Regulación de los ritmos respiratorios por circuitos neuronales cerebrales para combatir la ansiedad

WBP combinado con optogenética

¿Se ha preguntado alguna vez si la respiración es simplemente una respuesta instintiva del cuerpo o si está intrincadamente conectada con nuestras emociones y comportamientos?

Un equipo de investigación dirigido por el Instituto Salk de Estudios Biológicos de Estados Unidos publicó un estudio pionero en Nature Neuroscience, que revela parcialmente cómo la corteza cerebral controla con precisión la respiración, en particular cómo el circuito respiratorio descendente influye en la red del tronco encefálico.

WBP combinado con optogenética

Antecedentes de la investigación

La respiración, una actividad fisiológica aparentemente sencilla, es mucho más que mantener el equilibrio gaseoso. Su ritmo puede verse influido por diversos comportamientos, como hablar, tragar e incluso cambios emocionales, que pueden alterar el patrón respiratorio. Los seres humanos tienen la capacidad de controlar conscientemente su ritmo respiratorio, y muchas culturas practican la respiración lenta o técnicas de atención plena para regular las emociones. Sin embargo, la forma en que la corteza cerebral controla con precisión la respiración -especialmente el control descendente de los circuitos respiratorios en la red del tronco encefálico- sigue siendo un misterio.

Los resultados de la investigación han identificado un circuito neuronal que ralentiza la respiración mediante amplios estudios en ratones. Se descubrió que este circuito, que se proyecta desde el córtex cingulado anterior dorsal (dACC) hasta el núcleo reticular pontino caudal (PnC), reduce la frecuencia respiratoria. Utilizando técnicas optogenéticas para activar esta vía córtico-pontina (neuronas dACC → PnC), la respiración de los ratones se ralentizó significativamente y se aliviaron los comportamientos relacionados con la ansiedad, aunque la valencia emocional no cambió. Investigaciones posteriores revelaron que las neuronas dACC se proyectan a neuronas inhibidoras GABAérgicas en el PnC, las cuales, a su vez, se proyectan al centro respiratorio del tronco encefálico, regulando el ritmo respiratorio. Esto sugiere que la entrada desde el córtex prefrontal (dACC/M2) al PnC forma un circuito regulador descendente que induce la respiración lenta.

La correlación entre la actividad neuronal y los cambios en el comportamiento respiratorio se observó en varios comportamientos como beber, nadar, vocalizar y olfatear. Por ejemplo, durante la bebida, las neuronas dACC → PnC se activaron brevemente, y la actividad de las neuronas GABAérgicas PnC aguas abajo aumentó significativamente, coordinando la respiración con la deglución. En las pruebas de natación, las diferentes condiciones de nado provocaron variaciones en los patrones de respiración y en la actividad neuronal, pero todas mostraron una correlación entre la actividad neuronal y los ciclos respiratorios. En las conductas vocalizadoras, como la vocalización inducida por el golpe de pie, la actividad de las neuronas dACC → PnC también estaba relacionada con los cambios en la respiración. Estos resultados sugieren que, aunque muchos comportamientos están controlados por reflejos somáticos y trigeminales, la vía respiratoria lenta descendente también desempeña un papel crucial en la regulación respiratoria.

actividad dACC→PnC y cambios respiratorios inducidos por emociones

En entornos que provocan ansiedad, como la prueba del laberinto elevado, los cambios en la respiración y el comportamiento de los ratones se asociaron estrechamente con la actividad neuronal dACC → PnC. En la zona expuesta, los ratones mostraban una respiración más rápida, mientras que cuando "escapaban" a la zona cerrada, su respiración se ralentizaba y aumentaba la actividad neuronal dACC → PnC. En la exploración con el brazo abierto, la actividad neuronal se correlacionaba con el comportamiento de los ratones: la actividad persistía o aumentaba cuando la exploración tenía éxito, y disminuía cuando no lo tenía. En otro experimento de inducción de ansiedad inevitable, se observaron cambios similares en la respiración y la actividad neuronal. Estos resultados sugieren que la actividad neuronal dACC → PnC está asociada con la respiración y el comportamiento en entornos inductores de ansiedad, y el aumento de la actividad neuronal puede facilitar el alivio de la ansiedad.

circuito neuronal dACC→PnC en el alivio de conductas ansiógenas

Se ha descubierto que la activación optogenética de las neuronas dACC → PnC inhibe las conductas ansiógenas en ratones y promueve la conducta exploratoria, sin alterar la valencia emocional ni las conductas de aproximación. Por ejemplo, en experimentos de preferencia de lugar en tiempo real y de preferencia de olor en hembras, la estimulación optogenética no alteró el comportamiento de los ratones, mientras que en pruebas de ambiente aversivo, como la prueba de olor a heces de zorro (TMT), la estimulación optogenética eliminó el comportamiento de evitación de los ratones. Otros estudios indicaron que la proyección de las neuronas dACC → PnC es crucial para controlar las respuestas relacionadas con la ansiedad. Las neuronas PnC GABAérgicas descendentes, que se proyectan a los centros respiratorios y a las áreas del cerebro anterior relacionadas con el miedo y la ansiedad, pueden regular tanto la respiración como la emoción, aliviando así la ansiedad.

Importancia de las neuronas dACC→PnC en la coordinación de la respiración y el comportamiento

La inhibición del circuito dACC → PnC afecta a la coordinación del comportamiento y la respiración en ratones. En el experimento de la bebida, la inhibición de este circuito disminuyó la tasa de éxito de la bebida y acortó el ciclo respiratorio, lo que indica que este circuito es crucial para coordinar la respiración lenta y el comportamiento de beber. En las pruebas de comportamiento relacionadas con la ansiedad, como el modelo de elección de luz/oscuridad, la inhibición de este circuito redujo el tiempo pasado en el área de luz y disminuyó la proporción de ciclos de respiración lenta, confirmando aún más la necesidad del circuito dACC → PnC para coordinar el comportamiento e inducir la respiración lenta para aliviar la ansiedad.

Importancia de la investigación

Este estudio avanza significativamente nuestra comprensión del control descendente de la respiración y revela el mecanismo del circuito neural a través del cual se regulan conjuntamente la respiración lenta y el alivio de la ansiedad. Esto no sólo nos ayuda a comprender mejor cómo el cerebro regula la respiración y las emociones, sino que también proporciona posibles nuevas dianas para el tratamiento de los trastornos de ansiedad y afecciones relacionadas. En el futuro, quizá podamos modular este circuito neuronal para desarrollar enfoques terapéuticos más eficaces que ayuden a las personas a gestionar mejor las emociones y hacer frente al estrés.

Métodos experimentales

Experimentos con animales

Todos los experimentos fueron aprobados por el Comité Institucional para el Cuidado y Uso de Animales (IACUC). Los ratones de tipo salvaje o transgénicos Vgat-ires-Cre se alojaron en condiciones específicas para diversos experimentos.

Medición de la respiración

La respiración se monitorizó mediante pletismografía de inductancia (bajo anestesia) y termistor nasal (durante estados conductuales de vigilia).

Cirugía estereotáxica

Se inyectaron virus o trazadores en regiones cerebrales específicas para realizar el control optogenético, la monitorización de la actividad del calcio y otras operaciones.

Experimentos conductuales

Incluían beber, nadar, vocalizar, olfatear, pruebas de laberinto elevado y otros experimentos. La actividad conductual y neuronal se monitorizó mediante estimulación optogenética o fotometría de fibra.

Resultados experimentales

La inhibición del circuito dACC → PnC afectó a la conducta de beber, resultando en una menor tasa de éxito en la bebida y un ciclo respiratorio más corto, lo que indica que este circuito neuronal es esencial para coordinar la bebida y la respiración. En la prueba de elección luz/oscuridad, la inhibición del circuito dACC → PnC redujo el tiempo pasado en la zona de luz y disminuyó la proporción de ciclos respiratorios lentos, indicando su necesidad para inducir la respiración lenta para aliviar la ansiedad.

La activación optogenética de las neuronas dACC → PnC no alteró el comportamiento de los ratones en las pruebas de preferencia de lugar en tiempo real y de preferencia de olor en hembras, pero alivió su respuesta de evitación ante estímulos aversivos, como el olor a heces de zorro (TMT), y aumentó el comportamiento exploratorio en pruebas como el laberinto elevado plus.

La estimulación de las neuronas dACC → PnC, que proyectan a las terminales axónicas PnC, aumentó el comportamiento exploratorio, mientras que la inhibición lo disminuyó, lo que indica la importancia de estas proyecciones en el control de las respuestas relacionadas con la ansiedad.

Los axones de las neuronas PnCGABA se proyectan a áreas cerebrales asociadas tanto con la respiración como con la ansiedad, lo que sugiere que la respiración lenta puede aliviar la ansiedad a través de estas conexiones.

En el experimento del laberinto elevado plus, los ratones mostraban una respiración más rápida en la zona expuesta, y su respiración se ralentizaba cuando "escapaban." La actividad de las neuronas dACC → PnC aumentó durante la huida, y su actividad se asoció tanto con la respiración como con los comportamientos relacionados con la ansiedad.

En un entorno similar pero inevitablemente provocador de ansiedad, la respiración de los ratones se aceleró, y la actividad de las neuronas dACC → PnC disminuyó.

Durante la bebida, las neuronas dACC → PnC y las neuronas PnCGABA se activaron brevemente cuando los ratones ingirieron agua, coordinándose con el ciclo respiratorio. Durante la natación, se observaron variaciones en los patrones respiratorios y en la actividad neuronal en diferentes condiciones de prueba, lo que indica que la vía descendente participa en la regulación de los ritmos respiratorios durante la natación.

Al vocalizar, la actividad neuronal dACC → PnC se asoció con ciclos lentos de espiración; durante el olfateo, la actividad neuronal dACC → PnC se relacionó con cambios en los ciclos respiratorios, lo que demuestra que su actividad está influida por el comportamiento.

El mapeo cerebral identificó la PnC como una posible región, y el rastreo retrógrado reveló que las neuronas de proyección dACC → PnC (neuronas dACC → PnC) se localizan principalmente en la capa 5 de la dACC y la corteza motora secundaria (M2).

La activación optogenética de las neuronas dACC → PnC redujo la frecuencia respiratoria en ratones anestesiados, pero este efecto estuvo ausente en anestesia más profunda, lo que sugiere que el circuito opera bajo ciertas condiciones.

El rastreo anterógrado y la inmunotinción confirmaron que las neuronas dACC se proyectan a neuronas inhibidoras GABAérgicas en el PnC (neuronas PnCGABA), y la activación o inhibición optogenética de las neuronas PnCGABA podía ralentizar o acelerar la frecuencia respiratoria.

Conclusión experimental

Se identificó un circuito cerebral descendente, el circuito dACC → PnC y sus neuronas PnCGABA descendentes, que promueve ciclos respiratorios lentos y responde a la modulación conductual de la respiración.

La activación de este circuito puede aliviar comportamientos similares a la ansiedad y es crucial para coordinar la respiración y el comportamiento. Estos hallazgos aportan nuevos conocimientos sobre los mecanismos neurales del control de la respiración y la regulación de las emociones.

Debate sobre la investigación

Técnicas optogenéticas para el tratamiento de los trastornos del estado de ánimo

Las técnicas optogenéticas pueden aplicarse al tratamiento de los trastornos del estado de ánimo. Al integrar conocimientos de óptica, control de software, manipulación genética y electrofisiología, la optogenética ofrece una alta resolución espaciotemporal y una especificidad celular únicas, lo que permite una estimulación precisa y no invasiva de las neuronas. Al estimular grupos neuronales específicos, la optogenética promete modular los circuitos neuronales relacionados con las emociones, lo que podría mejorar los síntomas de los trastornos del estado de ánimo. Aunque las aplicaciones clínicas de las técnicas optogenéticas para tratar los trastornos del estado de ánimo están aún en fase de exploración, esta tecnología ofrece nuevas direcciones e ideas para los tratamientos de los trastornos del estado de ánimo.

Tow-Int Versión optogenética WBP

Función optogenética WBP

Sistema de pletismografía corporal Tow-Int Tech

El sistema utiliza la pletismografía de cuerpo entero sin sujeción para realizar pruebas de función pulmonar y capacidad de respuesta de las vías respiratorias en animales pequeños despiertos que se mueven libremente. Los movimientos respiratorios de los animales provocan cambios en el volumen torácico dentro de la cámara del pletismógrafo. Estos cambios de volumen se convierten en señales eléctricas a través de un transductor de presión y un amplificador, que luego son procesados por un ordenador para mostrar la curva respiratoria y calcular diversos parámetros respiratorios, como el volumen corriente (VT), el flujo espiratorio máximo (FEM) y la frecuencia respiratoria.

Investigación colaborativa optogenética: La optogenética se combina para explorar los mecanismos de control del ritmo respiratorio.

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