La stereo-EEG ad alta intensità rivela le dinamiche spazio-temporali delle aree di insorgenza delle crisi epilettiche in un modello animale di epilessia del lobo temporale

Temporal lobe epilepsy (TLE) is one of the most common forms of acquired epilepsy in adults, affecting approximately 65 million people worldwide. Characterized by spontaneous and recurrent seizures, TLE is drug-resistant in over 30–40% of patients. Depending on the location of the epileptic focus, TLE can be classified into a mesial form (mTLE), originating in deep limbic structures (such as the hippocampus, amygdala, or parahippocampal regions), and a neocortical form (nTLE), where seizures arise from the temporal neocortex. Preclinical studies on TLE animal models have been conducted using a small number (2-3) of simultaneous recording electrodes, preventing an adequate spatial definition to reach certain conclusions on the regions most involved in the seizure onset. This thesis aims to map limbic and temporal cortical areas, so far largely under-investigated, using video-stereo-electroencephalographic (sEEG) recordings in an animal model of TLE. The pilocarpine model was employed to reproduce the behavioural, histological, and electrographic features of human TLE. Two weeks after the induction of status epilepticus (SE), animals underwent stereotaxic surgery for the implantation of epidural electrodes (targeting frontal, prefrontal, and occipital cortical areas) and depth electrodes (targeting several temporal regions), assembled in three distinct montages. Continuous video-sEEG monitoring was performed for at least three days per week, up to the 15th week post-SE. During the chronic phase of the disease, 4 main seizure types were identified: focal to bilateral tonic-clonic seizures (FBTCS), representing 66.9% of all events, and three subtypes of non-generalized seizures (NGS), based on their propagation pathway: (i) NGS with contralateral homologous evolution (27.85%), (ii) NGS with monolateral spread (4.34%), and (iii) focal non-spreading NGS (0.91%). Most of the animals analysed exhibited multiple epileptic foci, although rats with monofocal epilepsy were observed. All investigated brain regions proved to be potentially epileptogenic. In agreement with the human condition, the ventral hippocampus emerged as the primary site of seizure onset, followed by the entorhinal cortex and dorsal hippocampus. Spatiotemporal analysis of the epileptic foci revealed a temporal dynamicity over time, with no clearly defined activation pattern emerging. Furthermore, no direct correlation was found between the number of active foci and seizure frequency. To better understand the neurophysiological dynamics associated with each seizure type, patterns of seizure onset and seizure termination were analysed, identifying five distinct categories for each phase, which closely resemble those described in human patients. Power spectral density (PSD) analysis confirmed significant differences in the composition and distribution of brain waves between FBTCS and NGS, reinforcing the translational relevance of this animal model. In conclusion, this study demonstrates that a complete characterization of TLE pathology requires the use of high spatial resolution montages that integrate both epidural and depth electrodes. Our data reveal new features of the pilocarpine model that have never been reported before, reinforcing the translational relevance of this TLE animal model.

L'epilessia del lobo temporale (TLE) rappresenta una delle forme più comuni di epilessia acquisita nell'adulto, che colpisce circa 65 milioni di persone nel mondo. Caratterizzata da crisi epilettiche spontanee e ricorrenti, la TLE risulta farmacoresistente in oltre il 30-40% dei pazienti. In base alla localizzazione del fuoco epilettico, si distingue una forma mesiale (mTLE), che ha origine in strutture limbiche profonde (ippocampo, amigdala o regioni paraippocampali), e una forma neocorticale (nTLE), in cui le crisi originano nella neocorteccia temporale. Studi preclinici su modelli animali di TLE sono stati condotti utilizzando un numero limitato (2-3) di elettrodi di registrazione simultanei, impedendo una definizione spaziale adeguata per raggiungere conclusioni certe sulle regioni maggiormente coinvolte nell’esordio delle crisi. Questa tesi si propone di mappare le aree limbiche e corticali temporali, finora in gran parte poco indagate, utilizzando registrazioni video-stereo-elettroencefalografiche (sEEG) in un modello animale di TLE. È stato utilizzato il modello “pilocarpina”, in grado di riprodurre le peculiarità comportamentali, istologiche ed elettrografiche della TLE umana. Due settimane dopo l’induzione dello stato epilettico (SE), gli animali sono stati sottoposti a chirurgia stereotassica per l’impianto di elettrodi epidurali (mirati alle aree corticali) e profondi (in diverse regioni temporali), configurando tre differenti montaggi. L’attività cerebrale registrata è stata analizzata a posteriori fino alla 15ª settimana post-SE. Durante la fase cronica della patologia, sono state classificate quattro tipologie di crisi: le crisi focali con generalizzazione bilaterale tonico-clonica (FBTCS), che rappresentano il 66,9% degli eventi ictali, e tre sottotipi di crisi focali non generalizzate (NGS), classificate in base alla loro propagazione: (i) NGS con evoluzione omologa controlaterale (27,85%), (ii) NGS con diffusione monolaterale (4,34%) e (iii) NGS confinate alla zona d’origine (0,91%). La maggior parte degli animali analizzati ha mostrato la presenza di fuochi epilettici multipli, sebbene siano stati osservati anche ratti con epilessia monofocale. Tutte le regioni cerebrali investigate sono risultate potenzialmente epilettogene. In accordo con quanto osservato nei pazienti umani, l’ippocampo ventrale è emerso come il sito principale di esordio delle crisi epilettiche, seguito dalla corteccia entorinale e dall’ippocampo dorsale. L’analisi spaziotemporale dei fuochi epilettici ha rivelato una dinamica temporale variabile nel tempo, senza un chiaro schema di attivazione ricorrente. Inoltre, non è stata trovata una correlazione diretta tra il numero di fuochi attivi e la frequenza delle crisi. Per comprendere meglio le dinamiche neurofisiologiche associate a ciascun tipo di crisi, sono stati analizzati i pattern di inizio e terminazione delle crisi, identificando cinque categorie distinte per ciascuna fase, che rispecchiano da vicino quelle descritte nei pazienti umani. L’analisi della densità spettrale di potenza (PSD) ha confermato differenze significative nella composizione e distribuzione delle onde cerebrali tra FBTCS e NGS, rafforzando la rilevanza traslazionale di questo modello animale. In conclusione, questo studio dimostra che una caratterizzazione completa della TLE richiede l’uso di montages ad alta risoluzione spaziale, che integrino elettrodi sia epidurali sia di profondità. I dati raccolti rivelano nuove caratteristiche del modello alla pilocarpina mai descritte prima, confermando ulteriormente il suo valore come modello sperimentale traslabile per lo studio della TLE.