Experimental Neurophysiology Group

epilepsy, focal cortical dysplasia, mTOR, electrophysiology, optogenetics, chemogenetics, patch-clamp, seizure cycles

We study the cellular and network mechanisms underlying epileptic seizure genesis in focal cortical dysplasia (FCD). FCD is a congenital malformation of the brain cortex that causes epilepsy in 30% of patients. We use a genetic model of FCD in mice, which replicates most features of the human FCD, including the presence of abnormal neurons, dyslamination of the cortex, spontaneous seizures, clustering of seizures and interictal activity. We employ a wide range of electrophysiological techniques, ranging from single-cell recording in brain slices to long-term multi-channel recordings in freely moving animals. We combine electrophysiological recording with methods of controlling neural activity such as optogenetics and chemogenetics. Additionally, we have expertise in mathematical approaches to data analysis and numerical modeling.

Recently, we have gained new insights into the principles of the transition to seizure and the mechanisms through which the epileptic brain loses resilience before a seizure. We also have a tradition in the research of high-frequency oscillations in epilepsy.

Currently, we are exploring the neuronal network principles underlying seizures. Our future goal is to utilize observed pathophysiological principles for the development of gene therapy for pharmacoresistant FCD-related epilepsy. Apart from that, we study the ultra-slow cycles in seizure risk and search for methods of their prediction.

Projekt: Genová terapie epilepsie na podkladě FCD
Grant: NU21-08-00533, AZV 2121240, Cílená genová terapie farmakorezistentní fokální epilepsie
Cíl: Optogenetická aktivace a chemogenetická inhibice mutovaných neuronů v FCD za účelem objasnění jejich funkce v genezi záchvatů.
Řešitelé: Michaela Králíková, Salome Kylarová, Filip Doležal, Tereza Strupková, Martina Biačková, Milan Španko, Jan Kudláček

Projekt: Dlouhodobá dynamika epilepsie
Grant 1: PRIMUS/23/MED/011 (Reg.č. 247 132), PRIMUS 2170011, Buněčné a síťové mechanismy ultra-pomalých procesů podílejících se na progresi epilepsie a vzniku záchvatů
Grant 2: CZ.02.01.01/00/22_008/0004643, OPJAK 2160002, Dynamika mozku
Cíl: Pochopit mechanizmy pomalých fluktuací v riziku záchvatu a nalézt způsob jak riziko záchvatu předpovídat (Grant 1). Vysvětlit tyto mechanizmy pomocí matematického modelování (Grant 2, spolupráce s Ústavem informatiky AV ČR)
Řešitelé: Michal Scheibel, Jonáš Fér, Aneta Ambrosová, Richard Köplinger, Jan Kudláček
Dosavadní publikace: doi:10.1016/j.nbd.2021.105347, doi:10.1038/s41467-020-15908-3, doi:10.1038/s41593-018-0278-y, doi:10.1016/j.yebeh.2019.106591

Projekt: Vysokofrekvenční oscilace ve fokální kortikální dysplázii
Grant: NW24-08-00394, AZV 2121251, Význam vysokofrekvenčních oscilací v patofyziologii a předoperační diagnostice farmakorezistentní neokortikální epilepsie
Cíl: Popsat mechanizmy vzniku vysokofrekvenčních oscilací na buněčné úrovni a stanovit jejich diagnostickou hodnotu pro stanovování míry excitability dané oblasti mozku.
Řešitelé: Nedime Karakallukcu, Florencia Bercum, Jan Kudláček
Dosavadní publikace: doi:10.1016/j.nbd.2023.106383

Current grant projects

NU21-08-00533
AZV 2121240
Cílená genová terapie farmakorezistentní fokální epilepsie
Gene therapy for pharmacoresistant epilepsy due to focal
malformations of cortical development
prof. MUDr. Přemysl Jiruška, Ph.D.
2021-05-01 – 2024-12-31

PRIMUS/23/MED/011 (Reg.č. 247 132)
PRIMUS 2170011
Buněčné a síťové mechanismy ultra-pomalých procesů podílejících se na progresi epilepsie a vzniku záchvatů
Cellular and network mechanisms of ultra-slow disease processes involved in epilepsy progression and seizure emergence
Ing. Jan Kudláček, DiS, Ph.D.
2023-01-01 – 2026-12-31

CZ.02.01.01/00/22_008/0004643
OPJAK 2160002
Dynamika mozku
Brain Dynamics
prof. MUDr. Přemysl Jiruška, Ph.D. 2024
2024-01-01 – 2029-12-31

NW24-08-00394
AZV 2121251
Význam vysokofrekvenčních oscilací v patofyziologii a předoperační diagnostice farmakorezistentní neokortikální epilepsie
The significance of high-frequency oscillations in the pathophysiology and presurgical diagnosis of drug-resistant neocortical epilepsy
prof. MUDr. Přemysl Jiruška, Ph.D.
2024-05-01 – 2027-12-31

International cooperation

University College of London – Gabriele Lignani
Dr. Salome Kylarová je tam na 3-měsíčním výjezdu, učí se tam pracovat s CRISPR-Cas9 systémem pro tvorbu lepšího modelu FCD. A případně následnou experimentální léčbu.

University of Bonn – Silvia Cases Cunillera, Albert Becker
Testování parakrinního efektu mutovaných neuronů na neurony zdravé ve fokální kortikální dysplázii. Zatím v jednání.

University of Bern – Enrique Perez Martinez, Maxime Baud
Chronobiologie epilepsie na různých časových škálách – od cirkadiánní po měsíční. Enrique se u nás bude učit experimentální metodu elektroporaci. Navíc mají zájem o analýzu našich záznamů za účelem předpovídání rizika záchvatu.

NeuroImaging

epilepsy, magnetic resonance imaging, diffusion, perfusion, energy metabolism

In our group we try to describe the changes that take place during the development of so-called acquired epilepsy. I focus mainly on changes in energy metabolism and cerebral perfusion. We are trying to translate the knowledge that my colleagues and I are gaining into clinical practice. We focus on improving the diagnosis of epilepsy using imaging methods, especially magnetic resonance imaging. In close collaboration with the Imaging Methods Clinic, the Neurology Clinic, and the Department of Child Neurology, we are validating for clinical practice the assessment of non-Gaussian diffusion (DKI), perfusion (DSC, pcASL) blood-brain barrier permeability (DCE, DEBBIE ASL), and newly electrical properties of tissue (MR-EPT). We are developing post-processing methods and implementing modern techniques including artificial intelligence algorithms.

V rámci naší skupiny se snažíme popsat změny, které probíhají během rozvoje tzv. získané epilepsie. Zaměřuji se především na změny energetického metabolizmu a mozkové perfuzi. Znalosti, které s kolegy získáváme, se snažíme převádět do klinické praxe. Zaměřujeme se na zlepšení diagnostiky epilepsie pomocí zobrazovacích metod především magnetické rezonance. V úzké spolupráci s Klinikou zobrazovacích metod, Neurologickou klinikou, Klinikou dětské neurologie validujeme pro klinickou praxi hodnocení negausovské difuze (DKI), perfuze (DSC, pcASL) propustnosti hematoencefalické bariéry (DCE, DEBBIE ASL) a nově elektrických vlastností tkáně (MR-EPT). Rozvíjíme metody postprocessingu a implementujeme moderní postupy včetně algoritmů umělé inteligence.

Current grant projects

NU21-08-00228 Detekce změn mikrostruktury a strukturální konektivity fokálních kortikálních dysplázií pomocí diffusion kurtosis imaging.

NU21-02-00289 Neuroimaging in prediction of haemorrhagic complications after mechanical recanalization treatment of ischemic stroke.

NU23-08-00460 PediTuMRI – ADVANCED MAGNETIC RESONANCE IMAGING OF PEDIATRIC BRAIN TUMORS.
Národní program obnovy
Excelles
COGNI (spolupráce v rámci NPO).
CADASIL (klinická tudie CERICA).
MedWaveImage (EU-Interreg) – Microwave imaging technology transfer to innovate the medical sector.

International cooperation

University of Liverpool, UMC Utrecht, HZDR Dresden, Amsterdam UMC, Fraunofer MEVIS, University of Oslo, GliMR, University of South Carolina, IKEM

Pathophysiology of SUDEP

epilepsy, seizure, SUDEP, hippocampus, spreading depolarization, apnoea

The Pathophysiology of SUDEP group was founded in 2019 when prof. Jefferys was appointed at the Second Faculty of Medicine. Prof. Jefferys was subsequently awarded a research grant by The Ministry of Health of the Czech Republic.
Our team’s central interest is in the impact of epilepsy, a brain disorder, on the functioning of the organism as a whole, notable the control of breathing and of the heart and circulation. The main focus of the group is sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). These deaths are defined partly by exclusion – not being due to injury, drowning or similar causes. The overall risk is about 1 per year per thousand people with epilepsy – quite low, but devastating when it happens.
Recent findings have implicated both respiratory and cardiac pathologies in SUDEP pathophysiology; the underlying mechanism however remains unknown. Our goal is to use both animal models and data acquired from epilepsy patients to provide more insight into the impact of epilepsy on respiratory and cardiac function and thus help elucidate the mechanism of SUDEP. We are using the tetanus toxin (TeNT) model of temporal lobe epilepsy in rats and our experimental techniques include telemetry monitoring of EEG, ECG, diaphragm EMG and respiration of freely-moving rats.
Our clinical team at the Department of Neurology, Motol Hospital, specializes in analyzing both acute and long-term seizure-related ECG changes. These changes could serve as biomarkers for assessing SUDEP risk in epilepsy patients. We also aim to introduce chronic respiratory monitoring in the video-EEG unit, enabling the detection of peri-ictal respiratory pathologies and potentially identifying patients with a higher SUDEP risk.

Experimentální část:

  • mechanismus iktální apnoe u modelu temporální epilepsie – Jefferys, Liška, Pant
  • mechanismus SUDEP – Jefferys, Liška, Krajčovič, Pant, Bečvářová, Pšenáková

Klinická část:

  • změny EKG u pacientů s epilepsií jako potenciální faktor určující riziko SUDEP – Komárek, Krýsl, Kalina, Jefferys, Liška
  • iktální a inter-iktální změny dechových funkcí v rámci video-EEG monitoringu jako potenciální faktor určující riziko SUDEP – Komárek, Krýsl, Kalina, Jefferys, Liška
Current grant projects

Mechanizmy kardiální a respirační dysfunkce odpovědné za zvýšené riziko náhlého neočekávaného úmrtí při epilepsii / The mechanisms of respiratory and cardiac dysfunction responsible for the increased risk of sudden unexpected death in epilepsy – AZV NU21-04-00601, 2021-2025, Navrhovatel: John Jefferys, Spolunavrhovatel: Vladimír Komárek

Zvyšují epileptické záchvaty v insulární kůře riziko náhlého nevysvětlitelného úmrtí u pacientů s epilepsií? / Do epileptic foci in the insula increase the risk of Sudden Unexpected Death in Epilepsy? – GAUK č. 171424, 2024-2027, Hlavní řešitel: Aakash Pant, Vedoucí: Karolína Liška

International cooperation

Laboratory of Neural Circuit Optophysiology

Seizure genesis and propagation in vivo on single-cell and cell type-specific level; Focal cortical dysplasia structure, malfunction and microenvironment; Causal epilepsy therapy

In vivo high-resolution optical imaging brings new unprecedented options how to study mammalian brain under physiological and pathophysiological conditions. We combine fast intravital optophysiological techniques and molecular biology to investigate the precise neural circuit mechanisms underlying seizure initiation and propagation. Using chronic cranial window preparation in mice, we are able to observe long-term dynamics of defined neuronal populations in the context of epileptogenesis and ictogenesis. Using ultrafast one-photon DMD microscopy, two-photon compressive microscopy and two-photon/three-photon fast raster-scan microscopy, we are able to measure activity of individual neurons with millisecond precision and/or record their activity and precise subcellular morphology with a depth limit of 1.5mm in the intact awake brain.
By employing our state-of-the-art optophysiological hardware we aim to describe the role of defined local neuronal populations in neocortical seizures, with emphasis on different interneuronal subtypes. Furthermore, we aim to test the previously postulated hypotheses suggesting possible subtype-specific roles of local interneuronal populations in focal cortical seizures, high-frequency oscillations and ictogenicity of cortical malformations in an in vivo setting in order to find targets for intervention. We further focus on microenvironment of the brain malformations, chronic sterile inflammation and senescence of the mutated neurons. As a side research branch, we collaborate on a study of the complex dynamics of glioblastoma development and pathology. Using our chronic cranial window preparation, we are testing a promising therapeutic approach based on nanoparticle-mediated intervention.

Všeobecný cíl skupiny je pomoci alespoň několika pacientům, typicky dětem, s farmakorezistentní epilepsíí na podkladě korové malformace. Z tímto účelem: To onemocnění chceme poznat a pochopit

  • Přejali jsme a dále upravili metodiku myšího modelu fokální kortikální dysplázie typu II (Natálie Procházková, Monika Řehořová a další).
  • V modelu FCDII jsme ve spolupráci s dalšími laboratořemi na ústavu charakterizovali vysokofrekvenční aktivitu nervové tkáně v lézi a jejím okolí (Natálie Procházková, Jan Chvojka z Kudláček Lab; DOI: 10.1016/j.nbd.2023.106383).
  • Na úrovni jednotlivých excitačních neuronů, dysmorfních neuronů a inhibičních neuronů jsme studovali morfologické a funkční změny v FCD v průběhu epileptogeneze (Monika Řehořová; publikace v přípravě)
  • Ukázali jsme, že dysmorfní neurony v FCDII mají jiný profil aktivity oproti pyramidovým buňkám v myši bez FCD – více burstují, dosahují vyšší maximální frekvence akčních potenciálů, mají nižší průměrnou spontánní aktivitu (Minh-Thao Nguyenová; publikace v přípravě)
  • Ukázali jsme, že v části spontánních epileptických záchvatů se dysmorfní neurony v FCDII aktivují a synchronizují dříve, než zbytek neuronů. Zda jde o kauzální roli či korelaci nyní studujeme. Toto by jednoznačně ukazovalo na dysmorfní neurony v FCD jako hlavní terapeutický cíl. V současnosti je rozšiřováno množství dat kvůli velké variabilitě záchvatů (Monika Řehořová, Pavlína Čabounová).
  • Zjistili jsme, že u korových záchvatů a v procesu šířící se depolarizace patrně hrají specifickou roli různé podtypy inhibičních interneuronů. Například parvalbumin-pozitivní interneurony, neurony vysílající inhibiční synapse na tělo okolních neuronů, mají oproti jiným buňkám stále vysokou intracelulární koncentraci vápníku mnoho sekund po ukončení záchvatu. Toto by mohlo ukázat na jejich specifickou roli v ukončnování záchvatu, což je stále neobjasněný mechanismus. Nyní jsou nabírána data v akutním experimentu, kdy je sledována dynamika vápníku v těchto inhibičních buňkách na konci záchvatu a v komplementárních experimentech pak jejich napěťová aktivita. Znalost specifického typu neuronů nám umožní lépe cílit (Jana Populová, začátek projektu).

Jedním z nových cílů je také vytvoření alternativního a rychlejšího modelu “FCD”. V tomto případě kůry vystavené působení dysmorfních neuronů indukovaném v dospělém věku. FCDII je obecně způsobena somatickou mutací v PI3K/Akt/mTOR signalizační dráze. Jedna z publikovaných aktivizačních mutací je v malém regulátorové GTPáze zvané RHEB. Její genetickou informaci je možné zabalit do adenoasociovaného viru a dopravit ji do korových neuronů dospělé myši bez epilepsie. Dříve bylo ukázáno, že v myším modelu, kde použili in utero elektroporaci, ale mutovaný gen aktivovali v dospělosti, došlo k rozvoji záchvatů. Záchvaty tedy nebyly závislé na neuspořádané kůře, ale spíše na přítomnosti neuronů nesoucí mutaci. Tuto situaci chceme docílit vnesením mutace do neuronů dospělé myši, kde předpokládáme, že i v takové myši se rozvine epilepsie. Tento model má teoreticky velkou výhodu v až 5x větším výtěžku oproti elektroporaci, možnosti cílit lézi do specifických částí kůry myši a možnosti nastavit frakci mutovaných neuronů. Takový model nejen může být použit k objasnění pozice léze a její hustoty na míru epileptogenicity, ale také může být použit jako jednodušší model pro screening léčiv farmaceutickými firmami. (Carl VL Olson, vývoj a testování modelu, počáteční fáze)

Na základě literatury a mnoha našich předběžných dat jsme ukázali, že dysmorfní mutované buňky FCDII vykazují znak senescentních buněk. To jsou buňky, kde došlo k neopravitelnému poškození DNA, akumulaci zlomů DNA, aktivaci prozánětlivého sekretomu. Tyto buňky mají aktivované počáteční kroky apoptotické dráhy, ale tu mají zablokovanou vlastní zvýšenou expresí blokátorů apoptózy (BCL2 rodina proteinů). Našim cílem je použít látky (tzv. senolytika), které jsou schopné blokovat ony blokátory apoptózy a tím dysmorfní neurony v tkáni selektivně eradikovat. Za tímto účelem používáme pokročilou preparaci myši s FCDII, operaci s kraniálním oknem, videoEEG konektorem a chronickou kanulou jdoucí přímo do mozkového parenchymu v místě FCD. Senolytika budou do okolí dysmorfních neuronů pouštěna chronickou subkutánní osmotickou pumpou připojenou ke kanule. Prostřednictvím kraniálního okna a intravitální dvoufotonové mikroskopie můžeme sledovat, zda a jak jdou jednotlivé dysmorfní neurony do apoptózy. Na videoEEG jednotce pak budeme pozorovat, zda vymizí epileptické záchvaty. (Ondřej Novák, začátek projektu podpořeného grantem AZV).

Jsme součástí spolupráce s laboratoří dr. Kudové na ÚOCHB AVČR, kde testujeme vliv nově syntetizovaných neuroaktivních steroidů excitabilitu mozku a jeho přechod do záchvatu v akutním a chronickém epileptickém modelu. Specificky pak pomocí dvoufotonové mikroskopie studujeme, které neurony a mechanismy jsou neurosteroidy nejvíce ovlivněny. (Jan Daněk, 2024 počátek projektu)

Občas si některý z přístrojů místo nákupu vyrobíme, nebo popřípadě oproti komerčně dostupným alternativám zdokonalíme pro používané účely. Vyvinuli jsme vlastní elektroporátor, kde jsme zabudovali analogovou proudovou limitaci pro ochranu embryí a prevenci kompletního potratu. Přístroj jsme navrhli tak, aby mohl být zkonstruován během několika dnů jen se základní znalostí pájení a 3D tiskárnou. Design, komplexní ověření účinnosti v experimentu a návody na sestavení jsme publikovali. (MinhThao Nguyenová, Natálie Procházková, Ondřej Novák; DOI: 10.1016/j.jneumeth.2024.110126)

Current grant projects

Senescence neuronů v FCD na podkladě hyperaktivní mTOR signální dráhy – od
buněčných mechanizmů až po cílenou léčbu
Senescence of neurons in mutated mTOR-related focal cortical dysplasia – from the
cell mechanisms to targeted treatment
AZV ČR; 05/2024 – 12/2027; Hlavní řešitel: Ondřej Novák (2lf UK)

National Institute for Neurological Research
Národní ústav pro neurologický výzkum
MŠMT – Program Exceles 07/2022 – 12/2025; Hlavní řešitel: Milan Brázdil (FNUSA)

University Center for Research on Disorders of Neuronal Excitability (EXCITE)
Univerzitní centrum výzkumu poruch neuronální excitability (EXCITE)
Karlova Univerzita – Program UNCE, 2023-2027; Hlavní řešitel: Přemysl Jiruška (2lf UK)

IPE (institucionální podpora excelence) 2.lf UK

Investigating the roles of different neuron types in pathophysiology of focal epileptiform activity using voltage imaging methods
Studium úlohy jednotlivých typů neuronů v patofyziologii fokální epileptiformní aktivity s pomocí metody napěťového zobrazování.
Karlova Univerzita – GA UK; 2022-2024; Hlavní řešitel: Minh-Thao Nguyenová (2lf UK)

International cooperation
  • Carsen Stringer (Janelia Research Campus of the HHMI, Ashburn, USA) – collaboration focused on the building of new wide-field cell-resolving microscope for cortex-wide fast imaging with cellular resolution; collaboration on advanced big data processing
  • Eric Schreiter (Janelia Research Campus of the HHMI, Ashburn, USA) – collaboaration and technical support in the field of genetically-encoded voltage indicators. We help Eric and his team to benchmark optimized rhodopsin-based genetically-encoded voltage indicators.
  • Tomas Cizmar (Leibniz Institute of Photonic Technology, Jena, Germany) – collaboration on the optical design for deep structure in vivo imaging; we performed first of the kind single-cell voltage imaging through 110um-thick multimode fiber
  • Matthew Shtrahman (University of California San Diego, La Jolla, USA) – collaboration on the data processing and software design

Laboratory of Neuroglial Interactions

oligodendrocyte precursor cells, oligodendrocytes, myelin, glial cells, epilepsy, focal cortical dysplasia, patch-clamp, calcium imaging, ion channels, glutamate receptors

We are interested in the mechanisms of interactions between neurons and oligodendrocyte lineage cells under different physiological and pathological conditions, especially in epilepsy. Neuronal activity can regulate myelin formation by oligodendrocytes which might have a profound feedback effect on the patterns of activity in neuronal circuits. Many pathologies of the central nervous system are accompanied by changes in myelin content in the nervous tissue, including epilepsy, where hypomyelination is usually described. This is in contrast to the expected activity-dependent myelination. Our aim is to find out how pathological synchronized neuronal activity in epilepsy affects the function of oligodendrocyte lineage cells and what is the cause of hypomyelination in epilepsy.

We are using a mouse model of focal cortical dysplasia and our experimental approaches include immunohistochemistry, single cell transcriptomics, electrophysiology (patch clamp) and calcium imaging in acute brain slices in combination with in vivo 2-photon imaging.

  1. Myelinizace v epilepsii – cílem projektu je objasnit mechanizmus hypomyelinizace ve fokální kortikální dysplázii (zodpovědný člen týmu – dr. Hrušková)
  2. Synaptická a nesynaptická komunikace mezi neurony a prekurzory oligodendrocytů v epilepsii (zodpovědný člen týmu – Mgr. Adam Bogdanovič)
  3. Mechanizmy patogeneze ve fokální kortikální dysplázii typu I. a MOGHE (Mild malformation of cortical development with oligodendroglial hyperplasia in epilepsy) (zodpovědný člen týmu – Nikola Vršková)
  4. Vliv neurosteroidů na hyperaktivitu neuronů – společný projekt se skupinou Dr. Kudové (UOCHB AVČR)
Current grant projects

National Institute for Neurology Research, Workpackage 3.2 – The role of disrupted glial cell functions in the pathogenesis of neurodevelopmental and neurodegenerative diseases (2022-2025)
Národní ústav pro neurologický výzkum, Workpackage 3.2 – Objasnění úlohy narušené funkce glií a změněných neurogliálních interakcí na patogenezi neurovývojových onemocnění a neurodegenerací (2022-2025)

Mechanism of oligodendrocyte lineage cells loss in focal cortical dysplasia (Grant Agency of Charles University, main investigator – Mgr. Adam Bogdanovič) (2024-2026)
Mechanismus ztráty oligodendrocytů u fokální kortikální dysplazie (Grantová agentura Univerzity Karlovy, hlavní řešitel – Mgr. Adam Bogdanovič) (2024-2026)

International cooperation

Prof. Thóra Káradóttir group, University of Cambridge, UK, and University of Iceland, Reykjavik