Estudo Eletroquímico e Eletrofisiológico

A disfunção na neurotransmissão e neurofisiologia pode resultar em uma variedade de condições psiquiátricas, incluindo depressão, ansiedade, dor crônica, transtornos de dependência e problemas com atenção (distúrbio de déficit de atenção) e excitação (narcolepsia). Apesar da clara importância desses sistemas neuromoduladores, praticamente nada se sabe sobre como esses sistemas atuam em tempo real (em escalas de tempo subsegundos) no cérebro humano. Essa resolução temporal provou ser importante na pesquisa básica em organismos modelo de roedores, onde foi demonstrado que a concentração extracelular de neurotransmissores e a eletrofisiologia neural mudam dentro de 100s de milissegundos de interação com estímulos relevantes enquanto navegam por mudanças momento a momento no ambiente. Medições com esse tipo de precisão são necessárias para poder investigar como mudanças rápidas em cada um desses sinais modulam a função cerebral, a cognição, o aprendizado, o humor e o comportamento em humanos.

O processamento cognitivo ocorre muito rapidamente em redes funcionalmente organizadas que podem ser distribuídas entre várias áreas do cérebro. Consequentemente, a compreensão de funções tão complexas requer a capacidade de mapear a atividade neuronal com alta resolução espacial e temporal. Infelizmente, a maioria das metodologias não invasivas para registrar a atividade neuronal tem alta resolução espacial ou temporal, mas não ambas. No entanto, a eletrocorticografia (ECoG) oferece a capacidade única de registrar a atividade neuronal com alta resolução espacial (atividade de célula única) e alta resolução temporal (escala de tempo submilissegundo).

Além disso, certos comportamentos são exclusivamente humanos, incluindo controle motor complexo, função executiva, processamento de linguagem e geração de fala. Muitos desses comportamentos e suas bases neurais são impossíveis de estudar em outras espécies. Se quisermos melhorar os tratamentos para condições neurológicas e psiquiátricas humanas, é fundamental estudá-los diretamente em humanos. Pacientes já submetidos a cirurgia neurológica para mapeamento cerebral funcional (monitoramento de epilepsia de Fase II) oferecem a rara oportunidade de testar os fundamentos neurais desses comportamentos exclusivamente humanos por meio de registros neurofisiológicos diretos. Além disso, ECoG e MER oferecem a capacidade de estimular e registrar várias regiões corticais e subcorticais. A microestimulação permite uma avaliação mais completa da conectividade funcional entre regiões isoladas do cérebro e do(s) papel(ões) causal(is) dessas regiões na cognição e no comportamento.

Aqui, os pesquisadores propõem implantar um novo protocolo de gravação em combinação com um conjunto de microssensor aprovado pela FDA que permitirá medições simultâneas de microflutuações de dopamina, serotonina e norepinefrina com resolução temporal de subsegundos no cérebro humano. Se for bem-sucedido, o trabalho proposto poderá fornecer um avanço tecnológico significativo para a pesquisa em neurociência na função e comportamento do cérebro humano, com potencial impacto translacional em áreas como neurocirurgia, neurologia e psiquiatria.

A importância clínica de investigar a ação dos neurotransmissores dopamina, serotonina e norepinefrina talvez seja melhor destacada pelos fármacos usados ​​para tratar grandes condições psiquiátricas como depressão, transtornos de ansiedade, dor crônica, transtornos de déficit de atenção e dependência de nicotina. Os inibidores seletivos da recaptação da serotonina (SSRIs) são usados ​​para tratar a depressão e a ansiedade; Os inibidores da recaptação de norepinefrina e serotonina (NSRIs) são usados ​​para tratar a depressão e a dor crônica; Os inibidores da recaptação de norepinefrina e dopamina são usados ​​para tratar a depressão, transtornos de déficit de atenção e têm sido usados ​​como auxílio para parar de fumar; e Os inibidores de recaptação de norepinefrina (NRIs) têm sido usados ​​para tratar depressão, narcolepsia, transtorno de déficit de atenção e hiperatividade, como uma ajuda para perda de peso e transtornos de ansiedade caracterizados por baixa excitação. Além disso, substâncias de abuso (por exemplo, cocaína, nicotina, álcool e opiáceos) são conhecidas por alterar o equilíbrio sutil entre a liberação e a recaptação de neurotransmissores em organismos modelo.

Do ponto de vista da ciência básica, os pesquisadores acreditam que a dopamina é crítica para o processamento de recompensa e comportamento motivado, a serotonina para processar estímulos aversivos e regulação do humor e a norepinefrina para regular os estados de excitação e atenção. Esses neurotransmissores são liberados de neurônios localizados no tronco cerebral (serotonina e norepinefrina) e no mesencéfalo (dopamina), cujos terminais axônicos distribuem e transmitem esses sinais por todo o cérebro, incluindo alvos em todo o córtex (dopamina, serotonina e norepinefrina), gânglios da base (dopamina e serotonina), hipocampo (dopamina e serotonina) e amígdala (dopamina, serotonina e noradrenalina). Embora esteja claro que esses sistemas são críticos, a maior parte do que se sabe vem da pesquisa de organismos modelo em escalas de tempo muito lentas para entender como as flutuações rápidas e em tempo real desses sinais contribuem para a cognição, a tomada de decisões e o comportamento humanos saudáveis.

Além disso, há uma compreensão muito limitada de como os sistemas de dopamina, serotonina e norepinefrina interagem. Em qualquer região do cérebro, pode-se esperar que haja um, dois ou todos os três desses sistemas de neurotransmissores contribuindo para o processamento local de informações neurais. No cérebro humano (e no cérebro de primatas não humanos), sabemos pouco sobre como a densidade dos locais de liberação ou a dinâmica da liberação muda com as condições psiquiátricas ou os medicamentos usados ​​para tratá-las. Essa falta de conhecimento não decorre de uma falta de interesse nas disciplinas de neurociência, neurologia, psiquiatria ou neurocirurgia; em vez disso, a tecnologia necessária e o paradigma de pesquisa não estão disponíveis. Esta proposta pretende dar os primeiros passos no desenvolvimento.