Combined Study of the Pattern of Spontaneous Activity of Cerebellar Purkinje Cells and Phenytoin Serum Levels in the Rat

Summary: The effects of phenytoin (PHT) on the spontaneous activity of cerebellar Purkinje cells and the drug serum levels have been examined following both intravenous and intraperitoneal administration in rats. Purkinje cell activity was assessed by on‐line computer analysis of interspike interval distributions. PHT levels were assayed in blood samples taken at the end of the electrophysiological experiments and in successive samples obtained in parallel experiments over periods corresponding to when electrophysiological recordings were made. Single intravenous doses of PHT (10 mg/kg) produced a decrease in the discharge rate in individual Purkinje cells with a time course which was delayed and prolonged compared with the changes in serum levels of PHT. A single intraperitoneal dose of PHT (100 mg/kg) produced a statistically significant (p < 0.02) decrease in Purkinje cell discharge rate. Similar results (p < 0.01) were obtained after pretreatment with PHT (50 mg/kg daily for 14 days, including the day of the experiment). Both injection schedules produced nontoxic serum PHT levels during the recording period. Pretreatment with PHT doses of 10 mg/kg for 14 days (including the experimental day) produced a smaller decrease in Purkinje cell discharge rate (p < 0.05). When pretreatment ceased the day before the electrophysiological experiment, no significant changes in Purkinje cell activity were observed, and serum PHT levels were not détéctable at the end of the experiment. None of the pretreatment schedules produced overt signs of cerebellar dysfunction or motor impairment. These findings indicate that PHT may increase the output from the cerebellum by suppressing Purkinje cell activity. Since this effect occurs without producing cerebellar symptoms, it may account for some of the therapeutic action of PHT at nontoxic levels in man. RÉSUMÉ Les effets chez le rat d'injections IV et IP de Phénytoíne (PHT) sur l'activité spontanée des cellules cérébelleuses de Purkinje ont étéétudiés et comparés avec le taux de cette substance active dans le sérum. L'activité des cellules de Purkinje a été appréciée par une analyse en ligne au moyen d'un ordinateur de la distribution des intervalles entre les potentiels d'action. Les taux de PHT étaient avalués dans des échantillons de sang pris à la fin des expériences d'électrophysiologies et dans des échantillons prélevés successivement au cours d'expériences parallèles à des périodes correspondant où moment oil les enregistrements électrophysio‐logiques étaient recueillis. Des doses uniques de PHT IV (10 mg/kg 1 ) ont provoqué une diminution de la fréquence de décharge des cellules de Purkinje. Ces modifications, par rapport au taux de PHT dans le sérum, apparaissaient avec un certain retard et se prolongeaient plus tard. Une dose unique de PHT IP (100 mg/kg 1 ) a provoqué une diminution statistique‐ment significative (p < 0.02) de la fréquence de décharge de cellules de Purkinje. Des résultats similaires (p < 0.01) ont été obtenus après un prétraite‐ment par de la PHT (50 mg/kg 1 par jour pendant 14 jours y compris le jour de l'expérience). Les deux types d'injection n'ont pas provoqué de taux toxiques de PHT dans le sérum pendant la période d'enregistrement. Un prétraitement avec des doses de PHT de 10 mg/kg 1 pendant 14 jours (incluant le jour de l'experience) ont induit une diminution plus faible de la fréquence de décharge des cellules de Purkinje (p < 0.05). Quand le prétraitement était arrêté un jour avant l'expérience électrophysiologique, aucune modification significative de l'activité des cellules de Purkinje n'a été observé et les taux de PHT dans le sérum n'étaient pas détectables en fin d'expérience. Aucun des types de prétraitement n'a produit de signes témoignant d'un dysfonctionnement cérébelleux ou de troubles moteur. Ces résultats indiquent que la PHT peut augmenter les effets du cervelet en suppri‐mant l'activité des cellules de Purkinje. Puisque cette action peut survenir sans provoquer de signes de dysfonctionnement cérébelleux elle peut expliquer quelques uns des effets thérapeutiques, pour des taux non toxiques, de PHT chez l'homme. RESUMEN Se observaron los efectos de la fenitoina (PHT) sobre la actividad espontánea de células cerebelosas de Purkinje asi como los niveles séricos de ese fármaco después de la inyeccibn intravenosa e intraparenteral en ratas. La actividad de las células de Purkinje fue establecida por medio de análisis computarizado de una línea de las distribuciones del intervalo interictal. Los niveles de PHT fueron détérminados en muestras de sangre obtenidas al final de los experimentos electrofisiológicos y en muestras sucesivas tomadas en experimentos paralelos en periodos que se corre‐spondian con los registros electrofisiológicos. La inyección intravenosa en un bolus único (10 mg/kg 1 ) produjo una disminución de las descargas de las células de Purkinje individuates mostrando una relación temporal retrasada y prolongada cuando se comparó con los cambios en el nivel sérico de la PHT. Una dosis única intraparenteral de PHT (100 mg/kg 1 ) produjo una disminución estadísticamente significativa en las descargas de las células de Purkinje (p < 0.02). Resultados similares se obtuvieron (p < 0.01) después del pre‐tratamiento con PHT (50 mg/kg 1 al día durante 14 días incluyendo el día del experimento). Tanto un tipo de inyección como el otro produjeron niveles no‐tóxicos de PHT durante el periodo de registro. El pre‐tratamiento con PHT en dosis diarias de 10 mg/kg 1 durante 14 días (incluyendo el día del experimento) produjeron una disminución menor en la tasa de descargas de las células de Purkinje (p < 0.05). Cuando se interrumpió el pre‐tratamiento el día antes del experimento electrofisiológico no se observaron cambios significativos en la actividad de las células de Purkinje y los niveles séricos de la PHT al final del experimento fueron indétéctables. Ninguno de los programas de pre‐tratamiento produjo signos evidentes de disfunción cerebelosa o alteración motora. Estos hallazgos indican que la PHT puede aumentar el “output” cerebeloso suprimiendo la actividad de las células de Purkinje. Como quiera que este efecto tiene lugar sin que se produzcan sintomas cerebelosos, es posible que juegue un papel en el efecto terapéutico de la PHT en el hombre a nivelos no‐tóxicos. ZUSAMMENFASSUNG Die Wirkung des Phenytoins (PHT) auf die spontane Aktivität cerebellärer Purkinje‐Zellen und der Serumspiegel des Medikamentes wurde nach i.v. und i.p. Verabfolgung bei Ratten untersucht. Die Purkinje‐Zellaktivität wurde durch on‐line Komputeranalyse in der Verteilung der Intervalle zwischen den spikes bestimmt. PHT‐Spiegel wurden am Ende der elektro‐physiologischen Experimente bestimmt und ebenso in aufeinanderfolgenden Blutproben aus Parallel‐versuchen, die sich iiber Perioden erstreckten, die den elektrophysiologischen Untersuchungen ent‐sprachen. Einzelne i.v. Dosen von PHT (10 mg/kg“ 1 ) riefen eine Verminderung der Entladungsrate der individuellen Purkinje‐Zellen hervor mit einem Zeitlauf, der verzögert und prolongiert war verglichen mit den Veränderungen des Serumspiegels des PHT. Eine einzelne i.p. Dosis von PHT (100 mg/kg”‘) rief eine statistisch signifikante (p < 0.02) Abnahme der Entladungsrate der Purkinje‐Zellen hervor. Entsprechende Ergebnisse (p < 0.01) wurden erzielt nach Vorbehandlung mit PHT (50 mg/kg“ 1 täglich während 14 Tagen, einschließlich des Tages, an dem das Experiment durchgeführt wurde). Beide Injektionsschemata riefen nicht‐toxische Serum PHT‐Spiegel während der Ableitungsperiode hervor. Die Vorbehandlung mit PHT‐Dosen von 10 mg/kg für 14 Tage (einschließlich des Tages des Experiments) rief eine kleinere Abnahme der Entladungsrate der Purkinje‐Zellen hervor (p < 0.05). Wenn die Vorbehandlung einen Tag vor dem elektrophysiologischen Experiment aufgehört hat, wurden keine signifikanten Änderungen der Aktivität der Purkinje‐Zellen beobachtet, und die Serum PHT‐Spiegel waren am Ende des Experiments nicht meßbar. Keines der Pretreatment Schemata rief offenkundige Zeichen cerebellärer Dysfunktion oder eine motorische Beeinträchtigung hervor. Diese Ergebnisse zeigen, daß PHT durch Unterdrückung der Purkinje‐Zellaktivität die Aktivität des Cerebellum erhöhen kann. Da diese Wirkung zu beobachten ist ohne daß cerebelläre Symptome hervorgerufen Werden, könnte sie verantwortlich sein für einige der therapeutischen Wirkungen des PHT beim Menschen bei nicht toxischen Spiegeln.