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Regolazione dei ritmi respiratori da parte dei circuiti neurali cerebrali per combattere l'ansia

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WBP combinata con l'optogenetica

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Vi siete mai chiesti se la respirazione sia solo una risposta istintiva del corpo o se invece sia intricatamente connessa alle nostre emozioni e ai nostri comportamenti?

Un gruppo di ricerca guidato dal Salk Institute for Biological Studies negli Stati Uniti ha pubblicato su Nature Neuroscience uno studio innovativo che rivela in parte come la corteccia cerebrale controlli con precisione la respirazione, in particolare come il circuito respiratorio top-down influenzi la rete del tronco encefalico.

WBP combinata con l'optogenetica

Il contesto della ricerca

La respirazione, un'attività fisiologica apparentemente semplice, è molto di più del semplice mantenimento dell'equilibrio gassoso. Il suo ritmo può essere influenzato da vari comportamenti, come parlare, deglutire e persino da cambiamenti emotivi, che possono alterare il modello di respirazione. Gli esseri umani hanno la capacità di controllare consapevolmente il proprio ritmo respiratorio e molte culture praticano la respirazione lenta o tecniche di mindfulness per regolare le emozioni. Tuttavia, il modo in cui la corteccia cerebrale controlla con precisione la respirazione, in particolare il controllo dall'alto verso il basso dei circuiti respiratori sulla rete del tronco encefalico, rimane un mistero.

I risultati della ricerca hanno identificato un circuito neurale che rallenta la respirazione attraverso studi approfonditi sui topi. Questo circuito, che si proietta dalla corteccia cingolata anteriore dorsale (dACC) al nucleo reticolare pontino caudale (PnC), è stato trovato per ridurre la frequenza respiratoria. Utilizzando tecniche di optogenetica per attivare questa via cortico-pontina (neuroni dACC → PnC), la respirazione dei topi è rallentata in modo significativo e i comportamenti legati all'ansia sono stati attenuati, anche se la valenza emotiva non è cambiata. Ulteriori ricerche hanno rivelato che i neuroni del dACC proiettano ai neuroni GABAergici inibitori del PnC, che a loro volta proiettano al centro respiratorio del tronco encefalico, regolando il ritmo respiratorio. Ciò suggerisce che l'input dalla corteccia prefrontale (dACC/M2) al PnC forma un circuito di regolazione top-down che induce una respirazione lenta.

La correlazione tra l'attività neuronale e i cambiamenti comportamentali della respirazione è stata osservata in vari comportamenti, come bere, nuotare, vocalizzare e annusare. Ad esempio, durante il bere, i neuroni dACC → PnC sono stati brevemente attivati e l'attività dei neuroni GABAergici PnC a valle è aumentata significativamente, coordinando la respirazione con la deglutizione. Nei test di nuoto, le diverse condizioni di nuoto hanno portato a variazioni nei modelli di respirazione e nell'attività neuronale, ma tutte hanno mostrato una correlazione tra attività neuronale e cicli respiratori. Nei comportamenti di vocalizzazione, come la vocalizzazione indotta dal foot-shock, l'attività dei neuroni dACC → PnC era anch'essa correlata a cambiamenti nella respirazione. Questi risultati suggeriscono che, sebbene molti comportamenti siano controllati da riflessi somatici e trigeminali, anche la via top-down della respirazione lenta svolge un ruolo cruciale nella regolazione respiratoria.

attività dACC→PnC e cambiamenti respiratori indotti dalle emozioni

In ambienti ansiogeni, come il test del labirinto aumentato, i cambiamenti respiratori e comportamentali dei topi erano strettamente associati all'attività neuronale del dACC → PnC. Nell'area esposta, i topi mostravano una respirazione più veloce, mentre quando "scappavano" nell'area chiusa, la loro respirazione rallentava e l'attività neuronale dACC → PnC aumentava. Nell'esplorazione a braccio aperto, l'attività neuronale era correlata al comportamento dei topi: l'attività persisteva o aumentava quando l'esplorazione aveva successo e diminuiva quando non aveva successo. In un altro esperimento di induzione inevitabile dell'ansia, sono stati osservati cambiamenti simili nella respirazione e nell'attività neuronale. Questi risultati suggeriscono che l'attività neuronale del dACC → PnC è associata alla respirazione e al comportamento in ambienti che inducono ansia e che un aumento dell'attività neuronale può facilitare il sollievo dall'ansia.

circuito neurale dACC→PnC nell'attenuazione dei comportamenti ansiosi

L'attivazione optogenetica dei neuroni dACC → PnC è risultata in grado di inibire i comportamenti ansiosi nei topi e di promuovere il comportamento esplorativo, senza alterare la valenza emotiva o i comportamenti di approccio. Ad esempio, negli esperimenti di preferenza di luogo in tempo reale e di preferenza di odore femminile, la stimolazione optogenetica non ha alterato il comportamento dei topi, mentre nei test di ambiente avversivo, come il test dell'odore di feci di volpe (TMT), la stimolazione optogenetica ha eliminato il comportamento di evitamento dei topi. Ulteriori studi hanno indicato che la proiezione dei neuroni dACC → PnC è fondamentale per controllare le risposte legate all'ansia. I neuroni GABAergici PnC a valle, che proiettano ai centri respiratori e alle aree del prosencefalo correlate alla paura e all'ansia, possono regolare sia la respirazione che le emozioni, alleviando così l'ansia.

Importanza dei neuroni dACC→PnC nel coordinamento della respirazione e del comportamento

L'inibizione del circuito dACC → PnC influisce sulla coordinazione del comportamento e della respirazione nei topi. Nell'esperimento sul bere, l'inibizione di questo circuito ha diminuito il tasso di successo del bere e ha accorciato il ciclo respiratorio, indicando che questo circuito è fondamentale per coordinare la respirazione lenta e il comportamento del bere. Nei test comportamentali legati all'ansia, come il modello di scelta luce/buio, l'inibizione di questo circuito ha ridotto il tempo trascorso nell'area luminosa e ha diminuito la percentuale di cicli di respirazione lenta, confermando ulteriormente la necessità del circuito dACC → PnC nel coordinare il comportamento e nell'indurre una respirazione lenta per alleviare l'ansia.

Significato della ricerca

Questo studio fa progredire in modo significativo la nostra comprensione del controllo top-down della respirazione e rivela il meccanismo del circuito neurale attraverso il quale la respirazione lenta e il sollievo dall'ansia sono regolati congiuntamente. Questo non solo ci aiuta a capire meglio come il cervello regola la respirazione e le emozioni, ma fornisce anche nuovi potenziali bersagli per il trattamento dei disturbi d'ansia e delle condizioni correlate. In futuro, potremmo essere in grado di modulare questo circuito neurale per sviluppare approcci terapeutici più efficaci per aiutare le persone a gestire meglio le emozioni e ad affrontare lo stress.

Metodi sperimentali

Esperimenti sugli animali

Tutti gli esperimenti sono stati approvati dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali (IACUC). I topi transgenici wild-type o Vgat-ires-Cre sono stati alloggiati in condizioni specifiche per i vari esperimenti.

Misurazione della respirazione

La respirazione è stata monitorata mediante pletismografia a induttanza (in anestesia) e termistore nasale (durante gli stati comportamentali di veglia).

Chirurgia stereotassica

Virus o traccianti sono stati iniettati in regioni cerebrali specifiche per eseguire il controllo optogenetico, il monitoraggio dell'attività del calcio e altre operazioni.

Esperimenti comportamentali

Sono stati eseguiti esperimenti comportamentali come bere, nuotare, vocalizzare, annusare, test del labirinto elevato e altri esperimenti. L'attività comportamentale e neuronale è stata monitorata mediante stimolazione optogenetica o fotometria a fibre ottiche.

Risultati sperimentali

L'inibizione del circuito dACC → PnC ha influenzato il comportamento di bere, determinando una minore percentuale di successo nel bere e un ciclo respiratorio più breve, indicando che questo circuito neurale è essenziale per coordinare il bere e il respirare. Nel test di scelta luce/buio, l'inibizione del circuito dACC → PnC ha ridotto il tempo trascorso nella zona luminosa e ha diminuito la percentuale di cicli di respirazione lenta, indicando la sua necessità di indurre una respirazione lenta per alleviare l'ansia.

L'attivazione optogenetica dei neuroni dACC → PnC non ha alterato il comportamento dei topi nei test di preferenza di luogo in tempo reale e di preferenza degli odori femminili, ma ha alleviato la loro risposta di evitamento a stimoli avversivi, come l'odore delle feci di volpe (TMT), e ha aumentato il comportamento esplorativo in test come l'elevated plus maze.

La stimolazione dei neuroni dACC → PnC, che proiettano ai terminali degli assoni PnC, ha aumentato il comportamento esplorativo, mentre l'inibizione lo ha diminuito, indicando l'importanza di queste proiezioni nel controllo delle risposte legate all'ansia.

Gli assoni dei neuroni PnCGABA proiettano ad aree cerebrali associate sia alla respirazione che all'ansia, suggerendo che la respirazione lenta può alleviare l'ansia attraverso queste connessioni.

Nell'esperimento del labirinto elevato, i topi hanno mostrato una respirazione più veloce nell'area esposta e hanno rallentato la respirazione quando sono "scappati" L'attività dei neuroni dACC → PnC è aumentata durante la fuga e la loro attività è stata associata sia alla respirazione sia ai comportamenti legati all'ansia.

In un ambiente simile ma inevitabilmente ansiogeno, la respirazione dei topi accelerava e l'attività dei neuroni dACC → PnC diminuiva.

Durante l'assunzione di alcol, i neuroni dACC → PnC e i neuroni PnCGABA si attivavano brevemente quando i topi ingerivano acqua, coordinandosi con il ciclo respiratorio. Durante il nuoto, sono state osservate variazioni nei modelli di respirazione e nell'attività neuronale in diverse condizioni di test, indicando che la via top-down partecipa alla regolazione dei ritmi respiratori durante il nuoto.

Durante i vocalizzi, l'attività neuronale del dACC → PnC è stata associata a cicli di espirazione lenti; durante lo sniffing, l'attività neuronale del dACC → PnC è stata collegata a cambiamenti nei cicli respiratori, dimostrando che la loro attività è influenzata dal comportamento.

La mappatura cerebrale ha identificato la PnC come una possibile regione e il tracciato retrogrado ha rivelato che i neuroni di proiezione dACC → PnC (neuroni dACC → PnC) sono principalmente localizzati nello strato 5 del dACC e nella corteccia motoria secondaria (M2).

L'attivazione optogenetica dei neuroni dACC → PnC ha ridotto la frequenza respiratoria nei topi anestetizzati, ma questo effetto era assente nell'anestesia più profonda, suggerendo che il circuito funziona in determinate condizioni.

Il tracciamento anterogrado e l'immunocolorazione hanno confermato che i neuroni dACC proiettano ai neuroni inibitori GABAergici del PnC (neuroni PnCGABA) e l'attivazione o l'inibizione optogenetica dei neuroni PnCGABA può rallentare o accelerare la frequenza respiratoria.

Conclusioni sperimentali

È stato identificato un circuito cerebrale top-down, il circuito dACC → PnC e i suoi neuroni PnCGABA a valle, che promuove cicli respiratori lenti e risponde alla modulazione comportamentale della respirazione.

L'attivazione di questo circuito può alleviare i comportamenti ansiosi ed è fondamentale per coordinare la respirazione e il comportamento. Questi risultati forniscono nuove conoscenze sui meccanismi neurali del controllo della respirazione e della regolazione delle emozioni.

Discussione sulla ricerca

Tecniche optogenetiche per il trattamento dei disturbi dell'umore

Le tecniche optogenetiche possono essere applicate per trattare i disturbi dell'umore. Integrando le conoscenze dell'ottica, del controllo del software, della manipolazione genetica e dell'elettrofisiologia, l'optogenetica offre un'alta risoluzione spazio-temporale e una specificità cellulare uniche, che consentono una stimolazione precisa e non invasiva dei neuroni. Stimolando gruppi neuronali specifici, l'optogenetica promette di modulare i circuiti neurali legati alle emozioni, migliorando potenzialmente i sintomi dei disturbi dell'umore. Sebbene le applicazioni cliniche delle tecniche optogenetiche per il trattamento dei disturbi dell'umore siano ancora in fase di esplorazione, questa tecnologia offre nuove direzioni e idee per il trattamento dei disturbi dell'umore.

Tow-Int versione optogenetica WBP

Funzione optogenetica WBP

Sistema di pletismografia a corpo intero Tow-Int Tech

Il sistema utilizza la pletismografia a corpo intero non immobilizzato per eseguire test di funzionalità polmonare e di reattività delle vie aeree su piccoli animali svegli e in movimento libero. I movimenti respiratori degli animali causano variazioni del volume toracico all'interno della camera del pletismografo. Queste variazioni di volume vengono convertite in segnali elettrici attraverso un trasduttore di pressione e un amplificatore, che vengono poi elaborati da un computer per visualizzare la curva respiratoria e calcolare vari parametri respiratori, come il volume corrente (TV), il picco di flusso espiratorio (PEF) e la frequenza respiratoria.

Ricerca collaborativa optogenetica: L'optogenetica viene combinata per esplorare i meccanismi di controllo del ritmo respiratorio.

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