Evaluación de la recuperación funcional de la actividad del diafragma eupneico después de la hemisección unilateral de la médula espinal cervical en ratas

Hay más de 300,000 personas con lesión de la médula espinal (SCI) en los Estados Unidos, aproximadamente la mitad de las cuales^{tienen lesiones} cervicales. Estas lesiones resultan en una pérdida significativa de bienestar y ejercen una presión financiera sobre las personas, sus familias y el sistema de atención médica. Afortunadamente, la mayoría de las lesiones de la médula espinal son^incompletas, lo que ofrece la posibilidad de fortalecer las vías preservadas. Esta neuroplasticidad puede permitir la recuperación de al menos algunas funciones, incluida la actividad DIAm, que es importante para los comportamientos ventilatorios y no ventilatorios. Por lo tanto, la promoción de la neuroplasticidad es una vía prometedora de investigación para ayudar a las personas con LME².

Los modelos de LME en roedores tienen el potencial de contribuir sustancialmente al descubrimiento de tratamientos para mejorar la salud humana. Uno de los modelos clásicos de LM utilizados para estudiar la neuroplasticidad es la transección unilateral (hemisección) de la médula espinal en_C2 (C₂SH), que deja intacto el lado contralateral 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. El efecto de_C2SH sobre la producción frénica y la importancia de las vías contralaterales preservadas fue revelado por primera vez hace más de cien años por Porter¹², cuyo artículo seminal sentó las bases para los estudios modernos de la neuroplasticidad respiratoria. El modelo_C2SH interrumpe las entradas descendentes del grupo respiratorio ventral rostral (rVRG) en la médula, que contiene las neuronas premotoras responsables de transmitir la salida de la generación del ritmo respiratorio¹⁴. Estas neuronas premotoras rVRG también transmiten el impulso neuronal excitatorio a las neuronas motoras frénicas (Figura 1). Varios investigadores han adoptado diferentes enfoques para el modelo C₂SH 10,11,15,16, lo que puede explicar en parte parte la variabilidad en la recuperación entre los estudios. Brevemente, los abordajes varían en términos de preservar los funículos dorsales, realizar una hemisección completa o realizar una transección parcial lateral que no interrumpa completamente las entradas descendentes de la rVRG ipsilateral. En general, los modelos de C₂SH son particularmente útiles para estudiar la neuroplasticidad respiratoria debido a las tasas de recuperación espontánea de la actividad electromiográfica (EMG) eupneica iDIAm a lo largo del tiempo, que puede mejorarse mediante varios factores, incluida la señalización neurotrófica 17,18,19,20,21. Sin embargo, primero se debe establecer una pérdida inicial de la función, definida como el silenciamiento de la actividad EMG eupneica de iDIAm, antes de que la recuperación pueda clasificarse claramente. Esta validación de la inactividad en el momento de la C₂SH no se realiza en varios estudios ^{3,4,6,7,11,22,23}.

Las evaluaciones histológicas de la médula espinal extirpada solo proporcionan evidencia de daño en la ubicación apropiada de las vías bulboespinales excitadoras ipsilaterales que inervan las neuronas motoras frénicas en la médula espinal, pero la histología no sustituye la evidencia fisiológica (p. ej., DIAm EMG). Además, las evaluaciones histológicas se realizan ex vivo en puntosterminales (a menudo varias semanas o meses después de la lesión) y no proporcionan información “en tiempo real”. Algunos investigadores han observado que la magnitud de la lesión se relaciona con la cantidad de déficit funcional o falta del mismo 5,24,25,26. Es importante tener en cuenta que la validez de tales afirmaciones probablemente depende en gran medida de cómo se clasifique la “función” (es decir, cuáles son las tareas funcionales y cómo se cuantifican), y la variabilidad entre los estudios pone de manifiesto la dificultad de producir lesiones funcionalmente idénticas en todos los animales. De hecho, los investigadores han enfatizado que la relación entre el grado de lesión y la función locomotora de los músculos de las extremidades (cuantificada por la puntuación de Basso, Beattie y Bresnahan (BBB)²⁴) no es lineal^27,28. En estudios previos, no hemos encontrado relación entre la extensión de la C₂SH y el grado de recuperación de la actividad EMG eupneica iDIAm después de la lesión 10,29,30,31, aunque otros investigadores han reportado una relación entre la función ventilatoria y el grado de preservación de la sustancia blanca ⁵. Por lo tanto, en el caso del modelo C₂SH, es beneficioso y necesario un enfoque para la validación funcional de la inactividad de iDIAm en el momento de la cirugía y, preferiblemente, en el curso temprano del curso del tiempo de los experimentos de lesión crónica de la médula espinal.

El presente artículo destaca el uso de DIAm EMG para la confirmación en tiempo real de la pérdida inicial de DIAm EMG durante la respiración después de la C₂SH, así como las evaluaciones confirmatorias posteriores a los 3 días (Día 3) después de la lesión 18,21,31,32,33. En trabajos anteriores con el modelo C₂SH, se realizaron laparotomías repetidas para registrar DIAm EMG 10,13,30,34. Sin embargo, trabajos más recientes han utilizado electrodos de EMG crónicos, que permiten el registro de EMG en ratas anestesiadas y despiertas. Además, los electrodos crónicos reducen el riesgo de neumotórax y no requieren laparotomías repetidas, lo que puede causar inhibición del DIAm^35,36. A pesar de que las versiones del modelo C₂SH han sido utilizadas por muchos investigadores, la confirmación del silenciamiento de la actividad de iDIAm no se realizó en el momento de la cirugía 3,4,6,7,11,22,23. Sin tal confirmación de la inactividad, es difícil saber qué parte de la recuperación posterior atribuir a la neuroplasticidad de las vías ipsilaterales frente a las contralaterales, que pueden tener impactos diferenciales. Esta es una consideración importante porque el impulso neuronal inspiratorio de la rVRG a las motoneuronas frénicas es principalmente ipsilateral, con una pérdida de aproximadamente el 50% de las entradas glutamatérgicas excitatorias a las neuronas motoras frénicas después de C₂SH³³. Sin embargo, quedan entradas excitadoras inspiratorias de la rVRG contralateral que decusan por debajo del sitio de la lesión para inervar las neuronas motoras frénicas ipsilaterales y pueden fortalecerse a través de la neuroplasticidad para promover la recuperación funcional. Al eliminar la entrada excitatoria ipsilateral predominante a las neuronas motoras frénicas, se pierde la actividad EMG eupneica iDIAm (al menos bajo anestesia), mientras que la actividad del cDIAm continúa e incluso se incrementa. La pérdida de la actividad EMG de iDIAm durante la respiración es, por lo tanto, una medida de un C₂SH exitoso (Figura 2).

Algún nivel de actividad de iDIAm EMG está presente tan pronto como 1-4 días después de C₂SH en animales despiertos^23,37. Además, en animales descerebrados, la actividad de iDIAm está presente minutos u horas después de la hemisección cervical superior y es suprimida por la anestesia³⁸. Además, el éxito del C₂SH se valida al confirmar la ausencia de actividad de iDIAm EMG durante la respiración (eupnea) en ratas anestesiadas el día 3 después de la lesión. Los estudios de imagen confocal confirmaron la pérdida de entradas sinápticas glutamatérgicas en las neuronas motoras frénicas durante esta etapa inicial de la lesión³⁷. En el día 3 después de la lesión, si hay alguna actividad eupneica residual de iDIAm EMG, esto se interpreta como evidencia de eliminación incompleta del impulso inspiratorio descendente ipsilateral de la rVRG. El presente artículo se divide en tres secciones: (1) registros crónicos de EMG DIAm, (2) C₂SH y (3) adquisición de datos de EMG en animales despiertos y anestesiados. Este protocolo describe un modelo de_C2SH riguroso, reproducible y fiable de cSCI en ratas, que es una excelente plataforma para estudiar la neuroplasticidad respiratoria, la actividad compensatoria de cDIAm y las estrategias terapéuticas y farmacéuticas.