in mice and zebrafish. iGABASnFR enabled tracking of: (1) mitochondrial GABA content and its modulation by an anticonvulsant; (2) swimming-evoked GABAergic transmission in zebrafish cerebellum; (3) GABA release events during inter-ictal spikes and seizures in awake mice; and (4) GABAergic tone decreases during isoflurane anesthesia. iGABASnFR will permit high spatiotemporal resolution of GABA signaling in intact preparations.