Un modèle de circuit peut expliquer comment la stimulation cérébrale profonde traite les symptômes de la maladie de Parkinson

Résumé: Un nouveau modèle informatique montre que les effets bénéfiques de la stimulation cérébrale profonde découlent de la façon dont elle interrompt le cycle favorisant la piste bêta dans une boucle de circuit entre le noyau sous-thalamique et le striatum.

La source: Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire

Les personnes atteintes de la maladie de Parkinson et leurs médecins sont confrontés à de nombreuses inconnues, y compris la réponse exacte à la façon dont la stimulation cérébrale profonde (DBS) soulage certains des symptômes moteurs ressentis par les patients.

Dans une nouvelle étude, des scientifiques de l’Université de Boston et du Picower Institute for Learning and Memory du MIT présentent un modèle détaillé expliquant la dynamique sous-jacente du circuit, fournissant une explication qui, si elle est confirmée expérimentalement, pourrait encore améliorer la thérapie.

Parmi les choses que l’on sait sur la maladie de Parkinson, un déficit du neuromodulateur dopamine est associé à des rythmes de fréquence bêta anormalement élevés (ondes cérébrales à une fréquence d’environ 20 Hz). Le DBS, impliquant la délivrance d’une stimulation électrique à haute fréquence dans une région appelée le noyau sous-thalamique (STN), supprime apparemment ces rythmes bêta élevés, rétablissant un équilibre plus sain avec d’autres fréquences rythmiques et un meilleur contrôle des mouvements.

Le nouveau modèle informatique basé sur la biophysique décrit dans le Actes de l’Académie nationale des sciences postule que l’effet bénéfique de DBS découle de la façon dont il interrompt un cercle vicieux favorisant l’emballement bêta dans une boucle de circuit entre le STN et une région appelée le striatum.

En 2011, la co-auteure de l’étude Michelle McCarthy, professeure adjointe de recherche en mathématiques et statistiques à BU, a utilisé des modèles mathématiques pour montrer comment, en l’absence de dopamine, un bêta incontrôlable pourrait survenir dans le striatum à cause d’une excitation excessive parmi les cellules vivant dans le striatum appelées cellules moyennes. neurones épineux (MSN).

Le modèle, dirigé par le postdoc Elie Adam du Picower Institute, s’appuie sur la découverte de McCarthy. Adam et McCarthy se joignent aux co-auteurs Emery N. Brown, Edward Hood Taplin Professor of Medical Engineering and Computational Neuroscience at MIT and Nancy Kopell, William Fairfield Warren Distingué Professeur de Mathématiques et Statistiques à la BU.

Les travaux du quatuor postulent que dans des conditions saines, avec une dopamine adéquate, les cellules du striatum appelées interneurones à pic rapide (FSI) peuvent produire des rythmes de fréquence gamma (30-100 Hz) qui régulent l’activité bêta des MSN.

Mais sans dopamine, les FSI sont incapables de limiter l’activité MSN et la bêta en vient à dominer toute une boucle de circuit reliant le STN aux FSI, aux MSN, à d’autres régions, puis au STN.

“Le gamma FSI est important pour contrôler la version bêta de MSN”, a déclaré Adam. “Lorsque les niveaux de dopamine baissent, les MSN peuvent produire plus de bêta et les FSI perdent leur capacité à produire du gamma pour éteindre ce bêta, de sorte que le bêta se déchaîne. Les FSI sont alors bombardés d’activité bêta et deviennent eux-mêmes des conduits pour la bêta, conduisant à son amplification.

Lorsque la stimulation haute fréquence DBS est appliquée au STN, le modèle montre que cela remplace l’entrée bêta écrasante reçue par les FSI et restaure leur excitabilité.

Revigorés et libérés de ces entraves bêta, les interneurones recommencent à produire des oscillations gamma (à environ la moitié de la fréquence de stimulation DBS, généralement à 135 Hz) qui suppriment ensuite l’activité bêta des MSN. Les MSN ne produisant plus trop de bêta, la boucle ramenant au RTC puis aux FSI n’est plus dominée par cette fréquence.

“DBS empêche le bêta de se propager vers les FSI afin qu’il ne soit plus amplifié, puis, en excitant en plus les FSI, restaure la capacité des FSI à produire de fortes oscillations gamma, qui à leur tour inhiberont le bêta à sa source”, a déclaré Adam.

Parmi les choses que l’on sait sur la maladie de Parkinson, un déficit du neuromodulateur dopamine est associé à des rythmes de fréquence bêta anormalement élevés (ondes cérébrales à une fréquence d’environ 20 Hz). L’image est dans le domaine public

Le modèle révèle une autre ride importante. Dans des circonstances normales, différents niveaux de dopamine aident à façonner le gamma produit par les FSI. Mais les FSI reçoivent également des informations du cortex cérébral.

Dans la maladie de Parkinson, où la dopamine est absente et la bêta devient dominante, les FSI perdent leur flexibilité réglementaire, mais au milieu du DBS, avec la dominance bêta perturbée, les FSI peuvent plutôt être modulés par l’apport du cortex même avec la dopamine toujours absente. Cela leur permet de limiter le gamma qu’ils fournissent aux MSN et de permettre une expression harmonieuse des rythmes bêta, gamma et thêta.

En fournissant une explication profonde basée sur la physiologie du fonctionnement de la DBS, l’étude peut également offrir aux cliniciens des indices sur la façon de la faire fonctionner au mieux pour les patients, ont déclaré les auteurs. La clé est de trouver les rythmes gamma optimaux des FSI, qui peuvent varier un peu d’un patient à l’autre. Si cela peut être déterminé, le réglage de la fréquence de stimulation DBS pour favoriser cette sortie gamma devrait garantir les meilleurs résultats.

Avant que cela puisse être testé, cependant, les résultats fondamentaux du modèle doivent être validés expérimentalement. Le modèle fait les prédictions nécessaires pour que de tels tests se déroulent, ont déclaré les auteurs.

Les National Institutes of Health ont financé la recherche.

À propos de cette actualité sur la recherche sur le DBS et la maladie de Parkinson

Auteur: David Orenstein
La source: Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire
Contacter: David Orenstein – Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire
Image: L’image est dans le domaine public

Recherche originale : Accès fermé.
“La stimulation cérébrale profonde dans le noyau sous-thalamique de la maladie de Parkinson peut restaurer la dynamique des réseaux striataux” par Michelle McCarthy et al. PNAS


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La stimulation cérébrale profonde (DBS) du noyau sous-thalamique (STN) est très efficace pour soulager l’incapacité de mouvement chez les patients atteints de la maladie de Parkinson (MP). Cependant, son mécanisme d’action thérapeutique est inconnu.

Le striatum sain présente une dynamique riche résultant d’une interaction d’oscillations bêta, gamma et thêta. Ces rythmes sont essentiels à la sélection et à l’exécution des programmes moteurs, et leur perte ou exagération due à l’épuisement de la dopamine (DA) dans la MP est une source majeure de déficits comportementaux.

La restauration des rythmes naturels peut alors jouer un rôle déterminant dans l’action thérapeutique de la DBS. Nous développons un modèle biophysique en réseau d’une voie BG pour étudier comment des oscillations bêta anormales peuvent émerger dans tout le BG dans la MP et comment la DBS peut restaurer les rythmes striataux bêta, gamma et thêta normaux.

Notre modèle intègre des projections STN vers le striatum, connues depuis longtemps mais peu étudiées, qui ciblent préférentiellement les interneurones à pics rapides (FSI). Nous constatons que DBS dans STN peut normaliser l’activité des neurones épineux moyens striataux en recrutant la dynamique des FSI et en restaurant le pouvoir inhibiteur des FSI observé dans des conditions normales.

Nous constatons également que la DBS permet la réexpression des rythmes gamma et thêta, que l’on pense être dépendants de niveaux élevés de DA et donc perdus dans la PD, grâce au contrôle du bruit cortical. Notre étude souligne que les effets DBS peuvent aller au-delà de la régularisation de la dynamique de sortie de la glycémie pour restaurer la dynamique interne normale de la glycémie et la capacité de les réguler.

Il suggère également comment les oscillations gamma et thêta peuvent être exploitées pour compléter le traitement DBS et améliorer son efficacité.

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