Photostimulation of Phox2b Medullary Neurons Activates Cardiorespiratory Function in Conscious Rats

Abstract

Photostimulation of ChR2-transfected RVLM Phox2b neurons produces a vigorous stimulation of breathing accompanied by a small sympathetically mediated increase in BP. These results demonstrate that breathing can be relatively selectively activated in resting unanesthetized mammals via optogenetic manipulation of RVLM neurons presumed to be central chemoreceptors. This methodology could perhaps be used in the future to enhance respiration in humans.

Optogenetics in neuroscience: what we gain from studies in mammals

“…Moreover, active expiration occurs after photoactivation [68] . On the other hand, photoactivation of C1 neurons in the rostral ventrolateral medulla (RVLM) in which ChR2 is expressed increases sympathetic activity and blood pressure [40,69] . These findings provided the direct evidence that C1 neurons play a role in sympathetic-promoting activity and blood pressure regulation.…”

Mecanismos purinérgicos no bulbo ventrolateral rostral modulam respostas cardiovasculares e respiratórias promovidas pela ativação dos quimiorreceptores centrais e periféricos.

“…Retrotrapezoid nucleus neurons are directly activated by CO 2 /H + , as demonstrated in neuronal recordings from brain slices and acutely dissociated preparations . Retrotrapezoid nucleus neurons are glutamatergic, and their selective stimulation in vivo results in rapid and robust breathing activity Kanbar et al 2010), while selective inhibition blunts whole-animal breathing responses to hypercapnia Takakura et al 2014), thus indicating that RTN chemoreceptors provide an excitatory drive to breathe.…”

Neurônios catecolaminérgicos do tronco encefálico participam dos ajustes respiratórios induzidos por hipóxia e hipercapnia.

“…quanto da estimulação aguda dos catecolaminérgicos do grupamento C1 (Abbott et al, 2010;Kanbar et al, 2010;Marina et al,2011;Abbott et al, 2012;Burke et al, 2014;Menuet et al, 2017;Wenker et al, 2017). Os primeiros estudos avaliaram os efeitos da ativação seletiva dos neurônios C1 (optogenética) sobre os parâmetros cardiovasculares e demonstraram que a ativação optogenética do grupamento C1 promove um aumento expressivo da pressão arterial e da atividade simpática, tanto em animais anestesiados (Abbott et al, 2010) quanto em animais não anestesiados (Kanbar et al, 2010), reproduzindo os efeitos observados com as técnicas convencionais de estimulação quimíca ou elétrica do RVLM (Abbott et al, 2010;Kanbar et al, 2010).…”

“…Os primeiros estudos avaliaram os efeitos da ativação seletiva dos neurônios C1 (optogenética) sobre os parâmetros cardiovasculares e demonstraram que a ativação optogenética do grupamento C1 promove um aumento expressivo da pressão arterial e da atividade simpática, tanto em animais anestesiados (Abbott et al, 2010) quanto em animais não anestesiados (Kanbar et al, 2010), reproduzindo os efeitos observados com as técnicas convencionais de estimulação quimíca ou elétrica do RVLM (Abbott et al, 2010;Kanbar et al, 2010). Já com os estudos nos quais a inibição seletiva dos neurônios C1 foram avaliadas em animais anestesiados (Marina et al, 2011; 2017) e não anestesiadas (Wenker et al, 2017), foi demonstrado que de fato os neurônios C1…”

“…Nos estudos prévios, realizados após o desenvolvimento de tecnologias seletiva para o estudo da função dos neurônios C1, essas respostas foram confirmadas (Madden et al, 1999;Madden, Sved 2003;Abbott et al, 2010;Kanbar et al, 2010;Burke et al, 2014;Wenker et al, 2017). A depleção dos neurônios catecolaminérgicos do grupamento C1, por injeções da toxina anti-DβH-SAP no RVLM ou na IML, atenuou os reflexos cardiovasculares promovidos pela ativação/inibição dos barorreceptores e ativação dos quimiorreceptores periféricos, sendo a magnitude de contribuição dos neurônios C1 para o controle reflexo da pressão arterial diretamente relacionada à extensão da lesão (Madden et al, 1999;Madden, Sved, 2003).…”