Os Efeitos do Exercício na Plasticidade Sináptica em Indivíduos com Comprometimento Cognitivo Leve e no Envelhecimento Saudável.

Antecedentes: A pesquisa proposta investigará a hipótese de que o exercício melhora a cognição ao aumentar a plasticidade sináptica em indivíduos com DCL e no envelhecimento. A plasticidade sináptica refere-se a mudanças na eficácia sináptica que são consequência da atividade inerente de um neurônio. A plasticidade sináptica é fundamental para preservar e criar memórias e, ao nível da sinapse, é o resultado de um alto influxo de Ca2+ pós-sináptico que produz potenciação de longo prazo (LTP) (7,8,9). A pesquisa proposta é a primeira a avaliar se a plasticidade sináptica é aumentada após o treinamento físico em indivíduos com CCL. Se confirmado, trabalhos futuros identificarão substitutos para o exercício que alteram a plasticidade sináptica, uma vez que nem todos os indivíduos são capazes de se exercitar.

O comprometimento cognitivo leve (MCI) é o estágio anterior ao declínio mais sério da demência. O CCL afeta cerca de 15% a 20% das pessoas com mais de 65 anos, com cerca de 10% a 15% das pessoas progredindo para demência a cada ano (1, 2). Em meio aos desafios contínuos no desenvolvimento de medicamentos modificadores da doença, intervenções não farmacológicas, incluindo exercícios, são recomendadas como parte do gerenciamento geral do CCL (3) com base nos efeitos positivos do exercício no desempenho cognitivo (4-6).

Em humanos, a plasticidade sináptica pode ser avaliada in vivo pela entrega de duas formas de estimulação magnética transcraniana (TMS). Estes são chamados de estimulação theta-burst intermitente (iTBS) e TMS repetitivo de 5 Hz (rTMS de 5 Hz). Ambas as formas entregues sobre o córtex motor induzem a plasticidade sináptica medida por aumentos de curto prazo na eficácia da via corticospinal do córtex ao músculo (10, 11). Esses efeitos são análogos aos modelos animais de LTP, uma vez que são mediados pelo glutamato e requerem a ligação do glutamato aos receptores NMDA (11). Assim, em humanos, iTBS e 5Hz rTMS são ferramentas não invasivas para avaliar se 1) populações de envelhecimento e MCI demonstram plasticidade sináptica e 2) intervenções como exercícios podem aumentar a magnitude da plasticidade sináptica. Em comparação com os controles, os indivíduos com MCI demonstram plasticidade sináptica atenuada, conforme indicado por uma resposta reduzida a 5Hz rTMS (12) e iTBS (13). A questão aqui colocada é se a plasticidade sináptica pode ser aumentada pelo exercício em indivíduos com MCI e na população idosa.

Muitos estudos investigaram o impacto do exercício agudo na neurobiologia. O fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF) é um regulador chave de processos cruciais para cognição, aprendizado e memória (14 -16). Da mesma forma, um hormônio derivado do osso chamado osteocalcina (OCN) aumenta após o exercício (17, 18) e aumenta o número de vesículas de BDNF transportadas para a sinapse (19 - 21). A osteocalcina é encontrada em várias isoformas diferentes no soro, e a forma envolvida nos efeitos do exercício não é conhecida (22, 23). A pesquisa proposta também testará a hipótese de que o treinamento físico aumenta o BDNF e OCN séricos no MCI e na população idosa e que essas mudanças se correlacionarão com aumentos na plasticidade sináptica. Se for verdade, isso sugere que os aumentos induzidos pelo exercício em BDNF e OCN são uma consequência da alteração da eficácia sináptica.

O treinamento de intervalo de intensidade autodeterminada envolve sessões intermitentes de exercícios desafiadores intercaladas com intervalos curtos de recuperação (24,25). Este treinamento é único em que a intensidade é determinada pelos próprios participantes. Eles são obrigados a identificar um ritmo que é um desafio físico e avaliar seu esforço percebido. Este tipo de treinamento pode ser alcançado por participantes de todas as idades com várias condições subjacentes, como diabetes tipo 2 (38,39,40) e doença arterial coronariana (41,42) e obesidade (43). O exercício promove melhora cognitiva (26) e pode ser realizado em indivíduos com CCL (27). Em um estudo de caso, doze semanas de treinamento intervalado melhoraram a cognição em uma mulher que vive com MCI (28).

A pesquisa proposta determinará se um protocolo de exercícios de treinamento intervalado de intensidade autodeterminada aumentará a plasticidade sináptica em indivíduos com DCL e na população idosa.

Existem dois Objetivos Específicos do estudo proposto.

1. Quantificar a plasticidade sináptica após um treinamento intervalado de intensidade autodeterminada no envelhecimento e em indivíduos com CCL.
2. Determinar se as alterações na plasticidade sináptica se correlacionam com alterações no BDNF sérico, na osteocalcina e na cognição.

Métodos Intervenção com Exercícios (somente Grupos A e C) Os indivíduos participarão de 3 sessões de treinamento de intervalo de intensidade autodeterminada, usando um cicloergômetro, por 4 semanas de acordo com nossa experiência anterior em retenção de participantes (25). As classificações de esforço percebido (RPE) serão medidas usando uma escala de 6-20 de Borg. (44). Os usuários serão solicitados a se exercitar em uma bicicleta estacionária em uma intensidade em que o RPE seja desafiador. Este número na escala RPE será diferente para diferentes participantes com níveis variados de condicionamento físico pré-existente. O aspecto importante é a sensação individual de que o exercício é um desafio para si. O protocolo de ciclismo inclui cinco intervalos de ciclismo de 1 minuto, intercalados com 1,5 minuto de recuperação (ciclismo em ritmo lento para diminuir a frequência cardíaca do indivíduo). Os participantes também realizarão um aquecimento de 3 minutos e um resfriamento de 2 minutos para uma duração total do exercício de 17,5 minutos, como relatamos (25, 31). O RPE será obtido solicitando ao participante que forneça sua classificação no final do último intervalo.

Medidas dependentes

1. Eletrodos de superfície de plasticidade sináptica (9mm Ag-Cl) serão usados ​​para registrar a atividade do primeiro músculo interósseo dorsal (FDI) da mão direita. O eletrodo ativo será colocado sobre o ventre muscular. Para reduzir o ruído do sinal, o solo úmido será enrolado no antebraço. Os sinais EMG serão ampliados x1000 e filtrados em banda entre 20-2,5 kHz (Intronix Technologies Corporation Modelo 2024F, Bolton, Canadá). Um conversor analógico-digital será usado para digitalizar dados em 5 kHz (Power1401; Cambridge Electronics Design, Cambridge, Reino Unido), antes de serem analisados ​​por meio de software comercial (Signal v7.01; Cambridge Electronics Design, Cambridge, Reino Unido). O hotspot do músculo FDI direito é definido como a localização no córtex motor esquerdo que, quando estimulado com TMS, levou consistentemente ao maior MEP no músculo. Este ponto será encontrado e registrado usando Brainsight Neuronavigation e TMS (Rogue Research, Montreal, Canadá).

   Para avaliar a plasticidade sináptica, o TMS repetitivo será realizado usando uma bobina em oito de diâmetro interno de 70 mm com um estimulador Magstim Super Rapid2 Plus (Magstim, Whitland, Reino Unido). Pulsos magnéticos bifásicos serão entregues sobre a área motora primária do hemisfério dominante para encontrar a posição ideal para provocar um MEP no músculo interósseo dorsal (FDI) contralateral. O protocolo de estimulação theta burst intermitente (iTBS) será entregue usando pulsos bifásicos em burst de três pulsos entregues a 30Hz, em trens de 6Hz que durarão 2s, isso será seguido por 8s sem pulso entregue. O iTBS será repetido para um total de 612 pulsos a 80% do limiar motor ativo (32). A média de vinte potenciais evocados motores (MEPs) de pulso único será registrada no primeiro músculo interósseo dorsal da mão antes e imediatamente após o iTBS entregues sobre o córtex motor primário. Além disso, um segundo protocolo será usado para avaliar a plasticidade sináptica. Para isso, os participantes receberão aproximadamente 10 trens de 10 estímulos na frequência de 5Hz. A intensidade de estimulação será ajustada para 120% do rMT com um intervalo entre treinos de 2 minutos (11). Os MEPs serão registrados durante a primeira e a décima sessão de um protocolo rTMS de 5 Hz (12). Ambos os protocolos TMS (iTBS e 5 Hz rTMS) produzem aumentos em MEPs em populações não-MCI, e esses são efeitos acionados por glutamato mediados por LTP em receptores NMDA. O Grupo C (não MCI) servirá como controle para garantir que os protocolos de plasticidade sináptica sejam eficazes.

2. Função cognitiva As funções cognitivas serão avaliadas usando a Bateria Neuropsicológica do Conjunto de Dados Uniforme do National Alzheimer's Coordinating Center, Versão 3 (UDSNB-3), composta pela Avaliação Cognitiva de Montreal, Fluência Semântica e Verbal, Testes de Trilhas, Digit Span, Benson Complex Figure Test e a Tarefa de Nomeação Multilíngue.
3. O Fator Neurotrópico Derivado do Cérebro e o Sangue da Osteocalcina serão coletados por um flebotomista treinado e certificado em jejum de uma veia antecubital usando nossos procedimentos padrão. De uma amostra total de 6 ml de sangue total, 2,5 ml serão coletados em tubos PAXgeneTM Blood RNA (Qiagen/BD Diagnostics) e o restante será coletado em um tubo de coleta de sangue SST gold de 4 ml sem aditivos. Após coagulação e centrifugação para obtenção da fração sérica, serão realizados ensaios de ELISA para determinação de BDNF sérico (Human BDNF DuoSet, DY248) e osteocalcina intacta total (Human Osteocalcin ELISA kit KAQ1381). Após incubação com 5 mg/ml de hidroxiapatita (391947, Sigma-Aldrich) para remover OCN carboxilado (33), a osteocalcina sérica não carboxilada (unOCN) será medida por ELISA. OCN carboxilado será determinado subtraindo OCN não carboxilado do OCN total.
4. Experiência do participante Uma escala do tipo likert (0 a 4) para que os participantes avaliem sua satisfação com a intervenção de treinamento de intervalo de intensidade autodeterminada (Grupos A e C) e a experiência geral da pesquisa.

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