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Excitatory/Inhibitory Synaptic Ratios in Polymicrogyria and Down Syndrome Help Explain Epileptogenesis in Malformations - 17/02/21

Doi : 10.1016/j.pediatrneurol.2020.11.001 
Harvey B. Sarnat, MS, MD, FRCPC a, b, c, , Laura Flores-Sarnat, MD a, c
a Department of Paediatrics, University of Calgary Cumming School of Medicine and Alberta Children’s Hospital Research Institute (Owerko Centre), Calgary, Alberta, Canada 
b Department of Pathology and Laboratory Medicine (Neuropathology), University of Calgary Cumming School of Medicine and Alberta Children’s Hospital Research Institute (Owerko Centre), Calgary, Alberta, Canada 
c Department of Clinical Neurosciences, University of Calgary Cumming School of Medicine and Alberta Children’s Hospital Research Institute (Owerko Centre), Calgary, Alberta, Canada 

Communications should be addressed to: Dr. Sarnat; Alberta Children’ Hospital Research Institute; Owerko Centre; 3rd Floor – CDC #395, 2500 University Drive NW; Calgary, AB, T2N 1N4, Canada.Alberta Children’ Hospital Research InstituteOwerko Centre3rd Floor – CDC #3952500 University Drive NWCalgaryABT2N 1N4Canada

Abstract

Background

The ratio between excitatory (glutamatergic) and inhibitory (GABAergic) inputs into maturing individual cortical neurons influences their epileptic potential. Structural factors during development that alter synaptic inputs can be demonstrated neuropathologically. Increased mitochondrial activity identifies neurons with excessive discharge rates.

Methods

This study focuses on the neuropathological examinaion of surgical resections for epilepsy and at autopsy, in fetuses, infants, and children, using immunocytochemical markers, and electron microscopy in selected cases. Polymicrogyria and Down syndrome are highlighted.

Results

Factors influencing afferent synaptic ratios include the following: (1) synaptic short-circuitry in fused molecular zones of adjacent gyri (polymicrogyria); (2) impaired development of dendritic spines decreasing excitation (Down syndrome); (3) extracellular keratan sulfate proteoglycan binding to somatic membranes but not dendritic spines may be focally diminished (cerebral atrophy, schizencephaly, lissencephaly, polymicrogyria) or augmented, ensheathing individual axons (holoprosencephaly), or acting as a barrier to axonal passage in the U-fiber layer. If keratan is diminished, glutamate receptors on the neuronal soma enable ectopic axosomatic excitatory synapses to form; (4) dysplastic, megalocytic neurons and balloon cells in mammalian target of rapamycin disorders; (5) satellitosis of glial cells displacing axosomatic synapses; (6) peri-neuronal inflammation (tuberous sclerosis) and heat-shock proteins.

Conclusions

Synaptic ratio of excitatory/inhibitory afferents is a major fundamental basis of epileptogenesis at the neuronal level. Neuropathology can demonstrate subcellular changes that help explain either epilepsy or lack of seizures in immature brains. Synaptic ratios in malformations influence postnatal epileptogenesis. Single neurons can be hypermetabolic and potentially epileptogenic.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Epilepsy, Polymicrogyria, Heterotopia, Holoprosencephaly, Down syndrome, Satellitosis, Synaptic ratios


Plan


 Ethics Committee Approval: This study was approved by the Conjoint Health Research Ethics Committee of the University of Calgary and Alberta Health Services.
 Funding: The study was supported by a grant from Alberta Children’s Hospital Research Institute (grant #60-28450, project 10013167).
 Conflict of interest: Neither author has conflicts of interest or financial disclosure to declare.
 Presented at: The American Epilepsy Society annual meeting, Baltimore, Maryland, USA, 6-10 October 2019, and the Infantile Seizure Society, 51st Annual Meeting, Okayama, Japan, 19-21 June 2020 (online virtual oral presentation); 29th Annual meeting of the Sociedad Mexicana de Neurología Pediátrica, Querétero, México, 28 September-3 October 2020 (invited webinar lecture); 49th Annual Meeting of the Child Neurology Society/16th International Child Neurology Association Congress, San Diego, USA, 12-23 October 2020 (virtual poster).


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