The ability to focus on and understand one talker in a noisy social environment is a critical social-cognitive capacity, whose underlying neuronal mechanisms are unclear. We investigated the manner in which speech streams are represented in brain activity and the way that selective attention governs the brain's representation of speech using a "Cocktail Party" paradigm, coupled with direct recordings from the cortical surface in surgical epilepsy patients. We find that brain activity dynamically tracks speech streams using both low-frequency phase and high-frequency amplitude fluctuations and that optimal encoding likely combines the two. In and near low-level auditory cortices, attention "modulates" the representation by enhancing cortical tracking of attended speech streams, but ignored speech remains represented. In higher-order regions, the representation appears to become more "selective," in that there is no detectable tracking of ignored speech. This selectivity itself seems to sharpen as a sentence unfolds.

Marc R. Nuwera*, Giancarlo Comib, Ronald Emersonc, Anders Fuglsang-Frederiksend, Jean-Michel Guerite, Hermann Hinrichsf, Akio Ikedag, Fransisco Jose C. Luccash, Peter Rappelsburgeri University of California, Los Angeles, CA, USA University of Milan, Milan, Italy Neurological Institute, Columbia University, New York, NY, USA Gentofte Hospital, University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark University Catholique Louvain, Brussels, Belgium Otto von Guericke University, Magdeburg, Germany Kyoto University, Kyoto, Japan Hospital I Albert Einstein, Sao Paolo, Brazil Institute of Neurophysiology, Vienna, Austria

Introduction: Critical Care Continuous EEG (CCEEG) is a common procedure to monitor brain function in patients with altered mental status in intensive care units. There is significant variability in patient populations undergoing CCEEG and in technical specifications for CCEEG performance. Methods: The Critical Care Continuous EEG Task Force of the American Clinical Neurophysiology Society developed expert consensus recommendations on the use of CCEEG in critically ill adults and children. Recommendations: The consensus panel recommends CCEEG for diagnosis of nonconvulsive seizures, nonconvulsive status epilepticus, and other paroxysmal events, and for assessment of the efficacy of therapy for seizures and status epilepticus. The consensus panel suggests CCEEG for identification of ischemia in patients at high risk for cerebral ischemia; for assessment of level of consciousness in patients receiving intravenous sedation or pharmacologically induced coma; and for prognostication in patients after cardiac arrest. For each indication, the consensus panel describes the patient populations for which CCEEG is indicated, evidence supporting use of CCEEG, utility of video and quantitative EEG trends, suggested timing and duration of CCEEG, and suggested frequency of review and interpretation. Conclusion: CCEEG has an important role in detection of secondary injuries such as seizures and ischemia in critically ill adults and children with altered mental status.

The location and trajectory of seizure activity is of great importance, yet our ability to map such activity remains primitive. Recently, the development of multi-electrode arrays for use in humans has provided new levels of temporal and spatial resolution for recording seizures. Here, we show that there is a sharp delineation between areas showing intense, hypersynchronous firing indicative of recruitment to the seizure, and adjacent territories where there is only low-level, unstructured firing. Thus, there is a core territory of recruited neurons and a surrounding 'ictal penumbra'. The defining feature of the 'ictal penumbra' is the contrast between the large amplitude EEG signals and the low-level firing there. Our human recordings bear striking similarities with animal studies of an inhibitory restraint, indicating that they can be readily understood in terms of this mechanism. These findings have important implications for how we localize seizure activity and map its spread. Seizure activity in the brain is characterized by the recruitment of cortical neuronal activity. Schevon and colleagues study seizure activity in human subjects and find that the recruitment of neurons is hypersynchronous and that there is an intrinsic restraint on the propagation of this activity.

Delayed cerebral ischemia (DCI) due to vasospasm is often undetected by clinical exam in patients with poor-grade subarachnoid hemorrhage (SAH). The purpose of this study was to identify quantitative EEG (qEEG) parameters that are most sensitive and specific for the detection of DCI in stuporous or comatose SAH patients. Of 78 consecutive Hunt–Hess grade 4 or 5 SAH patients admitted to our Neuro-ICU over a 2-year period, 48 were eligible for participation and 34 were enrolled. Continuous EEG monitoring was performed from post-operative day 2 to post-SAH day 14. In each patient, 20 artifact-free, 1 min EEG-clips following an alerting stimulus were analyzed: 10 clips were obtained on monitoring day 1 (baseline), and 10 on days 4–6 (follow-up). In DCI patients, follow-up clips were obtained after the onset of deterioration and before infarction had occurred. Twelve qEEG parameters were calculated using fast Fourier transformation; generalized estimating equations were used to compare ratios of change in qEEG parameters in patients with and without DCI. Nine of 34 patients (26%) developed DCI. The alpha/delta ratio (alpha power/delta power; ADR) demonstrated the strongest association with DCI. The median decrease of ADR for patients with DCI was 24%, compared to an increase of 3% for patients without DCI (Z=4.0, P<0.0001). Clinically useful cut-offs included 6 consecutive recordings with a >10% decrease in ADR from baseline (sensitivity 100%, specificity 76%) and any single measurement with a >50% decrease (sensitivity 89%, specificity 84%). A decrease in the ADR may be a sensitive method of detecting DCI, with reasonable specificity. This post-stimulation qEEG parameter may supplement the clinical exam in poor-grade SAH patients and may prove useful for the detection of DCI. Following ADRs may allow earlier detection of DCI and initiation of interventions at a reversible stage, thus preventing infarction and neurological morbidity.

Abstract Focal seizure propagation is classically thought to be spatially contiguous. However, distribution of seizures through a large-scale epileptic network has been theorized. Here, we used a multielectrode array, wide field calcium imaging, and two-photon calcium imaging to study focal seizure propagation pathways in an acute rodent neocortical 4-aminopyridine model. Although ictal neuronal bursts did not propagate beyond a 2-3 mm region, they were associated with hemisphere-wide field potential fluctuations and parvalbumin-positive interneuron activity outside the seizure focus. While bicuculline surface application enhanced contiguous seizure propagation, focal bicuculline microinjection at sites distant to the 4-aminopyridine focus resulted in epileptic network formation with maximal activity at the two foci. Our study suggests that both classical and epileptic network propagation can arise from localized inhibition defects, and that the network appearance can arise in the context of normal brain structure without requirement for pathological connectivity changes between sites.

Abstract We developed a neural network model that can account for the major elements common to human focal seizures. These include the tonic-clonic transition, slow advance of clinical semiology and corresponding seizure territory expansion, widespread EEG synchronization, and slowing of the ictal rhythm as the seizure approaches termination. These were reproduced by incorporating usage-dependent exhaustion of inhibition in an adaptive neural network that receives global feedback inhibition in addition to local recurrent projections. Our model proposes mechanisms that may underline common EEG seizure onset patterns and status epilepticus and postulates a role for synaptic plasticity in emergence of epileptic foci. Complex patterns of seizure activity and bi-stable seizure evolution end-points arise when stochastic noise is included. With the rapid advancement of clinical and experimental tools, we believe that this can provide a roadmap and potentially a testbed for future explorations of seizure mechanisms and clinical therapies.

Clinical analyses of neuronal activity during seizures, invariably using extracellular recordings, is greatly hindered by various phenomena that are well established in animal studies: changes in local ionic concentration, changes in ionic conductance, and intense, hypersynchronous firing. The first two alter the action potential waveform, whereas the third increases the “noise”; all three factors confound attempts to detect and classify single neurons (units). To address these analytical difficulties, we developed a novel template-matching based spike sorting method, which enabled identification of 1,239 single units in 27 patients with intractable focal epilepsy, that were tracked throughout multiple seizures. These new analyses showed continued neuronal firing through the ictal transition, which was defined as a transient period of intense tonic firing consistent with previous descriptions of the ictal wavefront. After the ictal transition, neurons displayed increased spike duration ( p < 0.001) and reduced spike amplitude ( p < 0.001), in keeping with prior animal studies; units in non-recruited territories, by contrast, showed more stable waveforms. All units returned to their pre-ictal waveforms after seizure termination. Waveshape changes were stereotyped across seizures within patients. Our analyses of single neuron firing patterns, at the ictal wavefront, showed widespread intense activation, and commonly involving marked waveshape alteration. We conclude that the distinction between tissue that has been recruited to the seizure versus non-recruited territories is evident at the level of single neurons, and that increased waveform duration and decreased waveform amplitude are hallmarks of seizure invasion that could be used as defining characteristics of local recruitment.Significance Statement Animal studies consistently show marked changes in action potential waveform during epileptic discharges, but acquiring similar evidence in humans has proved difficult. Assessing neuronal involvement in ictal events is pivotal to understanding seizure dynamics and in defining clinical localization of epileptic pathology. Using a novel method to track neuronal firing, we analyzed microelectrode array recordings of spontaneously occurring human seizures, and here report two dichotomous activity patterns. In cortex that is recruited to the seizure, neuronal firing rates increase and waveforms become longer in duration and shorter in amplitude, while penumbral tissue shows stable action potentials, in keeping with the “dual territory” model of seizure dynamics.

Summary Interictal epileptiform discharges (IEDs), also known as interictal spikes, are large intermittent electrophysiological events observed between seizures in patients with epilepsy. Though they occur far more often than seizures, IEDs are less studied, and their relationship to seizures remains unclear. To better understand this relationship, we examined multi-day recordings of microelectrode arrays implanted in human epilepsy patients, allowing us to precisely observe the spatiotemporal propagation of IEDs, spontaneous seizures, and how they relate. These recordings showed that the majority of IEDs are traveling waves, traversing the same path as ictal discharges during seizures, and with a fixed direction relative to seizure propagation. Moreover, the majority of IEDs, like ictal discharges, were bidirectional, with one predominant and a second, less frequent antipodal direction. These results reveal a fundamental spatiotemporal similarity between IEDs and ictal discharges. These results also imply that most IEDs arise in brain tissue outside the site of seizure onset and propagate toward it, indicating that the propagation of IEDs provides useful information for localizing the seizure focus.

High frequency oscillations (HFOs) recorded from intracranial electrodes during epileptiform discharges are a proposed biomarker of epileptic brain tissue and may also be useful for seizure forecasting, with mixed results. Despite such potential for HFOs, there is limited investigation into the spatial context of HFOs and their relationship to simultaneously recorded neuronal activity. We sought to further understand the biophysical underpinnings of ictal HFOs using unit recordings in the human neocortex and mesial temporal lobe during rhythmic onset seizures. We compare features of ictal discharges in both the seizure core and penumbra (spatial seizure domains defined by multiunit activity patterns). We report differences in spectral features, unit-local field potential coupling, and information theoretic characteristics of HFOs before and after local seizure invasion. Furthermore, we tie these timing-related differences to spatial domains of seizures, showing that penumbral discharges are widely distributed and less useful for seizure localization.### Competing Interest Statement