Ativação optogenética de caminhos diferentes em fatias cerebrais e modulação de respostas por anestésicos voláteis

Anestésicos voláteis têm sido usados onipresentemente em uma variedade de ambientes clínicos e acadêmicos por mais de um século. Classes distintas de anestésicos têm alvos moleculares únicos, muitas vezes não sobrepostos ^1,2,3, mas quase todos eles produzem inconsciência. Embora seus efeitos comportamentais sejam bastante previsíveis, os mecanismos pelos quais os anestésicos induzem a perda de consciência são amplamente desconhecidos. Os anestésicos podem, em última análise, influenciar tanto o nível quanto o conteúdo da consciência através de ações em circuitos corticotalâmicos, interrompendo a integração da informação em toda a hierarquia cortical 4,5,6,7,8,9. De forma mais ampla, a modulação de circuitos corticotalâmicos pode desempenhar um papel experimentalmente¹⁰ ou farmacologicamente¹¹ estados alterados de consciência, e também pode ser implicada no sono¹² e em distúrbios fisiodósiológicos da consciência^13,14.

A esquiva dos mecanismos subjacentes à perda e ao retorno da consciência durante a anestesia pode ser atribuída parcialmente a ações não lineares e sinérgicas de anestésicos nos níveis celular, de rede e sistemas¹⁵. Isoflurane, por exemplo, suprime a atividade dentro das regiões cerebrais selecionadas 16,17,18, prejudica a conectividade entre regiões cerebrais distantes 19,20,21,22,23, e diminui as respostas sinápticas de forma específica da via^24,25 . Quais efeitos dos anestésicos, do nível molecular ao dos sistemas, são necessários ou suficientes para efetuar a perda de consciência permanece incerto. Além das investigações clínicas substantivas da consciência utilizando técnicas não invasivas ^19,20,26, é importante que os experimentalistas busquem desembaraçar as distintas interações celulares e de rede que subservem a experiência consciente.

Simplificando as interações complexas encontradas no cérebro intacto, as fatias cerebrais ex vivo permitem o estudo de componentes isolados dos sistemas dinâmicos do cérebro⁹. Uma preparação reduzida de fatias combina os benefícios de estruturas anatômicas relativamente intactas de circuitos neurais locais com a versatilidade de manipulações in vitro. No entanto, até recentemente, as restrições metodológicas têm impedido o estudo das propriedades sinápticas e de circuito de insumos de longo alcance em fatias cerebrais^27,28; o caminho tortuoso dos tratos de fibra corticotalâmica tornou a ativação de vias independentes, mas impossíveis por estimulação elétrica.

Investigar os efeitos dos agentes anestésicos nas preparações de fatias cerebrais apresenta desafios adicionais. Sem um sistema respiratório e circulatório intacto, os agentes anestésicos devem ser aplicados no banho, e concentrações cuidadosamente combinadas com concentrações estimadas do local de efeito. Para muitos agentes anestésicos intravenosos, a lenta taxa de equilíbrio no tecido torna as investigações farmacológicas tradicionais laboriosas^29,30. Investigar os efeitos de anestésicos voláteis de gás nas preparações ex vivo é mais tratável, mas também apresenta desafios. Estes incluem a conversão de doses de pressão parcial inaladas em concentrações aquosas, e a necessidade de um sistema de entrega modificado da droga para o tecido através de fluido espinhal cerebral artificial³¹.

Aqui, os métodos são descritos pelos quais os investigadores podem capitalizar as propriedades físico-químicas bem documentadas do anestésico volátil para entrega de drogas para fatias cerebrais ex vivo, ativar entradas específicas de caminhos e camadas para uma área cortical de interesse com alta resolução espacial, e realizar gravações simultâneas de laminar e registros de grampos direcionados de populações selecionadas de neurônios. Combinados, esses procedimentos permitem aos pesquisadores medir alterações induzidas por anestésicos voláteis em várias propriedades de resposta eletrofisiológica observável, do nível sináptico ao nível da rede local.