Como o cérebro gera ritmo respiratório

Neuroscience 19 de Abril, 2016


71-2022



Trazer um suprimento constante de ar fresco para os pulmões pode parecer uma tarefa simples, mas respirar é uma orquestração cuidadosa do cérebro e do corpo.


Doenças como síndrome de Rett, apnéia central do sono e síndrome de hipoventilação central congênita são caracterizadas por dificuldades respiratórias que podem ser causadas por disfunção no centro respiratório do cérebro. Agora, os cientistas da Drexel introduziram um novo conceito de como o cérebro está envolvido nesta função essencial, fornecendo uma nova visão sobre como os distúrbios respiratórios podem ser tratados no futuro.


O tronco cerebral, que conecta o cérebro à medula espinhal, gera o ritmo respiratório e controla sua taxa, dependendo das demandas do corpo. Embora esse processo normalmente ocorra de forma automática, também podemos controlar nossa respiração voluntariamente, como ao falar ou comer.


Vinte e cinco anos atrás, um agrupamento de neurônios dentro do tronco cerebral, chamado de complexo pré-Bötzinger (pré-BötC), foi identificado como a fonte provável da inalação rítmica. Após essa descoberta, os pesquisadores passaram anos tentando entender como o pré-BötC opera.


“Para qualquer processo biológico cíclico, você precisa de algum mecanismo que gere um ritmo, e então esse ritmo é traduzido em um padrão motor. Como exatamente o pré-BötC gera esse ritmo permanece um mistério ”, disse Bartholomew Bacak, PhD, pesquisador da Escola de Engenharia Biomédica, Ciência e Sistemas de Saúde e estudante de MD na Faculdade de Medicina.


Duas décadas após a descoberta do pré-BötC, os cientistas levantaram a hipótese de que dois sistemas distintos no cérebro interagem para iniciar a respiração: uma camada "geradora de ritmo" composta de neurônios de alta frequência e uma camada "formadora de padrões", que sinaliza o o diafragma se contrai e os pulmões se enchem de ar.


Usando uma série de modelos computacionais, os pesquisadores da Drexel no Laboratório de Neurociência Teórica e Computacional, sob a liderança de Ilya Rybak, PhD, são os primeiros a desafiar esse paradigma.


Seu estudo, publicado recentemente na revista eLife, sugere que as oscilações de modo misto no pré-BötC - ou movimentos regulares para frente e para trás - resultam de sincronizações de muitos neurônios com diferentes níveis de excitabilidade. Neurônios com baixa excitabilidade têm baixas frequências de burst, mas geram forte atividade e recrutam outros neurônios, produzindo, em última instância, os bursts de grande amplitude que causam a respiração.




A descoberta pode ter implicações importantes para a nossa compreensão do controle da respiração do cérebro. As descobertas podem, em última análise, impactar como os cientistas e médicos tratam distúrbios respiratórios.


Muitas outras partes do sistema nervoso também contêm redes de neurônios com excitabilidade diversa. Um desafio para estudos futuros é investigar se redes semelhantes às do complexo pré-BötC geram os ritmos que controlam outras ações repetitivas, como caminhar e mastigar.


SOBRE ESTA PESQUISA EM NEUROSCIENCE

Financiamento: Financiamento fornecido pelo NIH / Instituto Nacional de Doenças Neurológicas e Derrame.


Fonte: Lauren Ingeno - Drexel University

Crédito da imagem: A imagem é de domínio público.

Pesquisa original: Resumo para “Oscilações de modo misto e explosão populacional no complexo pré-Bӧtzinger” por Bartholomew J Bacak, Taegyo Kim, Jeffrey C Smith, Jonathan E Rubin e Ilya A Rybak em eLife. Publicado online em 14 de março de 2016 doi: 10.7554 / eLife.13403


Resumo

Oscilações de modo misto e explosão populacional no complexo pré-Bӧtzinger


Este estudo se concentra em investigações computacionais e teóricas da atividade neuronal originada no complexo pré-Bӧtzinger (pré-BӧtC), uma região medular que gera a fase inspiratória da respiração em mamíferos. Um aumento progressivo da excitabilidade neuronal em cortes medulares contendo o pré-BӧtC produz oscilações de modo misto (MMOs) caracterizadas por bursts de população de grande amplitude alternados com uma série de bursts de pequena amplitude. Usando dois modelos computacionais diferentes, demonstramos que MMOs emergem dentro de uma rede neural excitatória heterogênea por causa do recrutamento neuronal progressivo e sincronização. O padrão MMO depende da excitabilidade neuronal distribuída, da densidade e pesos das interconexões de rede e das propriedades celulares subjacentes ao bursting endógeno. Criticamente, o último deve fornecer uma redução da frequência de pico dentro de bursts neuronais com aumento da frequência de burst e uma dependência do período de recuperação pós-burst na amplitude do burst. Nosso estudo destaca um novo mecanismo pelo qual a heterogeneidade leva naturalmente a uma dinâmica complexa em populações neuronais rítmicas.


“Oscilações de modo misto e explosão populacional no complexo pré-Bӧtzinger” por Bartholomew J Bacak, Taegyo Kim, Jeffrey C Smith, Jonathan E Rubin e Ilya A Rybak em eLife. Publicado online em 14 de março de 2016 doi: 10.7554 / eLife.13403



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English Version


How the brain generates respiratory rhythm

Neuroscience April 19, 2016

Bringing a steady supply of fresh air to the lungs can seem like a simple task, but breathing is a careful orchestration of brain and body.

Diseases like Rett syndrome, central sleep apnea and congenital central hypoventilation syndrome are characterized by breathing difficulties that may be caused by dysfunction in the brain’s breathing center. Now, Drexel scientists have introduced a new concept of how the brain is involved in this essential function, providing new insight into how breathing disorders could be treated in the future.

The brainstem, which connects the brain with the spinal cord, generates the breathing rhythm and controls its rate, depending on the body’s demands. While this process normally occurs automatically, we can also control our breathing voluntarily, such as when speaking or eating.

Twenty-five years ago, a cluster of neurons within the brainstem, called the pre-Bötzinger complex (pre-BötC), was identified as the likely source of rhythmic inhalation. Following this breakthrough, researchers have spent years attempting to understand how the pre-BötC operates.

“For any cyclical biologic process, you need some mechanism that generates a rhythm, and then that rhythm is translated to a motor pattern. How exactly the pre-BötC generates that rhythm has remained a mystery,” said Bartholomew Bacak, PhD, a researcher in the School of Biomedical Engineering, Science and Health Systems, and an MD student in the College of Medicine.

Two decades after the discovery of the pre-BötC, scientists hypothesized that two distinct systems in the brain interact to initiate breathing: a “rhythm-generating” layer composed of high- frequency neurons and a “pattern-forming” layer, which signals the diaphragm to contract and the lungs to fill with air.

Using a series of computational models, Drexel researchers in the Laboratory for Theoretical and Computational Neuroscience, under the leadership of Ilya Rybak, PhD, are the first to challenge this paradigm.

Their study, recently published in the journal eLife, suggests that mixed-mode oscillations in the pre-BötC — or regular back-and-forth movements — result from synchronizations of many neurons with different levels of excitability. Neurons with low excitability have low bursting frequencies, but generate strong activity and recruit other neurons, ultimately producing the large amplitude bursts that cause breathing.

The discovery could have important implications for our understanding of the brain’s control of breathing. The findings may ultimately impact how scientists research and clinicians treat respiratory disorders.

Many other parts of the nervous system also contain networks of neurons with diverse excitability. A challenge for future studies is to investigate whether networks similar to those in the pre-BötC complex generate the rhythms that control other repetitive actions, such as walking and chewing.

ABOUT THIS NEUROSCIENCE RESEARCH

Funding: Funding provided by NIH/National Institute of Neurological Disorders and Stroke.

Source: Lauren Ingeno – Drexel University

Image Credit: The image is in the public domain.

Original Research: Abstract for “Mixed-mode oscillations and population bursting in the pre-Bӧtzinger complex” by Bartholomew J Bacak, Taegyo Kim, Jeffrey C Smith, Jonathan E Rubin, and Ilya A Rybak in eLife. Published online March 14 2016 doi:10.7554/eLife.13403



Abstract

Mixed-mode oscillations and population bursting in the pre-Bӧtzinger complex

This study focuses on computational and theoretical investigations of neuronal activity arising in the pre-Bӧtzinger complex (pre-BӧtC), a medullary region generating the inspiratory phase of breathing in mammals. A progressive increase of neuronal excitability in medullary slices containing the pre-BӧtC produces mixed-mode oscillations (MMOs) characterized by large amplitude population bursts alternating with a series of small amplitude bursts. Using two different computational models, we demonstrate that MMOs emerge within a heterogeneous excitatory neural network because of progressive neuronal recruitment and synchronization. The MMO pattern depends on the distributed neuronal excitability, the density and weights of network interconnections, and the cellular properties underlying endogenous bursting. Critically, the latter should provide a reduction of spiking frequency within neuronal bursts with increasing burst frequency and a dependence of the after-burst recovery period on burst amplitude. Our study highlights a novel mechanism by which heterogeneity naturally leads to complex dynamics in rhythmic neuronal populations.

“Mixed-mode oscillations and population bursting in the pre-Bӧtzinger complex” by Bartholomew J Bacak, Taegyo Kim, Jeffrey C Smith, Jonathan E Rubin, and Ilya A Rybak in eLife. Published online March 14 2016 doi:10.7554/eLife.13403


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