Experimental and clinical studies of the extracellular direct current (DC) potential: implications for (i) the assessment of electrical blood-brain barrier integrity and (ii) detection of spreading depolarization

Abstract

Direct current (DC) potentials are slow electrical potentials measured in the extracellular space which reflect biophysicochemical phenomena in neurons and astrocytes such as spreading depolarization (SD) or ictal epileptic events (IEE). It is nevertheless assumed that DC potentials can also arise at the blood-brain barrier (BBB). For example, the latter may apply to CO2-dependent DC shifts, which I further investigated in rats in study 1. To start with, I found that one of the major supporting arguments for this hypothesis is invalid, namely the DC change following intracarotideal dehydrocholate (DHC) application, because intracarotideal DHC causes not only BBB opening but also middle cerebral artery thrombosis with focal cerebral ischemia. Intracarotideal DHC is thus not a suitable model to study isolated BBB opening. Nevertheless, I then applied a number of neuronal/astrocytic channel blockers topically to the brain. They should have altered the CO2-dependent DC shift if it were of neuronal/astrocytic origin, but they failed to do so. Moreover, the typical CO2-dependent DC shift was lacking in brain slices, which lack an intact BBB, whereas DC shifts of SDs or IEEs are preserved. This further supported the origin of the CO2-dependent DC shift at the BBB. Using pH- and K+-selective microelectrodes in vivo, we then found further evidence that the CO2-dependent DC shift is specifically generated by the proton gradient across the BBB. Thus, it seems to be a marker for the closed paracellular pathway, which maintains the ion gradients across the BBB under physiological conditions. Using this tool, we then provided functional evidence for previous results with electron microscopy for the first time that the BBB opens in a hierarchical manner under pathological conditions. First, the transcellular pathway allows macromolecules such as albumin to pass. Only later, the paracellular pathway opens for small molecules such as protons or potassium. In the second study, we investigated the detection of SDs using DC/alternating current (AC)-scalp-electroencephalography (EEG) simultaneously with invasive DC/AC-electrocorticography (ECoG) in patients with aneurysmal subarachnoid hemorrhage (aSAH). DC/AC-ECoG is the gold standard to measure SDs. However, we also found correlates of both DC and AC changes of SDs in the scalp-EEG. This may offer a non-invasive approach to detect SDs in patients in the future, but the tool requires further refinement. In the third study, we investigated hemodynamic responses to SDs and IEEs in an aSAH patient using DC /AC-ECoG and laser-Doppler flowmetry. We found that hypoemic responses occurred not only during SDs but also during IEEs. Interestingly, these hypoemic responses showed a spatial association with increased BBB permeability, indicating a possible relationship between BBB dysfunction and abnormal hemodynamic responses to SDs and IEEs.

Direct current (DC) Potentiale sind langsame elektrische Potentiale im Extrazellulärraum, die neuronal/astrozytäre Phänomene wie spreading depolarization (SD) oder ictal epileptic events (IEE) anzeigen. DC Potentiale könnten aber auch an der Bluthirnschranke (BBB) entstehen. Dies wird z.B. für das CO2-abhängige DC Potential diskutiert. In Studie 1 habe ich diese Hypothese weiter untersucht. Zunächst musste ich feststellen, dass ein wichtiges Argument dafür, nämlich die DC Potentialänderung nach intrakarotidealer Gabe von Dehydrocholat (DHC), nicht stichhaltig ist, weil keine isolierte Öffnung der BBB sondern eine fokale zerebrale Ischämie durch DHC induziert wird. Im Anschluss applizierte ich jedoch eine Reihe von neuronalen/astrozytären Kanalinhibitoren in vivo, die das CO2-abhängige DC Potential beeinflussen sollten, würde es in Neuronen oder Astrozyten generiert werden. Dies war jedoch nicht der Fall. Außerdem zeigen Hirnschnitte, denen eine intakte BBB fehlt, die typischen DC Potentiale von SD und IEEs, das typische CO2-abhängige DC Potential konnten wir jedoch nicht nachweisen. Auch dies unterstützt seine Entstehung an der BBB. Messungen mit pH- und K+-sensitiven Mikroelektroden in vivo unterstützten zudem die Annahme, dass das CO2-abhängige DC Potential durch den Protonengradienten an der BBB entsteht. Somit wäre es ein Marker für den physiologischerweise geschlossenen, parazellulären Passageweg, der für die Aufrechterhaltung der Ionengradienten über die BBB verantwortlich ist. Mit diesem Marker konnten wir dann zum ersten Mal ein funktionelles Argument für Befunde früherer elektronenmikroskopischer Studien liefern, dass sich die BBB unter pathologischen Bedingungen in hierarchischer Weise öffnet. Zuerst öffnet sich der transzelluläre Passageweg für Makromoleküle wie Albumin, erst später der parazelluläre Passageweg für kleine Moleküle wie Protonen oder Kalium. In der zweiten Studie untersuchten wir die Detektion von SDs mittels DC/alternating current (AC)-scalp- Elektroenzephalografie (EEG) parallel zur invasiven DC/AC-Elektrokortikografie (ECoG) in Patienten mit aneurysmatischer Subarachnoidalblutung (aSAH). Die DC /AC-ECoG ist der Goldstandard zur SD-Messung. Jedoch fanden wir auch Korrelate der DC- und AC-Veränderung in der scalp-EEG. Dies könnte in Zukunft zu einer nicht-invasiven, klinischen Methode der SD-Detektion weiterentwickelt werden. In der dritten Studie analysierten wir hämodynamische Antworten auf SDs und IEEs in einem Patienten mit aSAH anhand DC/AC-ECoG und Laser-Doppler Flussmessung. Nicht nur bei SDs sondern auch bei IEEs traten hypoämische Antworten auf, die einen räumlichen Zusammenhang mit erhöhter BBB- Permeabilität aufwiesen. Dies deutet möglicherweise auf eine Beziehung zwischen BBB-Störung und abnormalen hämodynamischen Antworten auf SDs und IEEs hin.