El ajuste de la frecuencia de disparo de un circuito cerebral profundo específico altera de manera inmediata y dramática la actividad del cerebro anterior de las ratas y los niveles de alerta, según han demostrado los investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford.
Los resultados, que se publicarán en línea el 10 de diciembre en eLife tienen implicaciones directas para un enfoque terapéutico cada vez más extendido llamado estimulación cerebral profunda. Señalan el potencial de DBS para restaurar la conciencia en pacientes con conciencia mínima y contrarrestar otros casos de alteración de la conciencia. Los hallazgos también destacan la importancia de determinar las frecuencias óptimas de estimulación paraLos dispositivos DBS se utilizan en una amplia gama de trastornos cerebrales y demuestran un método para hacer esas determinaciones.
La investigación sugiere que una estructura cerebral puede ser como una radio cuyas diferentes estaciones, que operan a diferentes frecuencias y reproducen diferentes tipos de música, atraen o repelen a diferentes "audiencias".
DBS implica la inserción de un dispositivo de señalización eléctrica en un área específica del cerebro. Ha proporcionado beneficios terapéuticos a pacientes con trastornos que van desde la enfermedad de Parkinson y el temblor esencial hasta la depresión mayor y el trastorno obsesivo compulsivo.
"Los métodos que empleamos para rastrear los circuitos de regulación de la excitación en el cerebro pueden guiar la investigación de DBS sobre todos estos trastornos y otros", dijo el autor principal del estudio, Jin Hyung Lee, PhD, profesor asistente de neurología, de neurocirugíay de bioingeniería en Stanford. "Las estructuras cerebrales que demostramos ser críticas en la regulación de la excitación, y las conexiones entre ellas, son prácticamente las mismas en ratas y humanos, por lo que tenemos grandes esperanzas de ver nuestros hallazgos, así como nuestros métodos, traducido a ensayos clínicos. "
La autoría principal es compartida por el erudito postdoctoral Hyun Joo Lee, PhD, y los estudiantes de posgrado Jia Liu, Andrew Weitz y Zhongnan Fang.
Otro de los coautores del estudio es Nicholas Schiff, MD, profesor de neurología y neurociencia en el Weill Cornell Medical College en la ciudad de Nueva York. En un estudio de caso publicado en 2007, Schiff y sus colegas demostraron que estimula la electricidad en la porción central del tálamo- una estación de retransmisión del cerebro profundo que dirige las entradas desde los sentidos a una miríada de centros de procesamiento cognitivo en toda la corteza cerebral - podría restaurar la conciencia en un paciente que había estado en un estado mínimamente consciente durante seis años.
"Pero no había forma de saber cómo funcionaba", dijo Lee. "La estimulación eléctrica desencadena de forma no selectiva la activación de todo tipo de células nerviosas cercanas a la punta del electrodo, incluidas las de los tractos cercanos pero irrelevantes. No se puede usarpara identificar el circuito, o circuitos, en los que la estimulación eléctrica ejerce su efecto beneficioso, mucho menos para dilucidar exactamente cómo ".
Interacción de estructuras cerebrales
En el nuevo estudio, el grupo de Lee rastreó la interacción entre distintas estructuras en todo el cerebro, entre ellas el tálamo, la corteza somatosensorial y la zona incerta, y mostró cómo esta interacción regula los estados de excitación. Para hacer esto, combinaronvarios enfoques, incluyendo optogenética, resonancia magnética funcional de todo el cerebro, electroencefalografía y electrofisiología de una sola unidad. Esta combinación permitió a Lee y sus asociados excitar o inhibir células nerviosas específicas a voluntad en un grupo de células nerviosas en el tálamo central de las ratas,mientras se observa simultáneamente la actividad resultante en toda la corteza cerebral.
La optogenética implica la instalación de proteínas sensibles a la luz en la superficie de las células nerviosas seleccionadas para que estas células, y solo estas células, puedan ser excitadas o inhibidas por frecuencias específicas de luz láser suministrada a través de una fibra óptica implantada quirúrgicamente., con una resolución de menos de una quincuagésima de pulgada en cada dimensión, monitorea simultáneamente los niveles de actividad nerviosa en múltiples regiones del cerebro. La electrofisiología de una sola unidad, que inserta microelectrodos en el cerebro y registra la actividad eléctrica de las células nerviosas individuales, permite a los investigadorescero en circuitos dentro de zonas de interés que han sido señalados por la técnica de fMRI de cerebro completo más global pero menos específica.
Los científicos de Stanford experimentaron en ratas de laboratorio normales que habían sido bioingeniería de manera que ciertas células nerviosas excitadoras en el tálamo central presentaran proteínas sensibles a la luz en sus superficies. La luz láser podría ser entregada a través de fibras ópticas para causar células nerviosas talámicas centrales que contienen esosproteínas para disparar. Los investigadores estimularon el cerebro de las ratas con pulsos láser a tres frecuencias diferentes: 10, 40 y 100 hercios. En cada caso, la estimulación se realizó en forma de ráfagas de 20 segundos, una vez por minuto, durante seis minutos, imitando más o menos el ciclo estándar de DBS.
En las tres frecuencias, la actividad en el tálamo central aumentó. Pero los efectos en las áreas del cerebro que reciben entradas dependían de la frecuencia: como lo muestra la fMRI de todo el cerebro, se activó mucho más tejido cerebral en la corteza frontal a 40 y100 hertzios a 10 hertzios. Estimular el tálamo central a 10 hertzios en realidad suprimió la actividad en la corteza somatosensorial, una región del cerebro que recibe entradas del tálamo central y es esencial para mantener el estado de alerta. Los investigadores validaron esto monitoreando el nervio de la corteza somatosensorial individualcélulas que utilizan electrofisiología de una sola unidad.
La supresión de las células nerviosas de la corteza somatosensorial a 10 hertzios implicaba que las células nerviosas inhibidoras de otro lugar debían intervenir, y que su comportamiento dependía de la frecuencia.
Los investigadores luego se centraron en la zona incerta, una estructura debajo del tálamo que consiste principalmente en células nerviosas inhibidoras y se sabe que envía señales a la corteza somatosensorial. Esta vez, los investigadores estimularon el tálamo central a 10 hertzios y a 40 hertzios mientras observabanLos efectos en la zona incerta a través de la electrofisiología de una sola unidad y el monitoreo del cerebro anterior con electroencefalografía encontraron que la estimulación de 10 hertzios provocó formas de onda electroencefalográficas y electrofisiológicas características del sueño o la inconsciencia mucho más pronunciada que la estimulación de 40 hertzios.
Efecto de alta versus baja frecuencia
Razonando que el tálamo central se estaba comunicando con la zona incerta, el grupo de Lee realizó una bioingeniería adicional de los animales de prueba para que la luz azul todavía disparara sus células nerviosas central-talámicas excitadoras, pero la luz amarilla apagaría las células nerviosas inhibidoras en su zonaIncerta: estimulando continuamente el área talámica central de estas ratas con luz azul, los investigadores suprimieron o permitieron, por turnos, la actividad de la zona incerta al encender o apagar el láser amarillo.
Como se esperaba, la luz amarilla suprimió la actividad de las células nerviosas en la zona incerta, liberando la corteza somatosensorial de la supresión observada anteriormente en la estimulación optogenética de 10 hertzios del tálamo central. Al apagar la luz amarilla se activó la zona nerviosa de las células nerviosasactividad, con la supresión de la actividad en la corteza somatosensorial reanudando. La zona incerta estaba actuando como un interruptor de circuito dependiente de la frecuencia.
En un experimento conductual, los investigadores estimularon optogenéticamente el tálamo central de las ratas dormidas. A 10 hertzios, los animales dormidos se congelaron, de una manera que sugiere el arresto conductual observado en personas que sufren un ataque de ausencia, lo que provoca un breve lapso deconciencia a menudo caracterizada por una mirada en blanco. La condición es más común en niños que en adultos. A 40 o 100 hertzios, los animales se despertaron instantáneamente y comenzaron a explorar sus entornos. El EEG mostró formas de onda asociadas con la pérdida de conciencia en los 10 hertzios.caso y de excitación en las frecuencias más altas.
Los resultados del estudio marcan un cambio conceptual de una noción de déficit o exceso químico de trastornos cerebrales a una teoría de procesamiento de información más matizada de cómo funciona el cerebro y, cuando no está funcionando bien, por qué no.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Centro médico de la Universidad de Stanford . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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