Modelul de circuit poate explica modul în care stimularea profundă a creierului tratează simptomele bolii Parkinson

Rezumat: Un nou model computerizat arată că efectele benefice ale stimulării profunde a creierului provin din modul în care întrerupe ciclul favorizând calea beta într-o buclă de circuit între nucleul subtalamic și striat.

Sursă: Institutul Picower pentru Învățare și Memorie

Persoanele cu boala Parkinson și medicii lor se confruntă cu multe necunoscute, inclusiv răspunsul exact la întrebarea cu privire la modul în care stimularea cerebrală profundă (DBS) ameliorează unele dintre simptomele motorii experimentate de pacienți.

Într-un nou studiu, oamenii de știință de la Universitatea din Boston și Institutul Picower pentru Învățare și Memorie din MIT prezintă un model detaliat care explică dinamica de bază a circuitului, oferind o explicație care, dacă este confirmată experimental, ar putea îmbunătăți și mai mult terapia.

Printre lucrurile cunoscute despre boala Parkinson, un deficit al neuromodulatorului dopamină este asociat cu ritmuri anormal de înalte ale frecvenței beta (unde cerebrale la o frecvență de aproximativ 20 Hz). DBS, care implică livrarea de stimulare electrică de înaltă frecvență într-o zonă numită nucleu subtalamic (STN), aparent suprimă aceste ritmuri beta crescute, restabilind un echilibru mai sănătos cu alte frecvențe ritmice și un control mai bun al mișcărilor.

Noul model de computer bazat pe biofizică descris în Proceedings of the National Academy of Sciences presupune că efectul benefic al DBS apare din modul în care întrerupe un cerc vicios care promovează fuga beta într-o buclă de circuit între STN și o regiune numită striat.

În 2011, co-autoarea studiului Michelle McCarthy, profesor de cercetare asistent de matematică și statistică la BU, a folosit modele matematice pentru a arăta cum, în absența dopaminei, beta-ul evaporat ar putea apărea în striat din cauza excitației excesive în rândul celulelor care trăiesc în striatul numit celule mijlocii. neuroni spinoși (MSN).

Modelul, condus de postdoc Elie Adam de la Institutul Picower, se bazează pe descoperirea lui McCarthy. Adam și McCarthy se alătură co-autorilor Emery N. Brown, Edward Hood Taplin profesor de inginerie medicală și neuroștiință computațională la MIT și Nancy Kopell, William Fairfield Warren Distinct Profesor de Matematică și Statistică la BU.

Lucrările cvartetului arată că, în condiții sănătoase, cu dopamină adecvată, celulele striatale numite interneuroni cu vârf rapid (FSI) pot produce ritmuri de frecvență gamma (30-100 Hz) care reglează activitatea beta MSN.

Dar fără dopamină, ISP-urile nu pot limita activitatea MSN, iar beta ajunge să domine o întreagă buclă de circuit care leagă STN de ISP-uri, de MSN-uri, de alte regiuni și apoi de STN.

„Gama FSI este importantă pentru controlul MSN beta”, a spus Adam. „Când nivelurile de dopamină scad, MSN-urile pot produce mai multă beta, iar ISP-urile își pierd capacitatea de a produce gamma pentru a opri acea beta, așa că beta devine sălbatic. ISP-ii sunt apoi bombardați cu activitate beta și devin ei înșiși conducători pentru beta, ceea ce duce la amplificare.

Atunci când stimularea DBS de înaltă frecvență este aplicată STN, modelul arată că aceasta înlocuiește intrarea copleșitoare beta primită de FSI și restabilește excitabilitatea acestora.

Revigorați și eliberați de aceste cătușe beta, interneuronii încep să producă din nou oscilații gamma (la aproximativ jumătate din frecvența de stimulare a DBS, de obicei 135 Hz), care apoi suprimă activitatea beta din MSN. Deoarece MSN-urile nu mai produc prea multă beta, bucla care duce înapoi la RTC și apoi la ISP-uri nu mai este dominată de această frecvență.

„DBS împiedică propagarea beta către ISP, astfel încât să nu mai fie amplificată și apoi, excitând suplimentar ISP-urile, restabilește capacitatea ISP-urilor de a produce oscilații gamma puternice, care la rândul lor vor inhiba beta la sursă, ” a spus Adam.

Printre lucrurile cunoscute despre boala Parkinson, un deficit al neuromodulatorului dopamină este asociat cu ritmuri anormal de înalte ale frecvenței beta (unde cerebrale la o frecvență de aproximativ 20 Hz). Imaginea este în domeniul public

Modelul dezvăluie o altă ridă semnificativă. În circumstanțe normale, diferite niveluri de dopamină ajută la modelarea gama produsă de furnizorii de servicii de internet. Dar ISP-urile primesc și informații de la cortexul cerebral.

În boala Parkinson, în care dopamina este absentă și beta devine dominantă, FSI-urile își pierd flexibilitatea de reglementare, dar în mijlocul DBS, cu dominanța beta întreruptă, FSI-urile pot fi în schimb modulate de intrarea din cortex chiar și cu dopamina încă absentă. Acest lucru le permite să limiteze gama pe care o oferă MSN-urilor și să permită exprimarea armonioasă a ritmurilor beta, gamma și theta.

Oferind o explicație profundă bazată pe fiziologie a modului în care funcționează DBS, studiul poate oferi, de asemenea, clinicienilor indicii despre cum să-l facă să funcționeze cel mai bine pentru pacienți, au spus autorii. Cheia este să găsiți ritmurile gamma optime ale ISF-urilor, care pot varia destul de mult de la pacient la pacient. Dacă acest lucru poate fi determinat, ajustarea ratei de stimulare DBS pentru a favoriza această ieșire gamma ar trebui să asigure cele mai bune rezultate.

Înainte de a putea fi testat, totuși, rezultatele fundamentale ale modelului trebuie validate experimental. Modelul face predicțiile necesare pentru ca astfel de teste să poată continua, au spus autorii.

National Institutes of Health a finanțat cercetarea.

Despre acest DBS și știrile de cercetare a bolii Parkinson

Autor: David Orenstein
Sursă: Institutul Picower pentru Învățare și Memorie
A lua legatura: David Orenstein – Institutul Picower pentru Învățare și Memorie
Imagine: Imaginea este în domeniul public

Cercetare originală: Accesul închis.
„Stimularea profundă a creierului în nucleul subtalamic al bolii Parkinson poate restabili dinamica rețelelor striatale” de Michelle McCarthy și colab. PNAS


Abstract

Vezi si

Arată oameni care ridică băuturi

Stimularea profundă a creierului în nucleul subtalamic al bolii Parkinson poate restabili dinamica rețelelor striatale

Stimularea profundă a creierului (DBS) a nucleului subtalamic (STN) este foarte eficientă în atenuarea dizabilității de mișcare la pacienții cu boala Parkinson (PD). Cu toate acestea, mecanismul său de acțiune terapeutică este necunoscut.

Striatul sănătos prezintă o dinamică bogată rezultată dintr-o interacțiune a oscilațiilor beta, gamma și theta. Aceste ritmuri sunt esențiale pentru selecția și execuția programelor motorii, iar pierderea sau exagerarea lor din cauza epuizării dopaminei (DA) în PD este o sursă majoră de deficite comportamentale.

Restabilirea ritmurilor naturale poate juca apoi un rol decisiv în acțiunea terapeutică a DBS. Dezvoltăm un model biofizic în rețea al căii BG pentru a studia modul în care oscilațiile beta anormale pot apărea pe parcursul BG în PD și modul în care DBS poate restabili ritmurile striatale normale beta, gamma și theta.

Modelul nostru încorporează proiecții STN de mult cunoscute, dar puțin studiate la nivelul striatului, care vizează preferabil interneuronii cu vârf rapid (FSI). Găsim că DBS în STN poate normaliza activitatea neuronilor spinoși medii striatali prin recrutarea dinamicii FSI și restabilirea potenței inhibitoare a FSI observată în condiții normale.

De asemenea, constatăm că DBS permite reexprimarea ritmurilor gamma și theta, despre care se crede că sunt dependente de niveluri ridicate de DA și, prin urmare, sunt pierdute în PD, prin controlul zgomotului cortical. Studiul nostru evidențiază că efectele DBS pot depăși reglarea dinamicii fluxului de glucoză din sânge pentru a restabili dinamica normală a glicemiei interne și capacitatea de a le regla.

De asemenea, sugerează modul în care oscilațiile gamma și theta pot fi valorificate pentru a completa tratamentul DBS și pentru a-și îmbunătăți eficacitatea.

Add Comment