Progressive ischaemic damage in animals is associated with spreading mass depolarizations of neurons and astrocytes, detected as spreading negative slow voltage variations. Speculation on whether spreading depolarizations occur in human ischaemic stroke has continued for the past 60 years. Therefore, we performed a prospective multicentre study assessing incidence and timing of spreading depolarizations and delayed ischaemic neurological deficit (DIND) in patients with major subarachnoid haemorrhage (SAH) requiring aneurysm surgery. Spreading depolarizations were recorded by electrocorticography with a subdural electrode strip placed on cerebral cortex for up to 10 days. A total of 2110 h recording time was analysed. The clinical state was monitored every 6 h. Delayed infarcts after SAH were verified by serial CT scans and/or MRI. Electrocorticography revealed 298 spreading depolarizations in 13 of the 18 patients (72%). A clinical DIND was observed in seven patients 7.8 days (7.3, 8.2) after SAH. DIND was time-locked to a sequence of recurrent spreading depolarizations in every single case (positive and negative predictive values: 86 and 100%, respectively). In four patients delayed infarcts developed in the recording area. As in the ischaemic penumbra of animals, delayed infarction was preceded by progressive prolongation of the electrocorticographic depression periods associated with spreading depolarizations to >60 min in each case. This study demonstrates that spreading depolarizations have a high incidence in major SAH and occur in ischaemic stroke. Repeated spreading depolarizations with prolonged depression periods are an early indicator of delayed ischaemic brain damage after SAH. In view of experimental evidence and the present clinical results, we suggest that spreading depolarizations with prolonged depressions are a promising target for treatment development in SAH and ischaemic stroke.

The term cortical spreading depolarization (CSD) describes a wave of mass neuronal depolarization associated with net influx of cations and water. Clusters of prolonged CSDs were measured time-locked to progressive ischaemic damage in human cortex. CSD induces tone alterations in resistance vessels, causing either transient hyperperfusion (physiological haemodynamic response) in healthy tissue; or hypoperfusion [inverse haemodynamic response = cortical spreading ischaemia (CSI)] in tissue at risk for progressive damage, which has so far only been shown experimentally. Here, we performed a prospective, multicentre study in 13 patients with aneurysmal subarachnoid haemorrhage, using novel subdural opto-electrode technology for simultaneous laser-Doppler flowmetry (LDF) and direct current-electrocorticography, combined with measurements of tissue partial pressure of oxygen (ptiO2). Regional cerebral blood flow and electrocorticography were simultaneously recorded in 417 CSDs. Isolated CSDs occurred in 12 patients and were associated with either physiological, absent or inverse haemodynamic responses. Whereas the physiological haemodynamic response caused tissue hyperoxia, the inverse response led to tissue hypoxia. Clusters of prolonged CSDs were measured in five patients in close proximity to structural brain damage as assessed by neuroimaging. Clusters were associated with CSD-induced spreading hypoperfusions, which were significantly longer in duration (up to 144 min) than those of isolated CSDs. Thus, oxygen depletion caused by the inverse haemodynamic response may contribute to the establishment of clusters of prolonged CSDs and lesion progression. Combined electrocorticography and perfusion monitoring also revealed a characteristic vascular signature that might be used for non-invasive detection of CSD. Low-frequency vascular fluctuations (LF-VF) (f < 0.1 Hz), detectable by functional imaging methods, are determined by the brain's resting neuronal activity. CSD provides a depolarization block of the resting activity, recorded electrophysiologically as spreading depression of high-frequency-electrocorticography activity. Accordingly, we observed a spreading suppression of LF-VF, which accompanied spreading depression of high-frequency-electrocorticography activity, independently of whether CSD was associated with a physiological, absent or inverse haemodynamic response. Spreading suppressions of LF-VF thus allow the differentiation of progressive ischaemia and repair phases in a fashion similar to that shown previously for spreading depressions of high-frequency-electrocorticography activity. In conclusion, it is suggested that (i) CSI is a novel human disease mechanism associated with lesion development and a potential target for therapeutic intervention in stroke; and that (ii) prolonged spreading suppressions of LF-VF are a novel ‘functional marker’ for progressive ischaemia.

Spreading depolarization of cells in cerebral grey matter is characterized by massive ion translocation, neuronal swelling and large changes in direct current-coupled voltage recording. The near-complete sustained depolarization above the inactivation threshold for action potential generating channels initiates spreading depression of brain activity. In contrast, epileptic seizures show modest ion translocation and sustained depolarization below the inactivation threshold for action potential generating channels. Such modest sustained depolarization allows synchronous, highly frequent neuronal firing; ictal epileptic field potentials being its electrocorticographic and epileptic seizure its clinical correlate. Nevertheless, Leão in 1944 and Van Harreveld and Stamm in 1953 described in animals that silencing of brain activity induced by spreading depolarization changed during minimal electrical stimulations. Eventually, epileptic field potentials were recorded during the period that had originally seen spreading depression of activity. Such spreading convulsions are characterized by epileptic field potentials on the final shoulder of the large slow potential change of spreading depolarization. We here report on such spreading convulsions in monopolar subdural recordings in 2 of 25 consecutive aneurismal subarachnoid haemorrhage patients in vivo and neocortical slices from 12 patients with intractable temporal lobe epilepsy in vitro. The in vitro results suggest that γ-aminobutyric acid-mediated inhibition protects from spreading convulsions. Moreover, we describe arterial pulse artefacts mimicking epileptic field potentials in three patients with subarachnoid haemorrhage that ride on the slow potential peak. Twenty-one of the 25 subarachnoid haemorrhage patients (84%) had 656 spreading depolarizations in contrast to only three patients (12%) with 55 ictal epileptic events isolated from spreading depolarizations. Spreading depolarization frequency and depression periods per 24 h recording episodes showed an early and a delayed peak on Day 7. Patients surviving subarachnoid haemorrhage with poor outcome at 6 months showed significantly higher total and peak numbers of spreading depolarizations and significantly longer total and peak depression periods during the electrocorticographic monitoring than patients with good outcome. In a semi-structured telephone interview 3 years after the initial haemorrhage, 44% of the subarachnoid haemorrhage survivors had developed late post-haemorrhagic seizures requiring anti-convulsant medication. In those patients, peak spreading depolarization number had been significantly higher [15.1 (11.4–30.8) versus 7.0 (0.8–11.2) events per day, P = 0.045]. In summary, monopolar recordings here provided unequivocal evidence of spreading convulsions in patients. Hence, practically all major pathological cortical network events in animals have now been observed in people. Early spreading depolarizations may indicate a risk for late post-haemorrhagic seizures.

ABSTRACT Background Prediction of post-stroke outcome using the degree of subacute deficit or magnetic resonance imaging is well studied in humans. While mice are frequently used animals in preclinical stroke research, systematic analysis of outcome predictors is lacking. Methods We introduced heterogeneity into our study to broaden the applicability of our prediction tools. We analyzed the effect of 30, 45 and 60 minutes of arterial occlusion on the variance of stroke volumes. Next, we built a heterogeneous cohort of 215 mice using data from 15 studies that included 45 minutes of middle cerebral artery occlusion and various genotypes. Motor function was measured using the staircase test of skilled reaching. Phases of subacute and residual deficit were defined. Magnetic resonance images of stroke lesions were co-registered on the Allen Mouse Brain Atlas to characterize stroke topology. Different random forest prediction models that either used motor-functional deficit or imaging parameters were generated for the subacute and residual deficits. Results Variance of stroke volumes was increased by 45 minutes of arterial occlusion compared to 60 minutes and including various genotypes. We detected both a subacute and residual motor-functional deficit after stroke and different recovery trajectories. In mice with small cortical lesions, lesion volume was the best predictor of the subacute deficit. The residual deficit was most accurately predicted by the degree of the subacute deficit. When using imaging parameters for the prediction of the residual deficit, including information about the lesion topology increased prediction accuracy. A subset of anatomical regions within the ischemic lesion had particular impact on the prediction of long-term outcome. Conclusions We developed and validated a robust tool for the prediction of functional outcome after stroke in mice using a large heterogeneous cohort. Study design and imaging limitations are discussed. In the future, using outcome prediction can improve the design of preclinical studies and guide intervention decisions.

Spreading depolarizations (SD) contribute to lesion progression after experimental focal cerebral ischemia while such correlation has never been shown in stroke patients. In this prospective, diagnostic study, we investigate the association of SDs and secondary infarct progression after malignant hemispheric stroke. SDs were continuously monitored for 3–9 days with electrocorticography after decompressive hemicraniectomy for malignant hemispheric stroke. To ensure valid detection and analysis of SDs, a threshold based on the electrocorticographic baseline activity was calculated to identify valid electrocorticographic recordings. Subsequently SD characteristics were analyzed in association to infarct progression based on serial MRI. Overall, 62 patients with a mean stroke volume of 289.6 ± 68 cm 3 were included. Valid electrocorticographic recordings were found in 44/62 patients with a mean recording duration of 139.6 ± 26.5 hours and 52.5 ± 39.5 SDs per patient. Infarct progression of more than 5% was found in 21/44 patients. While the number of SDs was similar between patients with and without infarct progression, the SD-induced depression duration per day was significantly longer in patients with infarct progression (593.8 vs. 314.1 minutes; *p = 0.046). Therefore, infarct progression is associated with a prolonged SD-induced depression duration. Real-time analysis of electrocorticographic recordings may identify secondary stroke progression and help implementing targeted management strategies.

Abstract Spreading depolarization (SD) describes a propagating neuronal mass depolarization within the cerebral cortex that represents a mediator of infarct development and strongly stimulates the metabolic rate of O2 consumption. Here, we investigated the influence of Spreading Depolarization (SD) on brain tissue partial pressure of O2 (ptiO2) within the peri-infarct tissue of patients suffering malignant hemispheric stroke (MHS). This prospective observational trial included 25 patients with MHS that underwent decompressive hemicraniectomy followed by subdural placement of electrodes for electrocorticography (ECoG) and neighboring implantation of a ptiO2 probe within the peri-infarcted cortex. Continuous side-by-side ECoG + ptiO2 recordings were obtained for 3-6 days postoperatively and analyzed for the occurrence of SD-independent and SD-coupled ptiO2 changes, radiological findings, as well as their association with clinical outcome at 6 months. During the combined ECoG + ptiO2 monitoring period of 2,604 hours and among 1,022 SDs, 483 (47%) SD-coupled ptiO2 variations were identified as biphasic (59%), hypoxic (36%) or hyperoxic (5%) ptiO2 responses that differed significantly (*p&lt;0.0001). Among the remaining 538/1,022 (53%) SDs, no SD-coupled ptiO2 response was detected, which we categorized as ‘No response’. The overall infarct progression was 1.7% (IQR -2.5–10.9). Spreading Depolarization characteristics regarding type, duration and frequency, as well as SD-independent baseline ptiO2 had no association with outcome. In contrast, a high occurrence rate and amplitude of SD-coupled variations in ptiO2 were associated with improved outcome at 6 months (occurrence: r=-0.62, *p=0.035; amplitude: r=-0.57, *p=0.024; Spearman correlation). In conclusion, an absent or reduced ptiO2 response to SD could indicate tissue-at-risk and help direct targeted treatment strategies in ischemic stroke, which is further evidence that not all SDs are the same, but that tissue responses coupled to SD such as ptiO2 contain prognostic information. In particular, a lack of SD-coupled ptiO2 variations appears to be a predictor of worse outcome in large hemispheric stroke.