The Kinetics of Extracellular Potassium: Relation to Epileptogenesis 1

Summary An increase in extracellular cortical potassium is a result rather than a cause of epileptiform activity. Two mechanisms by which potassium might be related to hyperactivity deserve particular attention. The potassium concentration in a small area surrounding a frequently discharging membrane may increase sufficiently to depolarize and finally excite terminal and synaptic regions of afferent fibers. This may explain “synaptic backfiring” and repetitive, recurrent excitation of thalamocortical afferent fibers following the primary discharges of interictal paroxysms (Gutnick and Prince, 1972). Recent experiments showed that stimulation of some cortical afferents has a dual effect which consists of a small transient potassium increase followed by a longer lasting decrease in extracellular potassium, possibly by stimulating potassium uptake in terminal regions. Cortical excitability can be particularly high during declining potassium activity. Consequences of this mechanism, such as terminal afferent hyperpolarization and an increase in evoked transmitter release, may be discussed in view of the considerable synaptic drive that initiates paroxysmal neuronal discharges. RÉsumé L'augmentation du potassium cortical extracellulaire est le résultat plutôt que la cause de L'activitéépileptiforme. II y a deux mécanismes sur lesquels le potassium peut être mis en relation avec L'hyperactivityé. La concentration du potassium dans une petite aire autour d'une membrane qui décharge fréquemment peut augmenter suffisamment pour dépolariser et finalement exciter les régions terminales et synaptiques des fibres afférentes. Ceci peut expliquer le “synaptic backfiring” et L'excitation répétitive recurrente des fibres afférentes thalamo‐corticales, suivant les décharges primaires des paroxysmes intercritiques (Gutnick et Prince, 1972). Des expériences récentes ont démontré que la stimulation de certaines afférences corticales a un double effet qui consiste en une petite augmentation transitoire du potassium, suivie d'une diminution plus prolongée du potassium extracellulaire, probablement par une stimulation de L'absorption du potassium dans les régions terminales. L'excitabilityé corticate peut être particuliêrement élevées pendant la diminution de L'activité du potassium. Les conséquences de ce mécanisme, telles qu'une hyperpolarisation des afférences terminales et une augmentation de la libération du transmetteur, peuvent être prises en considération en vue de la remarquable impulsion synaptique qui déclenche les décharges neuronales paroxystiques. ZUSAMMEnfassung Anstieg im extrazellulären cortikalen Kalium ist kaum allgemeine Ursache sondern Folge epileptiformer Aktivität. Zwei Mechanismen, die Kaliumanstieg und neuronale Hyperaktivität verbinden, verdienen besondere Beachtung: Die Kaliumkonzentration in der unmittelbaren Umgebung einer repetitiv entladenen Membran kann genügend stark ansteigen, um terminale Afferenzen und Synapsen bis zur Erregung zu depolarisieren. Dies würde Befunde bei interiktalen Spikes (Gutnick und Prince, 1972) erklären, die auf einen rücklaufigen synaptischen Erregungsdurchbruch und repetitive rekurrente Erregung von thalamo‐cortikalen Fasern nach primären Entladungen im Cortex verweisen. Neuere Befunde zeigen zudem, dass Reizung bestimmter cortikaler Afferenzen einer dualen Effekt erzeugen kann, bei dem nach einem vorübergehenden kurzdauernden Kaliumanstieg die extrazelluläre Kaliumaktivität erheblich absinkt. Hierbei erscheint die cortikale Erregbarkeit deutlich erhöht. Möglicherweise wird die Kaliumerniedrigung durch stimulierte Kaliumaufnahme hervorgerufen. Die Auswirkungen dieses Reabsorptionsmechanismus, z.B. die Hyperpolarisation terminaler Afferenzen und demzufolge ein Anstieg evozierter Transmitterausschüttung, wird diskutiert. Sie könnten den beträchtlichen synaptischen Erregungszuwachs erklären, der paroxysmalen neuronalen Entladungen zugrunde liegt. RESUMEN El aumento del potasio extracelular cortical es el resultado, más que causa, de la actividad epileptogénica. Merecen mención especial dos de los mecanismos por los que el potasio puede estar relacionado con la citada hiperactividad. La concentración de potasio en una pequeña zona que rodea la membrana hiperactiva, puede aumentar lo suficiente como para despolarizar, y finalmente excitar, las regiones terminales y sinápticas de las fibras aferentes. Esto puede explicar la “retrodescarga sináptica” y la repetitiva y recurrente excitación de las fibras aferentes tálamo‐corticales, que sigue a las descargas primarias de los paroxismos intercríticos (Gutnick y Prince, 1972). Experimentos recientes han mostrado que la estimulación de algunas de las aferentes corticales tiene un efecto doble que consiste en un pequeño aumento transitorio del potasio deguido de un más prolongado descenso del potasio extracelular probablemente debido a un aumento de la captación de potasio en las regiones terminales. La excitabilidad cortical puede estar considerablemente elevada durante la fase de reduction del potasio. Ciertas consecuencias de este mecanismo, como pueden ser la hiperpolarización terminal aferente y un incremento de la liberación del transmisor evocado, pueden ser analizadas en vista de la considerable fuerza que inicia las descargas paroxísticas neuronal es.