simulação de tecido neuronal e medidas in vitro em fatias de cérebro

XIX CONGRESSO BRASILEIRO DE FÍSICA MÉDICA
17 A 20 DE AGOSTO DE 2014
GOIÂNIA – GO
SIMULAÇÃO DE TECIDO NEURONAL E MEDIDAS IN VITRO
EM FATIAS DE CÉREBRO
Almeida AC, Rodrigues AMR
Laboratóriode Neurociência Experimental e Computacional / DEPEB
Universidade Federal de São João del-Rei – UFSJ, São João del-Rei ABCDE, Cidade, Brasil.
Resumo: O hiper-sincronismos e a hiper-excitabilidade neuronal são típicos de atividades epilépticas
e demonstram grande complexidade no recrutamento dos elementos da rede neuronal para a
configuração de um evento epileptiforme autosustentado. Como se não bastasse a intrincada
interação neuronal promovida pela circuitaria sináptica,as alterações das concentrações iônicas intra
e extracelulares, mediadas pelo mecanismos não-sinápticos (tais como bomba de sódio potássio,
cotransportadores, trocadores, gap-junctions, efeito de campo) tornam o entendimento dos
mecanismos básicos das epilepsias ainda mais complexos. Na presente apresentação, abordaremos
o emprego de simulação computacional para o entendimento dos processos não-sinápticos, durante
atividades epileptiformes induzidas em fatias de cérebro.
Palavras-chave: epilepsia, mecanismos não-sinápticos, simulação computacional, registros in vitro.
Abstract:The neuronal hyper-synchronism and hyper-excitability are typical of epileptic activities and
constitute great complexity during recruitment of the elements of the neural network for setting up a
self-sustaining event. The intricate interaction promoted by neuronal synaptic circuitry become even
more complex considering the changes of intra-and extracellular ion concentrations, mediated by nonsynaptic mechanisms (such as sodium potassium, cotransporters, exchangers, gap-junctions, field
effect pump). In this presentation, we discuss the use of computational simulation for understanding
the non-synaptic processes during induced epileptiform activity in brain slices preparation.
Keywords: epilepsy, nonsynaptic mechanisms, computational simulation, in vitro recordings.
Introdução: A sinergética neuronal no cérebro conta com processos de integração extrasinápticos
que incluem as gap-junctions, os efeitos efápticos ou de campo elétrico e as variações iônicas
extracelulares [1], com grande modulação por mecanismos reguladores da homeostase iônica intra e
extracelular[2]. Os trabalhos do nosso grupo de pesquisa em Bioengenharia de Sistemas Neuronais
tem demonstrado que os mecanismos não-sinápticos constituem alvos promissores para efeitos antiepileptogênicos. O que torna esse tipo de investigação de difícil abordagem é a atuação complexa
desses mecanismos, com dinâmicas altamente não-lineares, que exigem, além da abordagem
experimental, as simulações computacionais. Assim sendo, o objetivo central da apresentação é
mostrar que a identificação de estratégias de atuação sobre alvos não sinápticos com efeitos antiepileptogênicos, por meio de simulação computacional e verificação experimental, tem grande
potencial para identificação de procedimentos para a remissão de epilepsias refratárias aos
medicamentos atualmente disponíveis.
Método:
Procedimentos experimentiais:
Para caterização da estrutura do tecido neuronal em estudo, são realizadas marcações por imunofluorescência e reconstrução tri-dimensional das estrutura celular que compõem rede neuronal/glial.
Utilizando fatias de cérebro, no exemplo mostrado de hipocampo de rato, são induzidas atividades
epileptiformes. A atividades das fatias é monitorada por meio de registros ópticos e elétricos (intra e
extracelulares), como descrito em [3] e [4].
Modelo Computacional
O estudo das atividades epileptiformes não-sinápticas, no giro denteado de hipocampo de rato, é um
instrumento importante para a investigação da influência dos mecanismos subcelulares nãosinápticos durante crises epilépticas. Isso justificiou odesenvolvimento de um modelo computacional,
que descreve as propriedades eletroquímicas desses mecanismos, para simular atividades
epileptiformes sustentadas apenas por modulações não-sinápticas [5]. Esse modelo considera o meio
extracelular formado por uma rede tridimensional de compartimentos. A cada um dos compartimentos
extracelulares mais internos são conectados dois corpos celulares, um glial e outro neuronal,
XIX CONGRESSO BRASILEIRO DE FÍSICA MÉDICA
17 A 20 DE AGOSTO DE 2014
GOIÂNIA – GO
representando a camada de corpos celulares do giro denteado. Os compartimentos extracelulares
intermediários não são conectados a compartimentos intracelulares e representam as regiões, do
giro denteado, formadas, principalmente, por arborizações dendríticas. Os planos de compartimentos
extracelulares das bordas laterais e da base têm suas concentrações iônicas mantidas constantes e
representam a solução de perfusão do tecido em experimentos.
Resultados: Na palestra, são
apresentados
exemplos
de
investigações realizadas. Os
procedimentos
experimentais
são simulados computacionalmente. Após reprodução das
medidas
experimentais,
as
simulações são utilizadas para a
identificação dos mecanismos de
ação e localização de possíveis
alvos de drogas anti-epileptogênicas. A seguir, esses alvos
são testados experimentalmente.
Discussão e Conclusões:
Os mecanismos não-sinápticos
constituem o substrato onde fica
imersa a circuitaria sináptica. A
homeostase iônica, ao se alterar,
altera, consequentemente, a
atuação da rede neuronal. As
simulações indicam o papel
crucial que a estrutura nãosináptica exerce sobre a rede
neuronal
e
indicam
uma
estratégia de intervenção antiepileptogênica
ainda
não
explorada.
Figure1:
Representação
esquemática
do
procedimento
de
caracterização
experimental
da
estrutura
e
funcionalidade
epileptogênicado tecido nervoso e sua representação computacional em
termos dos mecanismos não-sinápticos e a simulação das atividades
epileptiformes não-sinápticas [4].
Agradecimentos:O presente trabalho tem o suporte da FAPEMIG, CNPq e CAPES
Referências:
1. Jefferys JGR. Nonsynaptic modulation of neuronal activity in the brain: electric currents and extracellular ions. Physiol. Rev.
1995; 75:689-723.
2. Santos DOC, Rodrigues AM, Almeida ACG, Dickman R.Firing patterns and synchronization in nonsynaptic epileptiform
activity: the effect of gap junctions modulated by potassium accumulation. Physical Biology 2009; 6:046019.
3. Santos LEC, Silveira GA, CostaVDC, Batista AGB, Madureira AP, Rodrigues AM, Scorza CA, Amorim HA, Arida RM, Duarte
MA, Scorza FA, Cavalheiro EA, Almeida ACG. Alcohol Abuse Promotes Changes in Non-SynapticEpileptiform Activity with
Concomitant ExpressionChanges in Cotransporters and Glial Cells, Plos One 2013; 8(11):e78854 1970.
4. Lopes MR, Santos LED, Rodrigues AM, Duarte MA, Infantosi AFC, Scorza FA, Arida RM, Madureia AP, Silveira GA, Santos
IC, Cavalheiro EA, Almeida ACG. Effect of co-transporter blockers on non-synaptic epileptiform activity – computational
simulation. Physical Biology 2013; 10:056008.
5. Almeida ACG, Rodrigues AM, Scorza FA, Cavalheiro EA, Duarte MA, Silveira GA, Arruda EZ,Mechanistic hypotheses for
nonsynaptic epileptiformactivity induction and its transition from the interictal toictal state—Computational simulation.
Epilepsia 2008;49(11):1908-24.