Modulation of cortical electrical activity by deep brain stimulation of the amygdala in rats

Abstract

Abstract : Deep brain stimulation (DBS) is an alternative of treatment forrefractory psychiatric disorders that still faces the challenge of correctlyconfiguring the stimulation parameters for each patient individually.The creation of measurable metrics for the clinical effects ofDBS, named biomarkers, will help improving the DBS programmingprocess. The amygdala (AMY) is a limbic structure that plays a keyrole in several psychiatric illnesses, therefore being a key structure forDBS. The medial prefrontal cortex (mPFC) is reciprocally connectedto AMY and biomarkers built on its neural activity may be useful forthe DBS parameter selection in the context of psychiatric diseases. Inthis dissertation the effect of acute AMY DBS on mPFC modulation andits effects on anxiety reduction were investigated in wistar rats usingbiomarkers proposed here. The brain signals acquired from rats subjectedto DBS were analyzed using the Power Spectral Density, PoincareMap and Correlation Dimension algorithms. The correlation between112 features acquired from the previous analysis revealed the existenceof two biomarkers that were used for anxiety assessment. The resultssuggest that AMY DBS can be used as a mean to reduce anxiety. Sincetechnological difficulties with the performed experiments reduced thenumber of subjects that could be taken into account in this study, it isstill important to check the generality of the above results for a largernumber of subjects. The proposed anxiety biomarkers may allow thedevelopment of automated DBS parameter optimization applied to thelimbic system in psychiatric diseases, since the anxiety plays a key rolein many psychiatric diseases.

A eletroestimulação cerebral profunda (DBS, em inglês) é umatécnica que vem sendo estudada como alternativa aos fármacos paradoenças psiquiátricas refratárias, ou seja, as que não respondem àmedicação. O DBS vem sendo aplicado com sucesso como tratamento para doenças motoras como Parkinson e distonia a mais de 20 anos. Parte determinante do sucesso da técnica é a configuração dos parâmetros de estimulação, que deve ser feita individualmente paracada paciente. No caso das doenças motoras, o efeito da estimulação é visi´vel aolho nu (tremor ou rigidez dos membros), o que permite a configuraçãodos parâmetros pelo profissional de saúde responsável. Para doençaspsiquiátricas não há um efeito rapidamente observável que permita aprogramação dos parâmetros, o que tem impossibilitado a expansãoda técnica para essas doenças. O objetivo desta dissertação é descobrir como se pode extrair dos sinais cerebrais tal informação. Nesta dissertação foram realizados experimentos com DBS em ratos wistar ao mesmo tempo que seus sinais cerebrais foram colhidos. Os animaistambém passaram por testes de labirinto de cruz elevado para mediçãode seus ni´veis de ansiedade. A partir dos dados obtidos se construiu umbiomarcador de ansiedade para os animais. A estrutura cerebral alvo do DBS foi a ami´gdala, devido ao seu papel chave nos circuitos cerebrais relacionados às doenças psiquiátricas,como a depressão, ansiedade e transtorno bipolar. Os sinais cerebrais foram adquiridos no córtex pré-frontal, região cerebral que possui uma conexão neural bidirecional com a ami´gdala. Os resultados da dissertação mostram que o posicionamento do eletrodo da ami´gdala é determinante no efeito sobre a ansiedade. Apesar de problemas tecnológicos terem causado uma significativa perda de dados, os resultados sugerem queo DBS aplicado à amigdala sob as condições e parâmetros selecionadosnesta dissertação tem efeito redutor de ansiedade. Para a construçãodo biomarcador de ansiedade foram utilizados dados de 17 animais.Para a análise dos efeitos do DBS sobre a ansiedade foram utilizados dados de 8 animais, que foram analisados em casos de estudo individuais devido ao posicionamento de eletrodo único de cada um. O animal considerado o padrão ouro, o qual o posicionamento do eletrodo de DBS na ami´gdala foi perfeito, apresentou redução aguda de ansiedade de acordo com o que se esperava com base na revisão da literatura.