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La frequenza specifica dell'infornamento del circuito del profondo-cervello può alterare l'attività del forebrain, livelli della vigilanza

La regolazione della frequenza specifica dell'infornamento di un circuito del profondo-cervello immediatamente ed altera drammaticamente l'attività del forebrain dei ratti ed i livelli della vigilanza, ricercatori della scuola di medicina di Stanford University hanno indicato.

I risultati, essere pubblicato il 10 dicembre online nel eLife, le implicazioni dirette della tenuta per un approccio terapeutico sempre più diffuso hanno chiamato lo stimolo del profondo-cervello. Indicano il potenziale di DBS per la riparazione della coscienza in pazienti come minimo coscienti ed il ricambio degli altri casi della coscienza alterata. I risultati egualmente evidenziano l'importanza di determinazione delle frequenze ottimali di stimolo per le unità di DBS utilizzate attraverso una vasta gamma di disordini del cervello e dimostrano un metodo per la fabbricazione delle quelle determinazioni.

La ricerca suggerisce che una struttura del cervello possa essere come una radio di cui le stazioni differenti, funzionanti alle frequenze differenti e giocanti i generi differenti di musica, variamente attirano o respingono “il pubblico d'ascolto differente.„

DBS comprende l'inserzione di un'unità di elettrico-segnalazione in un'area specifica del cervello. Ha fornito ai vantaggi terapeutici ai pazienti i disordini che variano dalla malattia del Parkinson e dal tremito essenziale alla depressione principale ed al disordine ossessivo.

“I metodi che abbiamo impiegato per tenere la carreggiata i circuiti del regolamento del risveglio nel cervello possono guidare la ricerca di DBS su tutti questi disordini ed altri,„ ha detto l'autore senior dello studio, Jin Hyung Lee, il PhD, assistente universitario della neurologia, di neurochirurgia e della bioingegneria a Stanford. “Le strutture del cervello che abbiamo mostrato per essere critici nel risveglio di regolamentazione e nelle connessioni fra loro, sono virtualmente le stesse in ratti ed in esseri umani, in modo da in noi fanno tradurre il grandi speranze di vedere i nostri risultati come pure i nostri metodi, in test clinici.„

La condizione di scrittore del cavo è divisa dallo studioso postdottorale Hyun Joo Lee, PhD ed i dottorandi Jia Liu, Andrew Weitz e zanna di Zhongnan.

Un altro dei co-author dello studio è Nicholas Schiff, MD, professore della neurologia e della neuroscienza all'istituto universitario medico di Weill Cornell in New York. In uno studio finalizzato pubblicato nel 2007, Schiff ed i suoi colleghi hanno dimostrato quello che stimola elettricamente la parte centrale del talamo -- gli input del profondo-cervello di relè di un routing della stazione dai sensi aconoscitivo-trattamento innumerevole concentra in tutto la corteccia cerebrale -- potrebbe riparare la coscienza in un paziente che era stato in uno stato come minimo cosciente per sei anni.

“Ma non c'era modo sapere ha funzionato,„ ha detto Lee. “Lo stimolo elettrico avvia non selettivamente l'infornamento in tutti i tipi di cellule nervose vicino al suggerimento di elettrodo, compreso quelli in vicino ma i tratti irrilevanti. Non può essere usato per segnare il circuito con esattezza, o gira intorno a, in cui lo stimolo elettrico sta esercitando il suo effetto benefico, molto più di meno per delucidare esattamente come.„

Interazione delle strutture del cervello

Nel nuovo studio, il gruppo di Lee ha tenuto la carreggiata l'interazione fra le strutture distinte in tutto l'intero cervello -- fra loro il talamo, la corteccia somatosensory e il incerta di zona -- ed indicato come questa interazione regolamenta gli stati del risveglio. Per fare questo, hanno combinato parecchi approcci, compreso il optogenetics, l'imaging a risonanza magnetica funzionale del intero-cervello, l'elettroencefalografia e l'elettrofisiologia unipolare. Questa combinazione ha permesso che Lee e lei soci eccitassero o inibissero le cellule nervose specifiche a volontà in un cluster delle cellule nervose nel talamo centrale dei ratti, mentre simultaneamente osservava l'attività risultante in tutto la corteccia cerebrale.

Optogenetics comporta installare le proteine sensibili alla luce sulla superficie delle cellule nervose selezionate in moda da potere essere eccitato o inibire queste celle e soltanto queste celle, dalle frequenze specifiche di luce laser consegnate via una fibra ottica chirurgicamente impiantata. il fMRI del Intero-cervello, con una risoluzione di di meno che il un-cinquantesimo di un pollice in ogni dimensione, riflette simultaneamente i livelli di radioattività del nervo nelle regioni multiple del cervello. Elettrofisiologia unipolare -- inserendo i microelettrodi nel cervello e registrare l'attività elettrica delle diverse cellule nervose -- lascia i ricercatori zero sui circuiti all'interno delle zone di interesse che sono state inbandierate dalla tecnica più globale ma meno più specifica del fMRI del intero-cervello.

Gli scienziati di Stanford hanno sperimentato sui ratti altrimenti normali del laboratorio che erano stati bioengineered in modo dalle cellule nervose eccitanti sicure nel talamo centrale hanno caratterizzato le proteine sensibili alla luce sulle loro superfici. La luce laser ha potuto essere consegnata attraverso le fibre ottiche per causare le cellule nervose centrale-thalamic che contengono quelle proteine per infornare. I ricercatori hanno stimolato i cervelli dei ratti con gli impulsi del laser a tre frequenze differenti --10, 40 e 100 hertz. In ogni caso, lo stimolo è continuato sotto forma di 20 secondi burst, una volta un minuto, per sei minuti, imitante approssimativamente il ciclo standard di DBS.

A tutte e tre le frequenze, l'attività nel talamo centrale è aumentato. Ma gli effetti sulle aree del cervello che ricevono gli input da erano frequenza-dipendenti: Come indicato dal fMRI del intero-cervello, molto più tessuto cerebrale nella corteccia frontale è stato attivato a 40 e 100 hertz che a 10 hertz. La stimolazione del talamo centrale a 10 hertz realmente ha soppresso l'attività nella corteccia somatosensory, una regione del cervello che riceve gli input dal talamo centrale ed è essenziale alla vigilanza di mantenimento. I ricercatori hanno convalidato questo riflettendo le diverse cellule nervose della somatosensory-corteccia facendo uso dell'elettrofisiologia unipolare.

La soppressione delle cellule nervose della somatosensory-corteccia a 10 hertz ha implicato che le cellule nervose inibitorie da da qualche altra parte dovessero intervenire e che il loro comportamento era frequenza-dipendente.

I ricercatori dopo hanno messo a fuoco sul incerta di zona, una struttura sotto il talamo che è fatto di principalmente le cellule nervose inibitorie e noto per inviare i segnali alla corteccia somatosensory. Questa volta, i ricercatori hanno stimolato il talamo centrale a 10 hertz e a 40 hertz mentre guardavano gli effetti nel incerta di zona via l'elettrofisiologia unipolare e riflettendo il forebrain con l'elettroencefalografia. Hanno trovato che 10 hertz di stimolo hanno suscitato le forme d'onda electroencephalographic ed elettrofisiologiche caratteristiche di sonno o di inconsapevolezza molto più pronouncedly di 40 hertz di stimolo hanno fatto.

Effetto del livello contro bassa frequenza

Ragione per cui il talamo centrale stava comunicando con il incerta di zona, il gruppo di Lee ulteriormente bioengineered gli animali da esperimento in modo che l'indicatore luminoso blu ancora infornasse sulle loro cellule nervose centrale-thalamic eccitanti, ma la luce gialla interromperebbe le cellule nervose inibitorie nel loro incerta di zona. Continuamente stimolando l'area thalamic centrale di questi ratti con indicatore luminoso blu, i ricercatori dai giri hanno soppresso o permesso l'attività di incerta di zona passando il laser giallo inserita/disinserita.

Come previsto, la luce gialla ha soppresso l'attività delle cellule nervose nel incerta di zona, rilasciante la corteccia somatosensory dalla soppressione osservata più presto nei 10 hertz di stimolo optogenetic del talamo centrale. Passando rapidamente fuori dalla luce gialla si è inserito attività delle cellule nervose di incerta di zona, con soppressione di attività nel ripristino somatosensory della corteccia. Il incerta di zona stava fungendo da interruttore frequenza-dipendente.

In un esperimento comportamentistico, i ricercatori optogenetically hanno stimolato il talamo centrale dei ratti di sonno. A 10 hertz, gli animali di sonno si sono congelati, in un modo indicativo dell'arresto comportamentistico veduto nella gente che soffre da un attacco di assenza, che causa un breve intervallo di consapevolezza caratterizzato spesso da uno sguardo fisso in bianco. (La circostanza è più comune in bambini che gli adulti.) A 40 o 100 hertz, gli animali immediatamente hanno svegliato e cominciato attivamente esplorare i loro ambienti. L'elettroencefalogramma ha rivelato le forme d'onda connesse con perdita della coscienza nel caso da 10 hertz e di risveglio alle più alte frequenze.

I risultati dello studio tracciano uno spostamento concettuale da una nozione di prodotto-deficit-o-eccesso dei disordini del cervello ad una teoria più sfumata di elaborazione delle informazioni di come gli impianti di cervello e, quando non sta funzionando bene, perché non.

Source:

Stanford University Medical Center