The influence of ketogenic diet on perineuronal nets in a kindling model of seizures

Dieta ketogeniczna jest znaną już od niemal wieku metodą leczenia padaczki, opracowaną jako długotrwały zamiennik leczenia postem. Pomimo wielu lat które upłynęły od odkrycia jej przeciwdrgawkowych efektów dokładne mechanizmy stojące za jej skutecznością wciąż nie zostały poznane. W ostatnich latach etiologię wielu schorzeń neurologicznych, w tym również padaczki próbuje tłumaczyć się zmianami w macierzy zewnątrzkomórkowej i jej szczególnemu komponentowi - sieciom perineuronalnym. Struktura ta, otaczająca głównie interneurony parwalbuminowe przyczynia się do regulacji aktywności i dojrzałości funkcjonalnej tych niezwykle istotnych w padaczce komórek.Celem niniejszej pracy było określenie zmian podatności na napady drgawkowe wywołanych przez dietę ketogeniczną w szczurzym modelu drgawek rozniecanych. Przy użyciu zautomatyzowanych metod analizy obrazu sprawdzone zostały również potencjalne tkankowe korelaty działania diety ketogenicznej, mogące tłumaczyć zaobserwowane różnice behawioralne; zagęszczenie sieci perineuronalnych, komórek parwalbuminowych oraz odsetek współwystępowania obu markerów. Co ciekawe, w doświadczeniu zaobserwowano efekt odwrotny do oczekiwanego czyli zwiększenie liczby napadów drgawkowych u zwierząt przyjmujących dietę ketogeniczną. W zagęszczeniu komórek parwalbuminowych oraz sieci perineuronalnych nie stwierdzono zaś istotnych różnic. Przegląd literatury wraz z analizą uzyskanych wyników sugerują ważną rolę odpowiedniej zawartości egzogennych aminokwasów w pożywieniu, których niedobór może skutkować zahamowaniem syntezy białek oraz zwiększeniem podatności na napady w niektórych modelach drgawek.

The ketogenic diet for almost a century has been a verified and reliable epilepsy treatment, developed as a long-term alternative to starvation. Despite many years having passed since the discovery of its beneficial and anticonvulsant effects, the exact mechanisms underlying its action remain unknown.In recent years attempts are made to explain neurological disorders through the mechanisms involving the extracellular matrix and its special component - perineuronal nets. This structure, often wrapping parvalbumin neurons, is most likely involved in the regulation of their activity and functional maturation of these exceptionally important in epilepsy cells. The purpose of this study was to investigate the effects of the ketogenic diet on rat susceptibility to kindling induced seizures. Using automated image analysis methods effects of the ketogenic diet on the brain tissue, which could potentially explain observed behavioral differences were quantified; density of the perineuronal nets, parvalbumin cells, and the percentage of co-occurrence of both markers. Surprisingly, the observed effects of the ketogenic diet were directly opposite to those anticipated, as the rats receiving the ketogenic diet showed a higher overall number of seizures than animals receiving the standard laboratory feed. No differences in the density of perineuronal nets of parvalbumin-positive neurons were detected.The review of available literature in connection with our experimental results suggest an important role of the exogenous amino acids intake. The indispensable amino acid insufficiency, likely caused by a low-protein ketogenic diet may result in halting protein synthesis in the brain and in increased seizure susceptibility visible in some experimental models of epilepsy.