Эпилепсия — это одно из наиболее распространённых неврологических заболеваний, характеризующееся внезапно возникающими приступами судорог. Полагают, что в основе эпилепсии лежат нарушения баланса торможения и возбуждения нейрональных сетей, приводящие к сложной пространственно-временной структуре синхронизации и десинхронизации больших нейрональных ансамблей. Клеточным коррелятом эпилептиформной активности, регистрируемой при помощи ЭЭГ, является пароксизмальный деполяризационный сдвиг (ПДС). ПДС — это положительный сдвиг мембранного потенциала нейрона, достигающий — 15 мВ и длящийся до 400 мс, на фоне которого могут возникать от одного до нескольких потенциалов действия.

На сегодняшний день предложено несколько механизмов, которые могли бы объяснить явление гиперсинхронизации нейронов во время эпилепсии, таких как: высокая концентрация внеклеточного калия, уменьшение внеклеточного пространства и/или эфаптические связи. Наряду с этим, существуют данные, что гиперсинхронизация может происходить благодаря эндогенному электрическому полю, что подтверждается несколькими математическими моделями, однако экспериментов о роли электрического поля при возникновении ПДС проведено не было. Таким образом, мы предположили, что если мощности эндогенного электрического поля достаточно для деполяризации мембраны, то мы смогли бы зарегистрировать такое поле при помощи метода локальной фиксации потенциала.

Для экспериментов мы использовали смешанную нейроглиальную культуру гиппокампа крысы линии Вистар. Активацию эпилептиформной разрядов индуцировали бикукулином в концентрации 10 мкМ. Для регистрации сигнала использовали метод patch-clamp (с программным обеспечением pClamp10.2) в конфигурации whole-cell, а после того, как были записаны контрольные показатели (два кластера ПДС), мы переходили в конфигурацию outside-out, записывали два кластера и отводили электрод 1,25 µm и т.д., пока амплитуда ПДС была различима на фоне шума. Анализ данных производили при помощи языка программирования python3 с использование пакетов numpy, scipy.signal, pyABF.

В результате проведённых экспериментов нами было показано, что при помощи метода patch-clamp в конфигурации outside-out возможно зарегистрировать ПДС нейрональной сети в нейроглиальной культуре крысы, вызванных бикукулином. Полученные результаты могут быть использованы при исследовании эпилепсии на клеточном уровне.

Работа выполнена в рамках государственного задания ИБК РАН № 075-01512-22-03 по теме: "Нейропротекторные препараты нового поколения" № 1022080100047-5-1.6.4

Epilepsy is one of the most common neurological diseases characterized by sudden seizures. It is believed that epilepsy is based on disturbances in the balance of inhibition and excitation of neuronal networks, leading to a complex spatio-temporal structure of synchronization and desynchronization of large neuronal ensembles. The cellular correlate of epileptiform activity recorded by EEG is a paroxysmal depolarization shift (PDS). PDS is a positive shift in the membrane potential of a neuron, reaching — 15 mlV and lasting up to 400 ms, against which one to several action potentials may occur.

To date, several mechanisms have been proposed that could explain the phenomenon of hypersynchronization of neurons during epilepsy, such as: a high concentration of extracellular potassium, a decrease in extracellular space and/or ephaptic connections. Along with this, there is evidence that hypersynchronization can occur due to an endogenous electric field, which is confirmed by several mathematical models, but no experiments have been conducted on the role of the electric field in the occurrence of PDS. Thus, we assumed that if the power of the endogenous electric field is sufficient to depolarize the membrane, then we would be able to register such a field using the patch-clamp method.

For the experiments, we used a mixed neuroglial culture of the hippocampus of a Wistar rat. Activation of epileptiform discharges was induced by bicuculline at a concentration of 10 µmol . To register the signal, the patch-clamp method was used (with the pClamp10 software.2) in the whole-cell configuration, and after the benchmarks were recorded (two clusters of PDS), we switched to the outside-out configuration, recorded two clusters and removed the 1.25 µm electrode, etc., while the amplitude of the PDS was distinguishable against the background noise. Data analysis was performed using the python3 programming language using the numpy, scipy.signal, and pyABF packages.

As a result of our experiments, we have shown that using the patch-clamp method in the outside-out configuration, it is possible to register the PDS of the neuronal network in the rat neuroglial culture caused by bicuculin. The results obtained can be used in the study of epilepsy at the cellular level.

This study was conducted in the framework of the State assignment of PSCBR RAS № 075-01512-22-03 «New generation neuroprotective drugs» № 1022080100047-5-1.6.4.