Abstract Cooperative interactions between the amygdala and hippocampus are widely regarded as critical for overnight emotional processing of waking experiences, but direct support from the human brain for such a dialog is absent. Using intracranial recordings in four pre-surgical epilepsy patients (two male, two female), we discovered ripples within human amygdala during non-rapid eye movement (NREM) sleep. Like hippocampal ripples, amygdala ripples are strongly associated with sharp waves, are linked to sleep spindles, and tend to co-occur with their hippocampal counterparts. Moreover, sharp waves and ripples are temporally linked across the two brain structures, with amygdala ripples occurring during hippocampal sharp waves and vice versa . Combined with further evidence of interregional sharp wave and spindle synchronization, these findings offer a potential physiological substrate for the NREM-sleep-dependent consolidation and regulation of emotional experiences.

ABSTRACT Objectives Temporal lobe epilepsy (TLE) is commonly associated with mesiotemporal pathology and widespread alterations of grey and white matter structures. Evidence supports a progressive condition although the temporal evolution of TLE is poorly defined. This ENIGMA-Epilepsy study utilized multimodal magnetic resonance imaging (MRI) data to investigate structural alterations in TLE patients across the adult lifespan. We charted both grey and white matter changes and explored the covariance of age-related alterations in both compartments. Methods We studied 769 TLE patients and 885 healthy controls across an age range of 17-73 years, from multiple international sites. To assess potentially non-linear lifespan changes in TLE, we harmonized data and combined median split assessments with cross-sectional sliding window analyses of grey and white matter age-related changes. Covariance analyses examined the coupling of grey and white matter lifespan curves. Results In TLE, age was associated with a robust grey matter thickness/volume decline across a broad cortico-subcortical territory, extending beyond the mesiotemporal disease epicentre. White matter changes were also widespread across multiple tracts with peak effects in temporo-limbic fibers. While changes spanned the adult time window, changes accelerated in cortical thickness, subcortical volume, and fractional anisotropy (all decreased), and mean diffusivity (increased) after age 55 years. Covariance analyses revealed strong limbic associations between white matter tracts and subcortical structures with cortical regions. Conclusions This study highlights the profound impact of TLE on lifespan changes in grey and white matter structures, with an acceleration of aging-related processes in later decades of life. Our findings motivate future longitudinal studies across the lifespan and emphasize the importance of prompt diagnosis as well as intervention in patients.

RNA therapies such as oligonucleotides (OGNs) offer precision treatments for a variety of neurological diseases, including epilepsy but their deployment is hampered by the blood brain barrier (BBB). Here we used brain imaging and assays of serum proteins and tracer extravasation, to determine that BBB disruption occurring after status epilepticus in mice was sufficient to permit passage of systemically-injected antisense OGNs targeting microRNA-134 (Ant-134) into the brain parenchyma. A single intraperitoneal injection of Ant-134 two hours after status epilepticus in mice resulted in potent suppression of spontaneous recurrent seizures, reaching a 99.5% reduction during recordings at three months. The duration of spontaneous seizures, when they occurred, was also reduced in Ant-134-treated mice. These studies indicate that systemic delivery of Ant-134 reaches the brain and produces disease modifying effects after systemic injection in mice when timed with BBB disruption and may be a clinically-viable approach for this and other disease-modifying microRNA therapies.

Abstract Progressive inflammation of one hemisphere characterises Rasmussen’s encephalitis (RE), but contralesional epileptiform activity has been repeatedly reported. We aimed to quantify contralesional epileptiform activity in RE and uncover its functional and structural underpinnings. We retrospectively ascertained people with RE treated between 2000 and 2018 at a tertiary centre (Centre 1) and reviewed all available EEG datasets. The temporal occurrence of preoperative contralesional epileptiform activity (interictal/ictal) was evaluated using mixed-effects logistic regression. Cases with/without contralesional epileptiform activity were compared for cognition, inflammation (ipsilesional brain biopsies), and MRI (cortical and fixel-based morphometry). EEG findings were validated in a second cohort treated at another tertiary centre (Centre 2) between 1995 and 2020. We included 127 people with RE and 687 EEG samples. Preoperatively, contralesional epileptiform activity was seen in 30/68 (44%, Centre 1) and 8/59 (14%, Centre 2). In both cohorts, this activity was associated with younger onset age (OR = 0.9; 95% CI 0.83–0.97; P = 0.006). At centre 1, contralesional epileptiform activity was associated with contralesional MRI alterations, lower intelligence ( OR = 5.19; 95% CI 1.28–21.08; P = 0.021), and impaired verbal memory ( OR = 10.29; 95% CI 1.97–53.85; P = 0.006). After hemispherotomy, 11/17 (65%, Centre 1) and 28/37 (76%, Centre 2) were seizure-free. Contralesional epileptiform activity was persistent postoperatively in 6/12 (50%, Centre 1) and 2/34 (6%, Centre 2). Preoperative contralesional epileptiform activity reduced the chance of postoperative seizure freedom in both cohorts ( OR = 0.69; 95% CI 0.50–0.95; P = 0.029). Our findings question the concept of strict unilaterality of RE and provide the evidence of contralesional epileptiform activity as a possible EEG predictor for persisting postoperative seizures.

Objective: The intricate neuroanatomical structure of the cerebellum is of longstanding interest in epilepsy, but has been poorly characterized within the current cortico-centric models of this disease. We quantified cross-sectional regional cerebellar lobule volumes using structural MRI in 1,602 adults with epilepsy and 1,022 healthy controls across twenty-two sites from the global ENIGMA-Epilepsy working group. Methods: A state-of-the-art deep learning-based approach was employed that parcellates the cerebellum into 28 neuroanatomical subregions. Linear mixed models compared total and regional cerebellar volume in i) all epilepsies; ii) temporal lobe epilepsy with hippocampal sclerosis (TLE-HS); iii) non-lesional temporal lobe epilepsy (TLE-NL); iv) genetic generalised epilepsy; and (v) extra-temporal focal epilepsy (ETLE). Relationships were examined for cerebellar volume versus age at seizure onset, duration of epilepsy, phenytoin treatment, and cerebral cortical thickness. Results: Across all epilepsies, reduced total cerebellar volume was observed (d=0.42). Maximum volume loss was observed in the corpus medullare (dmax=0.49) and posterior lobe grey matter regions, including bilateral lobules VIIB (dmax= 0.47), Crus I/II (dmax= 0.39), VIIIA (dmax=0.45) and VIIIB (dmax=0.40). Earlier age at seizure onset (ηρ2max=0.05) and longer epilepsy duration (ηρ2max=0.06) correlated with reduced volume in these regions. Findings were most pronounced in TLE-HS and ETLE with distinct neuroanatomical profiles observed in the posterior lobe. Phenytoin treatment was associated with reduced posterior lobe volume. Cerebellum volume correlated with cerebral cortical thinning more strongly in the epilepsy cohort than in controls. Significance: We provide robust evidence of deep cerebellar and posterior lobe subregional grey matter volume loss in patients with chronic epilepsy. Volume loss was maximal for posterior subregions implicated in non-motor functions, relative to motor regions of both the anterior and posterior lobe. Associations between cerebral and cerebellar changes, and variability of neuroanatomical profiles across epilepsy syndromes argue for more precise incorporation of cerebellum subregions into neurobiological models of epilepsy.

Cross-frequency coupling of sleep oscillations is thought to mediate memory consolidation. While the hippocampus is deemed central to this process, detailed knowledge of which oscillatory rhythms interact in the sleeping human hippocampus is lacking. Combining intracranial hippocampal and non-invasive electroencephalography from twelve neurosurgical patients, we characterized spectral power and coupling during non-rapid eye movement (NREM) and rapid eye movement (REM) sleep. Hippocampal coupling was extensive, with the majority of channels expressing spectral interactions. NREM consistently showed delta–ripple coupling, but ripples were also modulated by slow oscillations (SOs) and sleep spindles. SO–delta and SO–theta coupling, as well as interactions between delta/theta and spindle/beta frequencies also occurred. During REM, limited interactions between delta/theta and beta frequencies emerged. Moreover, oscillatory organization differed substantially between i) hippocampus and scalp, ii) sites along the anterior-posterior hippocampal axis, and iii) individuals. Overall, these results extend and refine our understanding of hippocampal sleep oscillations.

Epilepsy is associated with genetic risk factors and cortico-subcortical network alterations, but associations between neurobiological mechanisms and macroscale connectomics remain unclear. This multisite ENIGMA-Epilepsy study examined whole-brain structural covariance networks in patients with epilepsy and related findings to postmortem co-expression patterns of epilepsy risk genes. Brain network analysis included 578 adults with temporal lobe epilepsy (TLE), 288 adults with idiopathic generalized epilepsy (IGE), and 1,328 healthy controls from 18 centres worldwide. Graph theoretical analysis of structural covariance networks revealed increased clustering and path length in orbitofrontal and temporal regions in TLE, suggesting a shift towards network regularization. Conversely, people with IGE showed decreased clustering and path length in fronto-temporo-parietal cortices, indicating a random network configuration. Syndrome-specific topological alterations reflected expression patterns of risk genes for hippocampal sclerosis in TLE and for generalized epilepsy in IGE. These imaging-genetic signatures could guide diagnosis, and ultimately, tailor therapeutic approaches to specific epilepsy syndromes.

During sleep, new memories undergo a gradual transfer from the hippocampus (HPC) to the neocortex (NC). Precisely timed neural oscillations interacting within and between these brain structures are thought to mediate this sleep-dependent memory consolidation, but exactly which sleep oscillations instantiate the HPC-NC dialog, and via what mechanisms, remains elusive. Employing invasive electroencephalography in ten neurosurgical patients across a full night of sleep, we identified three broad classes of phase-based HPC-NC communication. First, we observed interregional phase synchrony for non-rapid eye movement (NREM) spindles, N2 and rapid eye movement (REM) theta, and N3 beta activity. Second, and most intriguingly, we found asymmetrical N3 cross-frequency phase-amplitude coupling between HPC SOs and NC activity spanning the delta to high-gamma/ripple bands, but not in the opposite direction. Lastly, N2 theta and NREM spindle synchrony were themselves modulated by HPC SOs. These novel forms of phase-based interregional communication emphasize the role of HPC SOs in the HPC-NC dialog, and may offer a physiological basis for the sleep-dependent reorganization of mnemonic content.