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La frecuencia de la despedida del circuito específico del profundo-cerebro puede alterar la actividad del forebrain, niveles de la vigilancia

Ajustar frecuencia de la despedida de un circuito específico del profundo-cerebro inmediatamente y altera dramáticamente la actividad del forebrain de las ratas y los niveles de la vigilancia, investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford han mostrado.

Las conclusión, ser publicado el 10 de diciembre en línea en eLife, las implicaciones directas del asimiento para una aproximación terapéutica cada vez más dispersa llamaron el estímulo del profundo-cerebro. Apuntan al potencial de DBS para restablecer conciencia en pacientes como mínimo conscientes y contradecir otros casos de la conciencia empeorada. Las conclusión también destacan la importancia de determinar las frecuencias óptimas del estímulo para los dispositivos de DBS usados a través de una amplia gama de desordenes del cerebro y demuestran un método para hacer esas determinaciones.

La investigación sugiere que una estructura del cerebro pueda ser como una radio cuyas diversas estaciones, operando en diversas frecuencias y jugando diversas clases de música, atraigan o repelan diverso a diversas “audiencias que escuchan.”

DBS implica la inserción de un dispositivo de la eléctrico-transmisión de señales en un área específica del cerebro. Ha proveído de ventajas terapéuticas a los pacientes los desordenes que colocaban de la enfermedad y del temblor esencial de Parkinson a la depresión importante y al desorden obsesivo.

“Los métodos que empleamos para rastrear el conjunto de circuitos de la regla del despertar en el cerebro pueden conducir la investigación de DBS sobre todos estos desordenes, y otros,” dijo al autor mayor del estudio, Jin Hyung Lee, doctorado, profesor adjunto de la neurología, de la neurocirugía y de la bioingeniería en Stanford. “Las estructuras del cerebro que mostramos para ser críticos en despertar de regulación, y las conexiones entre ellas, están virtualmente lo mismo en ratas y seres humanos, así que nosotros hacen granes esperanzas de considerar nuestras conclusión, así como nuestros métodos, traducir a juicios clínicas.”

La profesión de escritor del guía es compartida por el escolar postdoctoral Hyun Joo Lee, doctorado, y estudiantes de tercer ciclo Jia Liu, Andrew Weitz y colmillo de Zhongnan.

Otros de los co-autores del estudio son Nicholas Schiff, Doctor en Medicina, profesor de la neurología y de la neurología en la universidad médica de Weill Cornell en New York City. En un estudio de caso publicado en 2007, Schiff y sus colegas demostraron que eléctricamente estimulando la porción central del tálamo -- entradas del profundo-cerebro de relevo de un encaminamiento de la estación de los sentidos a los centros de cognoscitivo-tramitación de la miríada en la corteza cerebral -- podría restablecer conciencia en un paciente que había estado en un estado como mínimo consciente por seis años.

“Pero no había manera de saber trabajó,” dijo a Lee. El “estímulo eléctrico acciona no selectivamente la despedida en toda clase de células nerviosas cerca del extremo de electrodo, incluyendo ésos en cerca pero trechos inútiles. No puede ser utilizado para establecer claramente el circuito, ni circula, en el cual el estímulo eléctrico está ejerciendo su efecto beneficioso, para aclarar mucho menos exactamente cómo.”

Interacción de las estructuras del cerebro

En el nuevo estudio, el grupo de Lee rastreó la interacción entre las estructuras distintas en el cerebro entero -- entre ellas el tálamo, la corteza somáticosensorial y el incerta del zona -- y mostrado cómo esta interacción regula estados del despertar. Para hacer esto, combinaron varias aproximaciones, incluyendo optogenetics, proyección de imagen de resonancia magnética funcional del entero-cerebro, electroencefalografía y electrofisiología de unidad única. Esta combinación permitió que Lee y ella los socios excitaran o que inhibieran las células nerviosas específicas a voluntad en un atado de las células nerviosas en el tálamo central de ratas, mientras que simultáneamente observaba actividad resultante en la corteza cerebral.

Optogenetics exige el instalar de las proteínas sensibles a la luz en la superficie de las células nerviosas seleccionadas para poder ser excitado o inhibir estas células, y solamente estas células, por las frecuencias específicas de la luz laser entregadas vía una fibra óptica quirúrgico implantada. el fMRI del Entero-cerebro, con una resolución menos que uno-quincuagésimo de una pulgada en cada dimensión, vigila simultáneamente niveles de actividad del nervio en regiones múltiples del cerebro. Electrofisiología de unidad única -- inserción de los microelectrodos en el cerebro y registración la actividad eléctrica individual de las células nerviosas -- permite a los investigadores cero en los circuitos dentro de las zonas del interés que han sido señaladas por medio de una bandera por la técnica más global pero menos más específica del fMRI del entero-cerebro.

Los científicos de Stanford experimentaron en las ratas de otra manera normales del laboratorio que habían sido bioengineered así que ciertas células nerviosas excitadoras en el tálamo central ofrecieron las proteínas sensibles a la luz en sus superficies. La luz laser se podía entregar a través de fibras ópticas para causar las células nerviosas central-talámicas que contenían esas proteínas al fuego. Los investigadores estimularon los cerebros de las ratas con pulsos del laser en tres diversas frecuencias --10, 40 y 100 hertz. En cada caso, el estímulo procedió bajo la forma de 20 segundos explosiones, una vez al minuto, por seis minutos, imitando áspero el ciclo estándar de DBS.

En las tres frecuencias, la actividad en el tálamo central aumentó. Pero los efectos sobre las áreas del cerebro que recibían entradas de ella eran dependientes de la frecuencia: Como se muestra por el fMRI del entero-cerebro, mucho más tejido cerebral en la corteza frontal fue activado en 40 y 100 hertz que en 10 hertz. Estimular el tálamo central en 10 hertz suprimió real la actividad en la corteza somáticosensorial, una región del cerebro que recibe entradas del tálamo central y es esencial para la vigilancia que mantiene. Los investigadores validaron esto vigilando las células nerviosas individuales de la somáticosensorial-corteza usando la electrofisiología de unidad única.

La supresión de las células nerviosas de la somáticosensorial-corteza en 10 hertz implicó que las células nerviosas inhibitorias de en algún otro lugar deben intervenir, y que su comportamiento era dependiente de la frecuencia.

Los investigadores después se centraron en el incerta del zona, una estructura abajo del tálamo que consistía sobre todo en las células nerviosas inhibitorias y sabido para enviar señales a la corteza somáticosensorial. Esta vez, los investigadores estimularon el tálamo central en 10 hertz y en 40 hertz mientras que miraban los efectos en el incerta del zona vía la electrofisiología de unidad única y vigilan el forebrain con electroencefalografía. Encontraron que 10 hertz de estímulo sacaron las formas de onda electroencephalographic y electrofisiológicas características de sueño o de inconsciencia lejos más pronunciado de 40 hertz de estímulo hicieron.

Efecto del alto comparado con de baja fricción

Razonando que el tálamo central comunicaba con el incerta del zona, el grupo de Lee más lejos bioengineered los animales de prueba de modo que la luz azul todavía encendiera hacia arriba sus células nerviosas central-talámicas excitadoras, solamente la luz ámbar cerraría las células nerviosas inhibitorias en su incerta del zona. Contínuo estimulando el área talámica central de estas ratas con la luz azul, los investigadores por giros suprimieron o permiso actividad del incerta del zona cambiando el laser amarillo con./desc.

Como se esperaba, la luz ámbar suprimió actividad de la nervio-célula en el incerta del zona, liberando la corteza somáticosensorial de la supresión observada anterior en los 10 hertz de estímulo optogenetic del tálamo central. El chasquear de la luz ámbar encendió (con.) actividad de la nervio-célula del incerta del zona, con la supresión de la actividad en la reanudación somáticosensorial de la corteza. El incerta del zona actuaba como corta-circuito dependiente de la frecuencia.

En un experimento del comportamiento, los investigadores optogenetically estimularon el tálamo central de las ratas el dormir. En 10 hertz, los animales el dormir congelaron, de una forma sugestivo de la detención del comportamiento vista en la gente que sufría de una captura de la ausencia, que causa un lapso abreviado de la percatación caracterizado a menudo por una mirada fija en blanco. (La condición es más común en niños que adultos.) En 40 o 100 hertz, los animales despertaron y comenzaron inmediatamente afanosamente a explorar sus ambientes. EEG mostró las formas de onda asociadas a la baja de la conciencia en el caso de 10 hertz y del despertar en las frecuencias más altas.

Los resultados del estudio marcan un movimiento conceptual de una noción del substancia-déficit-o-exceso de los desordenes del cerebro a una teoría de información-tramitación más llena de matices de cómo los trabajos de cerebro y, cuando no está trabajando bien, porqué no.

Source:

Stanford University Medical Center