Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han utilizado la estimulación cerebral profunda basada en la luz para tratar la disfunción motora en un modelo animal de la enfermedad de Parkinson. Al tener éxito donde los intentos anteriores han fallado, el método promete proporcionar nuevas ideas sobre por qué funciona la estimulación cerebral profunda y formasque se puede mejorar paciente por paciente.
Los resultados aparecen en línea el 20 de abril en The Revista de Neurociencia .
"Si piensa en el área del cerebro que se está tratando en la estimulación cerebral profunda como un plato de espagueti, con las albóndigas que representan los cuerpos de las células nerviosas y los espaguetis que representan los axones de las células nerviosas, existe un debate de larga data sobre si el tratamiento está afectando elespaguetis, las albóndigas o alguna combinación de ambas ", dijo Warren Grill, profesor distinguido de la Escuela de Ingeniería Biomédica de Edmund T. Pratt, Jr. en Duke.
"Pero es una pregunta imposible de responder usando métodos tradicionales porque la estimulación eléctrica profunda del cerebro los afecta tanto a ellos como a los pimientos, las cebollas y todo lo demás en el plato. Sin embargo, nuestro nuevo método basado en la luz es capaz de apuntar solo a uningrediente único, por lo que ahora podemos comenzar a descifrar los efectos individuales de activar diferentes elementos neuronales ".
En la metáfora de Grill, las albóndigas son las neuronas que forman el núcleo subtalámico, un pequeño componente del sistema de control de los ganglios basales que se cree que realiza la selección de acciones. Si bien su función exacta sigue siendo desconocida, la investigación sugiere que contiene respuestas musculares enEl espagueti en el tazón representa fibras nerviosas largas llamadas la vía hiperdirecta que se extiende dentro de la región desde las neuronas en la corteza cerebral, la delgada capa externa de neuronas responsables de la mayor parte del procesamiento de la información del cerebro. Y los pimientos, cebollas y otros ingredientesson los diversos tipos de células de soporte que se encuentran en todo el cerebro.
Como sugiere Grill, es casi imposible descifrar el papel que desempeñan todos estos diversos tipos de células en la mediación de los efectos de la estimulación cerebral profunda utilizando métodos tradicionales. Los tipos individuales de células no pueden distinguirse por estimulación eléctrica, y los pulsos eléctricos quedan ciegossensores de los investigadores durante un milisegundo crucial directamente después de disparar.
En 2006, un equipo de investigadores intentó utilizar la optogenética para evitar estos problemas. La optogenética es un método de modificación genética de células específicas para expresar canales iónicos sensibles a la luz, lo que permite a los investigadores controlar su actividad con destellos de luz.canales iónicos sensibles a la luz en el núcleo subtalámico "albóndigas" en ratas y pulsos de luz centelleante a la misma velocidad utilizada en la estimulación cerebral profunda. Sin embargo, el tratamiento no logró aliviar ninguno de los síntomas físicos de las ratas, lo que llevó a los investigadores a concluirque estimular el núcleo subtalámico por sí solo es un enfoque de tratamiento inadecuado.
Pero el estudio nunca estuvo en la mente de Grill.
"Las neuronas estimuladas con optogenética generalmente no responden muy rápidamente, y me pareció que los investigadores estaban encendiendo sus luces más rápido de lo que las neuronas podían seguir", dijo Grill. "Los datos confirmaron esto, ya que elLas neuronas parecían responder al azar en lugar de sincronizarse con los destellos. Y la investigación previa que realizamos demostró que los patrones aleatorios de estimulación cerebral profunda no son efectivos para aliviar los síntomas ".
Grill tardó más de una década en probar su teoría, pero dos desarrollos recientes le permitieron seguir su presentimiento. Los investigadores desarrollaron una forma más rápida de optogenética llamada Chronos que podía mantenerse al día con las velocidades tradicionalmente utilizadas en el cerebro profundoestimulación. Y Chunxiu Yu, un científico investigador con experiencia en optogenética, se unió al laboratorio de Grill. También contribuyeron al trabajo en el laboratorio de Grill Isaac Cassar, un estudiante de doctorado en ingeniería biomédica, y Jaydeep Sambangi, un estudiante de ingeniería biomédica.
En el nuevo documento, Yu incorporó la maquinaria de optogenética de Chronos en las neuronas del núcleo subtalámico de las ratas que recibieron enfermedades parecidas a la enfermedad de Parkinson en la mitad de sus cerebros. Este modelo ayuda a los investigadores a determinar cuándo un tratamiento es exitoso porque el resultadolos síntomas de movimiento físico solo ocurren en un lado del cuerpo de la rata y luego proporcionan estimulación cerebral profunda usando destellos de luz a los 130 destellos estándar por segundo.
Como Grill sospechó por primera vez hace casi 15 años, la técnica funcionó y los síntomas físicos de las ratas se aliviaron sustancialmente.
Según Grill, su resultado tiene varias implicaciones importantes. Una es que los investigadores deben considerar las propiedades cinéticas de la rapidez con que pueden actuar los enfoques optogenéticos al diseñar sus experimentos y prestar mucha atención al rendimiento en sus estudios. Otra idea fue la forma en queotras neuronas fuera del núcleo subtalámico respondieron al tratamiento. Si bien no hubo una gran diferencia en sus niveles de actividad promedio, hubo un cambio dramático en el patrón en el que esas neuronas dispararon, lo que ofrece pistas sobre cómo funciona la estimulación cerebral profunda.
Pero quizás el resultado más importante es simplemente que la técnica funcionó en absoluto. Además de ofrecer una visión mucho más clara de la actividad neuronal mediante la eliminación de artefactos eléctricos, la capacidad de administrar estimulación cerebral profunda a subconjuntos precisos de neuronas debería permitir a los investigadores comenzar a explorar exactamentequé partes del cerebro necesitan ser estimuladas y cómo las terapias podrían adaptarse para tratar diferentes síntomas de control motor caso por caso.
Como su próximo experimento en esta línea de investigación, Grill y sus colegas planean recrear este mismo estudio pero en la vía hiperdirecta, los espaguetis en lugar de las albóndigas, para ver cuál podría ser su contribución individual para aliviar los síntomas.
"Esto es muy importante porque en algún lugar de ese gran tazón de espagueti hay algunos elementos que son responsables del tratamiento de los síntomas y algunos elementos que generan efectos secundarios", dijo Grill. "Y si podemos averiguar cuál es cuál, podemos diseñargeometrías y patrones de estimulación de electrodos para apuntar a los elementos que suprimen los síntomas mientras dejan a los demás solos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Ken Kingery. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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