El modelo de circuito puede explicar cómo la estimulación cerebral profunda trata los síntomas de la enfermedad de Parkinson

Resumen: Un nuevo modelo informático muestra que los efectos beneficiosos de la estimulación cerebral profunda surgen de la forma en que interrumpe el ciclo que favorece la vía beta en un bucle de circuito entre el núcleo subtalámico y el cuerpo estriado.

La fuente: Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria

Las personas con enfermedad de Parkinson y sus médicos enfrentan muchas incógnitas, incluida la respuesta exacta sobre cómo la estimulación cerebral profunda (DBS, por sus siglas en inglés) alivia algunos de los síntomas motores que experimentan los pacientes.

En un nuevo estudio, científicos de la Universidad de Boston y el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria del MIT presentan un modelo detallado que explica la dinámica subyacente del circuito, proporcionando una explicación que, si se confirma experimentalmente, podría mejorar aún más la terapia.

Entre las cosas que se conocen sobre la enfermedad de Parkinson, un déficit del neuromodulador dopamina está asociado con ritmos de frecuencia beta anormalmente altos (ondas cerebrales a una frecuencia de alrededor de 20 Hz). DBS, que involucra la entrega de estimulación eléctrica de alta frecuencia a un área llamada núcleo subtalámico (STN), aparentemente suprime estos ritmos beta elevados, restaurando un equilibrio más saludable con otras frecuencias rítmicas y un mejor control de los movimientos.

El nuevo modelo informático basado en la biofísica descrito en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias postula que el efecto beneficioso de DBS surge de la forma en que interrumpe un círculo vicioso que promueve la fuga beta en un bucle de circuito entre el STN y una región llamada cuerpo estriado.

En 2011, la coautora del estudio Michelle McCarthy, profesora asistente de investigación de matemáticas y estadística en BU, usó modelos matemáticos para mostrar cómo, en ausencia de dopamina, podría surgir beta descontrolada en el cuerpo estriado debido a la excitación excesiva entre las células que viven en el cuerpo estriado llamado células medias. neuronas espinosas (MSN).

El modelo, dirigido por el postdoctorado Elie Adam del Instituto Picower, se basa en el descubrimiento de McCarthy. Adam y McCarthy se unen a los coautores Emery N. Brown, Edward Hood Taplin Profesor de Ingeniería Médica y Neurociencia Computacional en el MIT y Nancy Kopell, William Fairfield Warren Distinto Catedrático de Matemáticas y Estadística de la BU.

El trabajo del cuarteto postula que en condiciones saludables, con dopamina adecuada, las células del estriado llamadas interneuronas de pico rápido (FSI) pueden producir ritmos de frecuencia gamma (30-100 Hz) que regulan la actividad beta de MSN.

Pero sin dopamina, los ISP son incapaces de limitar la actividad de MSN, y beta llega a dominar todo un bucle de circuito que vincula el STN a los ISP, a los MSN, a otras regiones y luego al STN.

“El FSI gamma es importante para controlar la versión beta de MSN”, dijo Adam. “Cuando los niveles de dopamina caen, los MSN pueden producir más beta y los ISP pierden su capacidad de producir gamma para apagar ese beta, por lo que beta se vuelve loco. Los ISP luego son bombardeados con actividad beta y se convierten en conductos para beta, lo que lleva a su amplificación.

Cuando la estimulación DBS de alta frecuencia se aplica al STN, el modelo muestra que esto reemplaza la abrumadora entrada beta recibida por los FSI y restaura su excitabilidad.

Vigorizadas y liberadas de estos grilletes beta, las interneuronas comienzan a producir oscilaciones gamma nuevamente (a aproximadamente la mitad de la frecuencia de estimulación DBS, típicamente 135 Hz) que luego suprimen la actividad beta de los MSN. Dado que los MSN ya no producen demasiada beta, el bucle que vuelve al RTC y luego a los ISP ya no está dominado por esta frecuencia.

“DBS evita que la beta se propague a los ISP para que ya no se amplifique, y luego, al excitar adicionalmente a los ISP, restaura la capacidad de los ISP para producir fuertes oscilaciones gamma, que a su vez inhibirán la beta hasta su fuente, dijo Adán.

Entre las cosas que se conocen sobre la enfermedad de Parkinson, un déficit del neuromodulador dopamina está asociado con ritmos de frecuencia beta anormalmente altos (ondas cerebrales a una frecuencia de alrededor de 20 Hz). La imagen es de dominio público

El modelo revela otra arruga significativa. En circunstancias normales, los diferentes niveles de dopamina ayudan a dar forma a la gamma producida por los ISP. Pero los ISP también reciben información de la corteza cerebral.

En la enfermedad de Parkinson, donde la dopamina está ausente y la beta se vuelve dominante, los FSI pierden su flexibilidad reguladora, pero en medio de DBS, con la dominancia beta interrumpida, los FSI pueden ser modulados por la entrada de la corteza incluso con dopamina todavía ausente. Esto les permite limitar la gamma que proporcionan a los MSN y permitir una expresión armoniosa de los ritmos beta, gamma y theta.

Al proporcionar una explicación profunda basada en la fisiología de cómo funciona DBS, el estudio también puede ofrecer pistas a los médicos sobre cómo hacer que funcione mejor para los pacientes, dijeron los autores. La clave es encontrar los ritmos gamma óptimos de los ISF, que pueden variar bastante de un paciente a otro. Si esto se puede determinar, el ajuste de la tasa de estimulación DBS para favorecer esta salida gamma debería garantizar los mejores resultados.

Sin embargo, antes de que esto pueda probarse, los resultados fundamentales del modelo deben validarse experimentalmente. El modelo hace las predicciones necesarias para que tales pruebas procedan, dijeron los autores.

Los Institutos Nacionales de Salud financiaron la investigación.

Acerca de esta noticia de investigación de DBS y la enfermedad de Parkinson

Autor: David Orenstein
La fuente: Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria
Contactar con: David Orenstein – Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria
Imagen: La imagen es de dominio público

Investigacion original: Acceso cerrado.
“La estimulación cerebral profunda en el núcleo subtalámico de la enfermedad de Parkinson puede restaurar la dinámica de las redes estriatales” por Michelle McCarthy et al. PNAS


Resumen

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La estimulación cerebral profunda en el núcleo subtalámico para la enfermedad de Parkinson puede restaurar la dinámica de las redes estriatales

La estimulación cerebral profunda (DBS) del núcleo subtalámico (STN) es muy eficaz para aliviar la discapacidad del movimiento en pacientes con enfermedad de Parkinson (EP). Sin embargo, se desconoce su mecanismo de acción terapéutica.

El cuerpo estriado sano exhibe una rica dinámica resultante de una interacción de oscilaciones beta, gamma y theta. Estos ritmos son esenciales para la selección y ejecución de los programas motores, y su pérdida o exageración debido al agotamiento de la dopamina (DA) en la EP es una fuente importante de déficit conductuales.

La restauración de los ritmos naturales puede jugar un papel decisivo en la acción terapéutica de DBS. Estamos desarrollando un modelo biofísico en red de una vía de BG para estudiar cómo pueden surgir oscilaciones beta anormales a lo largo de la BG en la EP y cómo DBS puede restaurar los ritmos estriatales beta, gamma y theta normales.

Nuestro modelo incorpora proyecciones STN conocidas desde hace mucho tiempo pero poco estudiadas en el cuerpo estriado, que se dirigen preferentemente a las interneuronas de pico rápido (FSI). Encontramos que DBS en STN puede normalizar la actividad de las neuronas espinosas medias del estriado al reclutar la dinámica de FSI y restaurar la potencia inhibitoria de FSI observada en condiciones normales.

También encontramos que DBS permite la reexpresión de los ritmos gamma y theta, que se cree que dependen de los altos niveles de DA y, por lo tanto, se pierden en la EP, a través del control del ruido cortical. Nuestro estudio destaca que los efectos de DBS pueden ir más allá de la regulación de la dinámica de flujo de salida de glucosa en sangre para restaurar la dinámica interna normal de glucosa en sangre y la capacidad de regularla.

También sugiere cómo se pueden aprovechar las oscilaciones gamma y theta para complementar el tratamiento DBS y mejorar su eficacia.

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