Estudo por simulação computacional sobre os efeitos de estimulações de núcleos encefálicos na atividade de um circuito neuronal envolvido na doença de Parkinson

Autor(es)

Marcelo Ramos Romano

• Tipo de documento: Dissertação de Mestrado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
• Data de defesa: 2020-11-16

Membros da banca

Leonardo Abdala Elias; Carina Marconi Germer; Antonio Augusto Fasolo Quevedo

• Orientador: Leonardo Abdala Elias; Renan Cipriano Moioli

Resumo

Postula-se que a doença de Parkinson (PD, do inglês Parkinson’s Disease) é resultado da degeneração de neurônios dopaminérgicos localizados na substância negra. Acredita-se que o tremor parkinsoniano é proveniente de um aumento nas oscilações e acoplamento nos núcleos da base, especialmente nas bandas alfa (8-15Hz) e beta (15-35Hz). Uma terapia utilizada para o tratamento da PD é a estimulação elétrica de núcleos encefálicos profundos (DBS), na qual se aplicam sinais periódicos (pulsos elétricos com uma frequência fixa), tipicamente, no núcleo subtalâmico (STN). Uma hipótese é que sinais aleatórios podem também ser utilizados nas terapias com o objetivo de reduzir as oscilações corticais e, consequentemente, reduzir o tremor. Além disso, outra forma de estimulação ainda pouco estudada do ponto de vista computacional é a estimulação medular, que provou ser benéfica em estudos experimentais recentes. Neste estudo, um modelo computacional do circuito motor envolvendo o córtex, os núcleos da base e o tálamo, que representa um modelo animal de roedor para a PD, foi utilizado com o propósito de estudar o efeito de diferentes tipos de estimulação sobre a atividade desse circuito neuronal encefálico. A partir deste modelo computacional, após uma etapa inicial de validação do modelo, foram realizadas simulações com entradas aleatórias de diferentes intensidades aplicadas ao STN com o intuito de analisar os efeitos da estimulação estocástica na atividade dos neurônios que formam o circuito motor. Além disso, foram também aplicadas entradas tanto determinísticas quanto estocásticas ao tálamo (TH), assumindo, por simplicidade, que esta seria uma forma de se mimetizar a estimulação medular, pois as vias ascendentes convergem para o TH. Foram utilizadas métricas temporais, espectrais e de teoria da informação como forma de avaliar a resposta dos neurônios que compõe os núcleos do modelo. Por fim, o modelo também foi validado para dados de um animal primata, que são evolutivamente mais próximos aos humanos. A estimulação estocástica aplicada ao STN foi bem sucedida no sentido de reduzir as oscilações e a potência exagerada na banda beta, além da coerência entre os núcleos. O benefício da estimulação do STN esteve fortemente atrelado a uma elevada frequência de disparos dos neurônios do STN. Como alguns estudos já apontavam para a estimulação determinística, estimulações estocásticas com espectro limitado às baixas frequências também não foram efetivas em reduzir as oscilações parkinsonianas do modelo. A estimulação estocástica apresenta algumas propriedades interessantes como: a amplitude do sinal dentro de uma faixa compatível com a estimulação determinística (< 10?Arms/cm²), simplicidade (apenas um parâmetro a ser ajustado ao invés de três da estimulação determinística) e possibilidade de incluir médias frequências de estimulação, além das altas, que experimentalmente têm se mostrado benéficas para o melhoramento de sintomas axiais (por exemplo, o congelamento da marcha e a instabilidade postural) (AU)

• Processo FAPESP: 18/11075-5 - Estudo por simulação computacional sobre os efeitos da estimulação estocástica na atividade de um circuito encefálico envolvido na doença de Parkinson
• Beneficiário: Marcelo Ramos Romano
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Mestrado