Entre as coisas que se sabe sobre a doença de Parkinson está que um déficit do neuromodulador dopamina está associado a ritmos de frequência beta anormalmente altos (ondas cerebrais a uma frequência de cerca de 20 Hz).
Resumindo
Um novo modelo de computador mostra que os efeitos benéficos da estimulação cerebral profunda surgem de como ela interrompe o ciclo que promove a pista beta em um loop de circuito entre o núcleo subtalâmico e o estriado.
Estudo
Pessoas com doença de Parkinson e seus médicos enfrentam muitas incógnitas, incluindo a resposta exata de como a estimulação cerebral profunda (DBS) alivia alguns dos sintomas motores que os pacientes experimentam.
Em um novo estudo, cientistas da Universidade de Boston e do Instituto Picower de Aprendizagem e Memória do MIT apresentam um modelo detalhado explicando a dinâmica do circuito subjacente, fornecendo uma explicação que, se confirmada experimentalmente, poderia melhorar ainda mais a terapia.
Entre as coisas que se sabe sobre a doença de Parkinson está que um déficit do neuromodulador dopamina está associado a ritmos de frequência beta anormalmente altos (ondas cerebrais a uma frequência de cerca de 20 Hz). O DBS, envolvendo a entrega de estimulação elétrica de alta frequência a uma região chamada núcleo subtalâmico (STN), aparentemente suprime esses ritmos beta elevados, restaurando um equilíbrio mais saudável com outras frequências rítmicas e melhor controle do movimento.
O novo modelo computacional de base biofísica descrito no Proceedings of the National Academy of Sciences postula que o efeito benéfico do DBS surge de como ele interrompe um ciclo vicioso que promove o beta descontrolado em um loop de circuito entre o STN e uma região chamada estriado.
Em 2011, a coautora do estudo Michelle McCarthy, professora assistente de pesquisa de matemática e estatística na BU, usou modelos matemáticos para mostrar como, na ausência de dopamina, beta descontrolado pode surgir no estriado devido à excitação excessiva entre as células que vivem no estriado chamadas neurônios espinhosos médios (MSNs).
O modelo, liderado pelo pós-doutorado do Instituto Picower Elie Adam, baseia-se na descoberta de McCarthy. Juntando-se a Adam e McCarthy estão os co-autores Emery N. Brown, Edward Hood Taplin Professor de Engenharia Médica e Neurociência Computacional no MIT e Nancy Kopell, William Fairfield Warren Distinguished Professor de Matemática e Estatística na BU.
O trabalho do quarteto postula que, em condições saudáveis, com dopamina adequada, as células do estriado chamadas interneurônios de pico rápido (FSIs) podem produzir ritmos de frequência gama (30-100 Hz) que regulam a atividade beta dos MSNs.
Mas sem dopamina, os FSIs são incapazes de limitar a atividade do MSN e o beta passa a dominar todo um loop de circuito conectando o STN aos FSIs, aos MSNs, a outras regiões e depois de volta ao STN.
“O gama FSI é importante para manter o MSN beta sob controle”, disse Adam. “Quando os níveis de dopamina diminuem, os MSNs podem produzir mais beta e os FSIs perdem sua capacidade de produzir gama para extinguir esse beta, então o beta enlouquece.
Os FSIs são então bombardeados com atividade beta e se tornam canais para o beta, levando à sua amplificação.
Quando a estimulação de alta frequência DBS é aplicada ao STN, mostra o modelo, isso substitui a entrada beta esmagadora recebida pelos FSIs e restaura sua excitabilidade.
Revigorados e livres desses grilhões beta, os interneurônios voltam a produzir oscilações gama (em cerca de metade da frequência de estimulação DBS, normalmente a 135 Hz) que então suprimem a atividade beta dos MSNs.
Com os MSNs não produzindo mais muito beta, o loop que leva de volta ao STN e depois aos FSIs não é mais dominado por essa frequência.
“O DBS impede que o beta se propague em direção aos FSIs para que não seja mais amplificado e, em seguida, ao excitar adicionalmente os FSIs, restaura a capacidade dos FSIs de produzir fortes oscilações gama, que por sua vez inibirão o beta em sua fonte”, disse Adam.
O modelo revela outra ruga importante. Em circunstâncias normais, diferentes níveis de dopamina ajudam a moldar a gama produzida pelos FSIs. Mas os FSIs também recebem informações do córtex cerebral.
Na doença de Parkinson, onde a dopamina está ausente e a beta se torna dominante, os FSIs perdem sua flexibilidade regulatória, mas em meio ao DBS, com a dominância beta interrompida, os FSIs podem ser modulados pela entrada do córtex, mesmo com a dopamina ainda ausente.
Isso lhes permite uma maneira de estrangular a gama que fornecem aos MSNs e permitir uma expressão harmoniosa dos ritmos beta, gama e.
Ao fornecer uma explicação profunda baseada na fisiologia de como o DBS funciona, o estudo também pode oferecer aos médicos pistas sobre como fazê-lo funcionar melhor para os pacientes, disseram os autores.
A chave é encontrar os ritmos gama ideais dos FSIs, que podem variar um pouco de paciente para paciente. Se isso puder ser determinado, ajustar a frequência de estimulação DBS para promover essa saída gama deve garantir os melhores resultados.
Antes que isso possa ser testado, no entanto, as descobertas fundamentais do modelo precisam ser validadas experimentalmente. O modelo faz previsões necessárias para que esses testes prossigam, disseram os autores.
Os Institutos Nacionais de Saúde forneceram financiamento para a pesquisa.
Referências
Author: David Orenstein
Source: Picower Institute for Learning and Memory
Contact: David Orenstein – Picower Institute for Learning and Memory
Original Research: Closed access.
“Deep brain stimulation in the subthalamic nucleus for Parkinson’s disease can restore dynamics of striatal networks” by Michelle McCarthy et al. PNAS
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