Colocação de eletrodos estimuladores extracranianos e mensuração do fluxo sanguíneo cerebral e campos elétricos intracranianos em camundongos anestesiados

A estimulação elétrica transcraniana (tES; com estimulação por onda senoidal, tACS) é uma abordagem comum, externa e não invasiva da neuromodulação cerebral ^1,2. Previamente, levantamos a hipótese de que, em determinadas doses, a tES (e particularmente a tACS) poderia aumentar o fluxo sanguíneo cerebral (FSC) nas regiões cerebrais^{subjacentes 3}. Além disso, pode existir uma relação dose-resposta entre a corrente externa aplicada ou o campo elétrico intracraniano e as respostas resultantes do FSC. No entanto, a maioria dos protocolos de estimulação clínica tem focado em um nível máximo de estimulação confortável da pele (i.e., ~ 2 mA) por períodos de tempo programados (i.e., 30-45 min) como um protocolo de tratamento ^4,5. Em roedores, é possível utilizar eletrodos cerebrais extracranianos invasivos aplicados diretamente no crânio para investigar os campos elétricos no cérebro induzidos pela^EET6. Assim, o objetivo desta abordagem é determinar os efeitos da intensidade da tACS em frequências relevantes sobre as mudanças do FSC em termos da relação dose-resposta. Essa curva dose-resposta baseia-se em um biomarcador fisiológico de curto prazo – medidas diretas do FSC – em relação ao campo elétrico imposto ao cérebro³. Mostramos anteriormente que, em amplitudes maiores, tipicamente além da faixa de campos elétricos dentro do cérebro induzidos clinicamente pela tACS, existe uma correlação quase linear entre o campo elétrico induzido e o FSC no córtex³. No entanto, a estimulação de campo menor (ou seja, intensidade de 1-5 mV/mm) pode ser mais relevante e viável para uso em humanos; portanto, modificamos nossas técnicas para detectar alterações menores no FSC.

Este trabalho descreve um protocolo para analisar os efeitos das correntes senoidais alternadas de tES de menor intensidade de campo (tACS) sobre o FSC (isto é, corrente de 0,5-2,0 mA, campo elétrico de 1-5 mV/mm), que pode ser tolerado por roedores acordados⁵. Esse protocolo envolve o uso de novas imagens de laser speckle durante a tACS, bem como eletrodos de vidro intracraniano duplos, para determinar tanto a disseminação de tACS ativa dentro do cérebro (como monitorado pelo FSC) quanto a intensidade do campo elétrico intracraniano, que é mostrado tanto como um diagrama quanto como uma fotografia experimental real (Figura 1). Existem muitos efeitos fisiológicos possíveis da EETt no cérebro, incluindo modulação neuronal direta, plasticidade neural e ativação de astrócitos ^7,8. Embora o FSC tenha sido medido com ETCC ^9,10, essas medidas foram lentas, indiretas e insuficientes para avaliar a função dose-resposta no cérebro. Portanto, usando biomarcadores apropriados de curto prazo (i.e., FSC, campos elétricos) e sequências rápidas de liga/desliga de tACS, podemos agora estimar a função dose-resposta com mais precisão. Além disso, podemos aplicar diferentes técnicas para medir o FSC, incluindo sondas focais laser Doppler (LD) e laser speckle imaging (LSI) com regiões de interesse definidas.

Figura 1: Diagrama de estimulação transcraniana e exemplo fotográfico. (A) Diagrama do setup da estimulação transcraniana. O diagrama mostra um crânio de camundongo com pontos coronais e sagitais. Os eletrodos transcranianos são colocados lateral e simetricamente sobre o crânio e são montados com cola cirúrgica e pasta condutora entre os eletrodos e o crânio. Esses eletrodos são conectados a um dispositivo de estimulação de corrente constante compatível com humanos, que pode especificar a frequência, amplitude e duração da estimulação. Para a avaliação dos campos elétricos intracranianos, eletrodos de vidro bilaterais (~2 MΩ) são colocados no córtex cerebral (ou seja, dentro de 1 mm da face interna do crânio através de pequenos orifícios de rebarba), e estes são selados com óleo mineral e têm base de AgCl no músculo do pescoço (mostrados como fios maiores no centro enterrados no tecido cervical subcutâneo). Estes eletrodos de vidro são conectados a um amplificador DC, e suas saídas são gravadas através de um digitalizador com pelo menos quatro canais. Sondas laser Doppler bilaterais também são colocadas no crânio para registros. Todo o crânio também é fotografado com um dispositivo de imagem a laser speckle ou uma câmera resfriada de alta resolução (pelo menos 1.024 x 1.024 pixels, 12-14 bits de profundidade de pixel) para detecção de sinal óptico intrínseco. A frequência isosbestic da hemoglobina é tipicamente escolhida (isto é, 562 nm) para iluminação para imagens do fluxo sanguíneo. (B) Imagem em close-up de um experimento real, mostrando as sondas laser Doppler bilaterais (à esquerda), os microeletrodos de gravação de vidro intracraniano (bilateral) colocados através dos orifícios da broca e com os eletrodos estimuladores de tACS lateralmente. Abreviação: tACS = estimulação transcraniana por corrente alternada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Como forma de avaliar os mecanismos, também podemos interrogar interações com outros processos fisiológicos que também alteram o FSC, como a despolarização disseminada induzida por K⁺¹¹. Além disso, em vez de sessões agendadas em horários regulares, também é possível desenvolver um sistema de circuito fechado baseado em biomarcadores adicionais para uma variedade de doenças, como tem sido proposto para o tratamento da epilepsia¹² (i.e., dispositivos clínicos Neuropace). Por exemplo, a estimulação cerebral em circuito fechado para a doença de Parkinson é comumente baseada nos potenciais de campo local (LFPs) intrínsecos e anormais intrínsecos a essa doença na ausência de dopamina suficiente (tipicamente LFPs de banda β)¹³.