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La fréquence spécifique de l'allumage du circuit de profond-cerveau peut modifier l'activité de cerveau antérieur, niveaux de vigilance

Le réglage de la fréquence spécifique de l'allumage d'un circuit de profond-cerveau immédiatement et modifie spectaculaire l'activité du cerveau antérieur des rats et les niveaux de vigilance, chercheurs d'École de Médecine d'Université de Stanford ont montré.

Les découvertes, pour être le 10 décembre en ligne publié dans l'eLife, implications directes de prise pour une stimulation appelée de profond-cerveau d'approche thérapeutique de plus en plus répandue. Ils indiquent le potentiel de DBS pour remettre la conscience dans les patients d'une façon minimum conscients et contrer d'autres cas de conscience nuie. Les découvertes également mettent en valeur l'importance de déterminer des fréquences optimales de stimulation pour des dispositifs de DBS utilisés en travers d'un large éventail de troubles cérébraux et expliquent une méthode pour effectuer ces déterminations.

La recherche propose qu'une structure cérébrale puisse être comme une radio dont les différentes stations, fonctionnant à différentes fréquences et jouant différents genres de musique, différemment attirent ou repoussent différents « publics de écoute. »

DBS comporte la mise en place d'un dispositif d'électrique-signalisation dans une région du cerveau spécifique. Il a fourni aux indemnités thérapeutiques aux patients des troubles s'échelonnant du tremblement de maladie de Parkinson et d'essentiel à la dépression principale et au trouble obsessionnel.

« Les méthodes que nous avons utilisées pour suivre les circuits du règlement d'éveil dans le cerveau peuvent guider la recherche de DBS sur tous ces troubles, et d'autres, » a dit l'auteur supérieur de l'étude, Jin Hyung Lee, PhD, professeur adjoint de la neurologie, de la neurochirurgie et de la bio-ingénierie chez Stanford. « Les structures cérébrales qui nous avons montré pour être critiques dans l'éveil de réglementation, et les liens entre eux, sont pratiquement les mêmes chez les rats et les êtres humains, ainsi nous font traduire des grandes espérances de voir nos découvertes, ainsi que nos méthodes, en tests cliniques. »

La profession d'auteur de fil est partagée par le chercheur post-doctoral Hyun Joo Lee, PhD, et étudiants de troisième cycle Jia Liu, Andrew Weitz et crochet de Zhongnan.

Un un autre des co-auteurs de l'étude est Nicholas Schiff, DM, professeur de la neurologie et de la neurologie à la faculté de médecine de Weill Cornell à New York City. Dans une étude de cas publiée en 2007, Schiff et ses collègues ont expliqué qu'électriquement stimulant la partie centrale du thalamus -- entrées d'un routage de station de relais de profond-cerveau des sens aux centres de cognitif-traitement de myriade dans tout le cortex cérébral -- pourrait remettre la conscience dans un patient qui avait été dans une condition d'une façon minimum consciente pendant six années.

« Mais il n'y avait aucune voie de savoir cela a fonctionné, » a dit Lee. La « électrostimulation déclenche non sélectivement l'allumage dans toutes sortes de cellules nerveuses près du bout d'électrode, y compris ceux dans tout près mais les régions inutiles. Elle ne peut pas être employée pour indiquer exactement le circuit, ou circuite, en lequel l'électrostimulation exerce son bienfait, pour élucider beaucoup moins exact comment. »

Effet des structures cérébrales

Dans l'étude neuve, le groupe de Lee a suivi l'effet parmi les structures distinctes à travers le cerveau entier -- parmi elles le thalamus, le cortex somatosensoriel et l'incerta de zona -- et montré comment cet effet règle des conditions d'éveil. Pour faire ceci, elles ont combiné plusieurs approches, y compris l'optogenetics, l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle d'entier-cerveau, l'électroencéphalographie et l'électrophysiologie unipolaire. Cette combinaison a permis à Lee et à elle des associés d'exciter ou empêcher les cellules nerveuses spécifiques à volonté dans un boîtier des cellules nerveuses dans le thalamus central des rats, tout en simultanément observant l'activité donnante droit dans tout le cortex cérébral.

Optogenetics nécessite de monter les protéines sensibles à la lumière sur la surface des cellules nerveuses sélectées de sorte que ces cellules, et seulement ces cellules, puissent être excitées ou empêchées par des fréquences spécifiques de lumière laser fournies par l'intermédiaire d'une fibre optique chirurgicalement implantée. le fMRI d'Entier-cerveau, avec une définition de moins que l'un-cinquantième de pouce dans chaque cote, surveille simultanément des niveaux d'activité de nerf dans les régions du cerveau multiples. Électrophysiologie unipolaire -- insertion des micro-électrodes dans le cerveau et l'activité électrique enregistrement des différentes cellules nerveuses -- laisse les chercheurs zéro sur des circuits dans les zones d'intérêt qui ont été marquées par le plus global mais de moins de technique spécifique de fMRI d'entier-cerveau.

Les scientifiques de Stanford ont expérimenté sur les rats autrement normaux de laboratoire qui avaient été bioengineered ainsi certaines cellules nerveuses excitatoires dans le thalamus central ont comporté les protéines sensibles à la lumière sur leurs surfaces. La lumière laser a pu être fournie par des fibres optiques pour entraîner les cellules nerveuses central-thalamiques contenant ces protéines pour allumer. Les chercheurs ont stimulé les cerveaux des rats avec des pouls de laser à trois fréquences différentes --10, 40 et 100 hertz. Dans chaque cas, la stimulation a effectué sous forme des 20 seconde paquets d'impulsions, une fois une minute, pendant six mn, imitant rugueux le cycle normal de DBS.

À chacune des trois fréquences, l'activité dans le thalamus central a augmenté. Mais les effets sur des endroits de cerveau recevant des entrées de elle étaient liés à la fréquence : Comme montré par le fMRI d'entier-cerveau, beaucoup plus de tissu cérébral dans le cortex de face a été activé à 40 et 100 hertz qu'à 10 hertz. La stimulation du thalamus central à 10 hertz a supprimé réellement l'activité dans le cortex somatosensoriel, une région du cerveau qui reçoit des entrées du thalamus central et est essentielle à la vigilance de mise à jour. Les chercheurs ont validé ceci en surveillant différentes cellules nerveuses de somatosensoriel-cortex utilisant l'électrophysiologie unipolaire.

L'élimination des cellules nerveuses de somatosensoriel-cortex à 10 hertz a impliqué que les cellules nerveuses inhibitrices de ailleurs doivent intervenir, et que leur comportement était lié à la fréquence.

Les chercheurs ensuite se sont concentrés sur l'incerta de zona, une structure en dessous du thalamus consistant en grande partie en cellules nerveuses inhibitrices et su pour envoyer des signes au cortex somatosensoriel. Cette fois, les chercheurs ont stimulé le thalamus central à 10 hertz et à 40 hertz tout en observant les effets dans l'incerta de zona par l'intermédiaire de l'électrophysiologie unipolaire et surveillant le cerveau antérieur avec l'électroencéphalographie. Ils ont constaté que la stimulation de 10 hertz a obtenu des formes d'onde électroencéphalographiques et électrophysiologiques caractéristiques du sommeil ou de l'inconscience bien plus prononcé que la stimulation de 40 hertz ont fait.

Effet de haut contre la basse fréquence

Raison pour laquelle le thalamus central communiquait avec l'incerta de zona, le groupe de Lee davantage bioengineered les animaux de test de sorte que la lumière bleue allume toujours leurs cellules nerveuses central-thalamiques excitatoires, mais la lumière jaune arrêterait les cellules nerveuses inhibitrices dans leur incerta de zona. Continuement stimulant l'endroit thalamique central de ces rats avec la lumière bleue, les chercheurs aux spires ont supprimé ou ont permis l'activité d'incerta de zona en commutant le laser jaune mise en marche/arrêt.

En tant que lumière prévue et jaune a supprimé l'activité de cellule nerveuse dans l'incerta de zona, relâchant le cortex somatosensoriel de l'élimination observée plus tôt dans la stimulation optogenetic de 10 hertz du thalamus central. Passer rapidement hors de la lumière jaune a alimenté l'activité de cellule nerveuse d'incerta de zona, avec l'élimination de l'activité dans la reprise somatosensorielle de cortex. L'incerta de zona agissait en tant que disjoncteur lié à la fréquence.

Dans une expérience comportementale, les chercheurs ont optogenetically stimulé le thalamus central des rats de sommeil. À 10 hertz, les animaux de sommeil ont gelé, en quelque sorte suggestif de l'arrestation comportementale vue dans les gens souffrant d'un grippage d'absence, qui entraîne une brève déchéance de conscience souvent caractérisée par un regard fixe neutre. (La condition est plus courante chez les enfants que des adultes.) À 40 ou 100 hertz, les animaux ont immédiatement réveillé et ont commencé à explorer activement leurs environnements. L'EEG a démontré l'associé à une perte de formes d'onde de la conscience dans le cas de 10 hertz et de l'éveil aux fréquences plus hautes.

Les résultats de l'étude marquent une commande des vitesses conceptuelle d'une notion de produit chimique-déficit-ou-excès des troubles cérébraux à une théorie de traitement de l'information plus diversifiée de la façon dont les travaux de cerveau et, quand cela ne fonctionne pas bien, pourquoi pas.

Source:

Stanford University Medical Center