Cambiamenti attività dipendenti del potassio extracellulare in regioni corticali non mielinizzate e mielinizzate

Myelin has several fundamental roles in the survival and maintenance of neurons functions. Oligodendrocytes, which are responsible of the axonal myelin coating in the central nervous system, through the formation of a functional syncytium with astrocytes and due to the presence of Kir4.1 channels, play a key role in buffering potassium that accumulates extracellularly as a result of neuronal activity. Loss of myelin and alteration in oligodendrocyte distribution in the cerebral cortex are commonly observed both in post-surgical tissue derived from different focal epilepsies (such as focal cortical dysplasias and tuberous sclerosis) and in animal models of focal epilepsy. Moreover, seizures and alterations in action potential propagation are present in animal models of demyelination, in animal models presenting alterations in K+ buffering system (Kir4.1 channels and oligodendrocytes-astrocyte syncytium) and in patients suffering with demyelinating diseases. Previously, a significant difference in the [K+]o shifts in superficial and deep piriform cortex (PC) layers during 4-aminopyridine (4AP) induced seizure-like events (SLEs) was described, with a larger and faster increase observed in the unmyelinated plexiform layer I. To elucidate how [K+]o varies based on the degree of myelination, simultaneous recordings of field potentials and [K+]o increments in the highly myelinated lateral olfactory tract (LOT), in cell and myelinated PC layers II-III and in the unmyelinated PC layer I of the isolated guinea pig brain preparation were performed. [K+]o shifts were compared in LOT and PC layer I after application of 4AP and after high frequency electrical stimulation (hfST) of LOT (that mimics the preictal 4AP-induced activity). We compared [K+]o increments evoked by hfST in PC layer I and layer II-III in control conditions and after the Kir4.1 channels blocker BaCl2 arterial application. Trains of stimuli could result in spike afterischarges that outlasted hfST; these were associated to a prolongation of [K+]o increase in the deeper PC sites compared to layer I. The obtained results demonstrate that the greatest and fastest [K+]o increases are observed in the unmyelinated PC layer I compared to the other investigated regions during either 4AP-induced SLEs or after hfST in both control condition and after blockade of Kir4.1. BaCl2 application was associated to larger [K+]o increases in both superficial and deep PC layers and to a decrease of the threshold for generation of hyperexcitability. In conclusion, in an unmyelinated fiber layer an excessive [K+]o increase is favored during activity. In a pathological condition of myelin loss these pathological K+ changes could be promoted and this could in turn facilitate hyperexcitability.

La mielina ha diversi ruoli fondamentali nella sopravvivenza e nel mantenimento delle funzioni dei neuroni. Gli oligodendrociti, responsabili del rivestimento mielinico assonale nel sistema nervoso centrale, attraverso la formazione di un sincizio funzionale con gli astrociti e grazie alla presenza dei canali Kir4.1, svolgono un ruolo chiave nel tamponare il potassio che si accumula a livello extracellulare in seguito all'attività neuronale. La perdita di mielina e l'alterazione della distribuzione degli oligodendrociti nella corteccia cerebrale sono comunemente osservate sia nei tessuti post-chirurgici derivati da diverse epilessie focali (come le displasie corticali focali e la sclerosi tuberosa) sia nei modelli animali di epilessia focale. Inoltre, crisi epilettiche e alterazioni nella propagazione del potenziale d'azione sono presenti in modelli animali di demielinizzazione, in modelli animali che presentano alterazioni del sistema di buffer del potassio (canali Kir4.1 e sincizio oligodendrociti-astrociti) e in pazienti affetti da malattie demielinizzanti. In precedenza, è stata descritta una differenza significativa negli spostamenti della [K+]o negli strati superficiali e profondi della corteccia piriforme (CP) durante gli eventi convulsivi (SLE) indotti dalla 4-aminopiridina (4AP), con un aumento maggiore e più rapido osservato nello strato plessiforme I non mielinizzato. Per chiarire come varia la [K+]o in base al grado di mielinizzazione, sono state effettuate delle registrazioni simultanee di potenziali di campo e incrementi di [K+]o nel tratto olfattivo laterale (TLO) altamente mielinizzato, negli strati PC II-III cellulari e mielinizzati e nello strato I della CP non mielinizzato, usando il preparato di cervello isolato di cavia.Gli spostamenti di [K+]o sono stati confrontati nel TLO e nello strato I della CP dopo l'applicazione di 4AP e dopo la stimolazione elettrica ad alta frequenza (hfST) del TLO (che imita l'attività preictale indotta da 4AP). Abbiamo confrontato gli incrementi di [K+]o evocati da hfST nello strato I e nello strato II-III della CP in condizioni di controllo e dopo l'applicazione arteriosa di BaCl2, bloccante dei canali Kir4.1 . I treni di stimoli possono dare luogo a scariche postume di spike che durano più a lungo e queste sono associate a un prolungamento dell'aumento di [K+]o nei siti PC più profondi rispetto allo strato I. I risultati ottenuti dimostrano che i maggiori e più rapidi aumenti di [K+]o si osservano nello strato I della PC non mielinizzata rispetto alle altre regioni studiate, sia durante gli SLE indotti da 4AP che dopo hfST, sia in condizioni di controllo che dopo il blocco di Kir4.1. L'applicazione di BaCl2 è stata associata a maggiori aumenti di [K+]o negli strati della CP superficiali e profondi e a una diminuzione della soglia per la generazione di ipereccitabilità. In conclusione, in uno strato di fibre non mielinizzate un aumento eccessivo di [K+]o è favorito durante l'attività. In una condizione patologica di perdita di mielina, questi cambiamenti patologici di potassio potrebbero essere promossi e questo potrebbe a sua volta facilitare l'ipereccitabilità.