Spreading depression - Reaktionen an der Hirnrinde: Störungen des extrazellulären Mikromilieus

Summary

Changes of brain cell microenvironment in the cerebral cortex of the rat were studied during spreading depression (SD) elicited by KCl application or local cooling. The question was whether the behavior of extracellular ion concentrations, especially of K⁺, could give some information about the triggering mechanisms of SD at the site where the phenomenon originates in the tissue.

SDs elicited by KCl and recorded far from their original sites were associated with disturbances of extracellular ion concentrations and of tissue pO₂ and pCCh showing characteristic time sequences. Under these conditions none of the parameters studied changed before SD development.

When an SD was elicited by local cooling extracellular K⁺ concentration ([K⁺]₀) increased steeply in the mostly cooled cortical layers prior to SD initiation and formed a plateau of about 10 mmol/l resembling the ceiling level for K ⁺ associated with ictal seizure activity. The front of the SD wave moved down slowly to the white matter. Thereby the rectangular rise in [K⁺]₀ prior to SD progessively flattened and finally disappeared.

The results suggest that SD evoked by local cooling originates from a primary increase of [K⁺]₀ to the K⁺ ceiling level and by a secondary breakdown of the mechanisms being responsible for this type of K⁺-regulation. The mechanisms mentioned may be responsible for all kinds of SD-triggering.

Zusammenfassung

In der Hirnrinde der Ratte wurden Änderungen des extrazellulären Mikromilieus während der Spreading depression untersucht. Spreading depression-Reaktionen wurden durch lokale KCl-Applikation oder lokale Kühlung ausgelöst. Hierbei stand die Frage im Vordergrund, ob Änderungen extrazellulärer Ionenkonzentrationen, insbesondere des Kaliums, Informationen über den Auslösemechanismus der Spreading depression an ihrem Ursprungsort liefern.

Spreading depression-Reaktionen, hervorgerufen durch KCl und abgeleitet entfernt von ihrem Ursprungsort, gingen mit Störungen extrazellulärer Ionenkonzentrationen sowie des Gewebe-Ch und -pCO₂ einher, die eine charakteristische zeitliche Abfolge aufwiesen. Unter diesen Versuchsbedingungen änderte sich keiner der gemessenen Parameter vor der Entwicklung einer Spreading depression.

Bei einer durch Absenkung der Hirnrindentemperatur erzeugten und am Ort der Abkühlung abgeleiteten Spreading depression stieg die extrazelluläre K -Konzentration ([K⁺]₀) in den oberflächennahen Hirnrindenschichten vor dem Beginn der Spreading depression steil an und bildete ein Plateau bei 10 mmol/l, das dem bekannten Ceiling level bei iktualer Krampfaktivität entspricht. Die Spreading depression wanderte langsam durch die Hirnrinde bis zur weißen Substanz. Auf diesem Weg flachte der vor der Spreading depression auftretende Anstieg von [K⁺]₀ zunehmend ab und verschwand schließlich.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, daß die durch lokale Kühlung erzeugte Spreading depression durch einen primären Anstieg von [K⁺]₀ auf das Ceiling level und durch einen sekundären Zusammenbruch der K⁺-Regulationsmechanismen entsteht, die für die Aufrechterhaltung des Ceiling level verantwortlich sind. Es wird vermutet, daß diese Mechanismen auch für die spontane Entstehung einer Spreading depression eine kausale Rolle spielen.

Key words

Spreading depression - DC-potentials of the cerebral cortex - Brain cooling - Extracelluar K⁺ concentration - Ion-selective microelectrodes