Comunicação serial assíncrona com o cérebro: padrões temporais de microestimulação elétrica ditando o comportamento

• Main Author: Flavio Afonso Goncalves Mourao
• Other Authors: Marcio Flavio Dutra Moraes
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Minas Gerais 2014
• Online Access: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9VMHRG

=== Electrical microstimulation (ES) of primary sensory areas has shown some promising results on imputing information to the brain. In quite general terms, the modal perception is based on the area electrodes are placed, while the intensity of perception is driven by the ES frequency pattern. One unexplored possibility is that a single electrode delivering temporally coded stimuli, mimicking an asynchronous serial communication port to the brain, can trigger the emergence of different brain-states. Thus, this work tests the hypothesis if whether a specific polymodal associative area (the amygdaloid complex) may distinguish between two different temporally organized sequences of ES. In other words, if two binary sequences (same number of 0s and 1s bits), are used to control a ES device connected to the AMY, would it be possible to associate different qualia of perception to each binary sequence? Wistar rats (250 310 g) were submitted to a surgical implant of ES electrodes in the amygdala basolateral complex. Animals then underwent a classical conditioning paradigm, which consisted of pairing distinct patterns of ES (conditioned stimuli - biphasic square waves, 25 A, 100 s) to an unconditioned stimulus (footshock, 0.4 mA, during 2 s). The acquisition of conditioned behavior was evaluated by measuring the freezing (no movements - except breathing - for 3 s). In the first protocol we used a periodic pattern of 6 Hz ES (166.7 ms inter pulse interval - IPI) as conditioned stimulus. The freezing response was significantly higher in the paired group (69 ± 5%) when compared to the unpaired group (25 ± 8%, p < 0.001). In the second protocol, we used two distinct temporal patterns of ES, both with six pulses per second: (A) 1110000111 and (B) 1001111001, with bits separated by a 10ms IPI. During the conditioning phase, all animals were stimulated as: 1) A-paired and B-unpaired; 2) A-unpaired and B-paired and 3) A-unpaired and B-unpaired. Conditioned behavior was evaluated for 3 consecutive days using only one ES pattern per day; respectively, pattern B A B. A proper conditioned response was observed, in Day 1, only for the B-paired group (B-paired: 49 ± 7%; A-paired: 22 ± 5%, p < 0.05; Unpaired: 13 ± 4%, p < 0.001). In Day 2, only the A-paired group showed significant freezing (B-paired: 10 ± 2%; A-paired: 49 ± 12%, p < 0.001; Unpaired: 8 ± 2%, p < 0.001). In Day 3 results were similar to Day 1 (B-paired: 42 ± 8%; A-paired: 27 ± 10%, p=ns; Unpaired: 14 ± 3%, p < 0.01). In order to determine the neural substrates recruited by the different stimulation patterns, c-Fos expression was evaluated one and a half hours after the last retention test. Animals conditioned to word-B, after stimulation with word-B, demonstrated increased hypothalamic c-Fos staining. Animals conditioned to word-A, however, showed increased prefrontal c-Fos labeling. In addition, prefrontal-cortex and hypothalamic c-Fos staining for, respectively, word-B and word-A conditioned animals, was no different than that of an unpaired control group. Our results suggest that, depending on the valence acquired from previous learning, temporally coded microstimulation activates distinct neural networks and associated behavior. === A Microestimulação Elétrica (ES) em áreas sensoriais primárias tem sido utilizada como uma promissora técnica de transferência de informações para o cérebro. Em termos gerais, a percepção de um estímulo sensorial tem sido mimetizada através de eletrodos posicionados em áreas caracteristicamente monomodais, onde a intensidade do estímulo é determinada pela magnitude da frequência de ES aplicada. Neste contexto, uma possibilidade ainda não explorada é a de que um único eletrodo, como uma porta de comunicação serial assíncrona com o cérebro, aplique diferentes padrões temporalmente codificados de ES para desencadear o surgimento de diferentes estados cerebrais. Desta maneira, este trabalho testa a hipótese de que padrões temporais de ES são capazes de carrear diferentes informações, quando aplicados em uma área associativa polimodal como o Complexo Amigdaloide. Em outras palavras, se duas sequências binárias, compostas pelo mesmo número de bits iguais a 0 ou 1, forem aplicadas no Complexo Amigdaloide, elas poderiam ser associadas a diferentes valências ambientais? Ratos Wistar, machos (250 310 g), foram submetidos a um implante cirúrgico de eletrodos de ES no complexo basolateral da amígdala. Em seguida, foram submetidos a dois protocolos de condicionamento ao medo, com o pareamento de distintos padrões de ES, como estímulos condicionados (CS, pulso quadrados, bifásicos, 25 A, de 100 s), a um estímulo não condicionado (US, choque nas patas, 0,4 mA, durante 2 s). A resposta condicionada foi avaliada através de medidas do comportamento de congelamento (freezing, ausência de movimentos, exceto pela respiração, por 3 s). No primeiro protocolo foi utilizado um padrão periódico de 6 Hz de ES (166,7 ms de intervalo interpulso, IPI) como CS. A resposta de congelamento foi significativamente maior no grupo pareado (69 ± 5%) quando comparado com o grupo não pareado (25 ± 8%, p < 0,001). No segundo protocolo foram utilizados dois padrões temporais de ES, ambos com seis pulsos por segundo: (A) 1110000111 e (B) 1001111001, com 10 ms IPI. Durante a fase de condicionamento, todos os animais foram estimulados conforme os seguintes grupos: 1) Pareado A e Não Pareado B; 2) Pareado B e Não Pareado A e 3) Não Pareado A e Não Pareado B. O comportamento condicionado foi avaliado durante 3 dias consecutivos, utilizando apenas um padrão ES por dia; respectivamente, padrão B - A - B. A resposta condicionada foi observada no dia 1 apenas para o grupo Pareado B (Pareado B: 49 ± 7%; Pareado A: 22 ± 5%, p < 0,05; Não pareado: 13 ± 4%, p < 0,001). No dia 2, apenas o grupo Pareado A apresentou um comportamento condicionado significativo (Pareado B: 10 ± 2%; Pareado A: 49 ± 12%, p < 0,001; Não Pareado: 8 ± 2%, p < 0,001). No dia 3, os resultados foram semelhantes ao dia 1 (Pareado B: 42 ± 8%; Pareado A: 27 ± 10%, p = ns; Não pareado: 14 ± 3%, p < 0,01). A fim de determinar os substratos neurais recrutadas pelos diferentes padrões de estimulação, a expressão de c-Fos foi avaliada 90 minutos após o último teste de retenção. Os animais do grupo Pareado B, após estimulação com o padrão B, apresentaram um aumento significativo da marcação no circuito amígdalo-hipotalâmico. Os animais do grupo Pareado A, no entanto, apresentaram um aumento em estruturas do Córtex Pré-Frontal medial. Os resultados sugerem que, dependendo da valência adquirida durante a aprendizagem, a microestimulação temporalmente codificada ativa redes neuronais distintas concomitante a uma apropriada resposta comportamental. Em resumo, o Complexo Amigdaloide foi capaz de discriminar distintos padrões temporais de ES, dependendo da sequência binária previamente programada durante um paradigma de aprendizado associativo.