Fotobiomodulación transcraneal y cognición

Las técnicas de fotobiomodulación que utilizan láseres o LED en el espectro del rojo lejano al infrarrojo cercano, también llamado terapia de luz / láser de bajo nivel, se han utilizado ampliamente para la curación de heridas, dolor musculoesquelético, artritis y otras afecciones ( Brosseau et al., 2004 ; Hopkins et al., 2004 ; Cotler et al., 2015 ). Las células cerebrales dependen en gran medida del suministro de oxígeno para el metabolismo energético. Actualmente se están probando diversas formas de fotobiomodulación del sistema nervioso para aplicaciones en el deterioro neurocognitivo relacionado con el envejecimiento ( Vargas et al., 2017 ), depresión y ansiedad ( Disner et al., 2016 ; Caldieraro y Cassano, 2019 ), así como en varios desórdenes neurológicos (Naeser y Hamblin, 2011 ; Holanda et al., 2017 ). Recientemente, la estimulación láser infrarroja transcraneal (TILS) por láser de 1064 nm se ha introducido como un posible medio de mejora cognitiva humana ( Barrett y Gonzalez-Lima, 2013 ; Gonzalez-Lima y Barrett, 2014 ; Hwang et al., 2016 ; Blanco et al., 2017a , b ).

Este experimento intentó dilucidar los efectos hemodinámicos de TILS de la corteza prefrontal humana en la longitud de onda, la energía y la densidad de potencia utilizadas en estudios de aumento cognitivo previos. El objetivo era proporcionar más apoyo para el mecanismo propuesto de oxigenación cerebral de este tratamiento ( Tian et al., 2016 ; Wang et al., 2017 ) mediante la recopilación de datos hemodinámicos en tiempo real de todo el sitio prefrontal de la administración del láser durante el rendimiento cognitivo . Una mejor comprensión de los efectos hemodinámicos de este nuevo método para el mejoramiento cognitivo puede permitir el progreso hacia su uso como tratamiento clínico.

Las técnicas de fotobiomodulación influyen en la respiración mitocondrial y promueven funciones celulares beneficiosas en múltiples tejidos, incluido el tejido nervioso ( Eells et al., 2004 ; Wong-Riley et al., 2005 ). Se ha sugerido que la fotobiomodulación cerebral tiene una acción fotónica sobre la citocromo-c-oxidasa (CCO) que conduce a efectos hemodinámicos ( Rojas y Gonzalez-Lima, 2011 ; Gonzalez-Lima y Barrett, 2014 ). Los fotones del infrarrojo cercano pasan a través de la frente ( Tedford et al., 2015) para afectar el funcionamiento del tejido en la superficie cortical, regulando al alza la actividad enzimática de CCO, el paso final y limitante en la cadena de transporte de electrones mitocondrial. El CCO es responsable del consumo de oxígeno a nivel celular, que es vital en la fosforilación oxidativa para la producción de ATP, la principal fuente de energía bioquímica en el cuerpo. La respiración mitocondrial impulsada por la activación neuronal conduce a una mayor demanda de producción de energía que debe mantenerse aumentando el suministro de sangre oxigenada de la circulación. Alternativamente, la estimulación con láser podría producir efectos transcraneales debido al calor producido por el láser o los LED ( Ito et al., 2000) Sin embargo, recientemente se ha confirmado que los efectos de TILS se deben al efecto de los fotones mismos que fotooxidan el CCO a una conformación que tiene más afinidad por el consumo de oxígeno, en lugar de los efectos del calor sobre el aumento del metabolismo o la circulación ( Wang et al., 2018 ). Esto respalda aún más la hipótesis de que los fotones de TILS están actuando regulando al alza la CCO y, por lo tanto, tienen un efecto potenciador sobre el metabolismo de la energía mitocondrial y la hemodinámica cerebral ( Wang et al., 2017 ).

La espectroscopía funcional de infrarrojo cercano (fNIRS) es un método óptico que generalmente mapea las respuestas hemodinámicas transitorias en la corteza cerebral durante las tareas funcionales, incluidas las tareas cognitivas como la memoria de trabajo ( Tian et al., 2014 ). Sin embargo, una aplicación diferente de fNIRS con dos canales detectores de fuente sirvió para investigar los efectos hemodinámicos cerebrales durante más tiempo (minutos) durante TILS ( Tian et al., 2016) En nuestra aplicación actual de fNIRS, combinamos tareas cognitivas con 20 canales detectores de fuente para medir efectos de tiempo más largos antes y después de TILS. La cabeza estaba equipada con una tapa cerrada cubierta de ojales con posiciones consistentes con el sistema de mapeo EEG 10-20. Estos ojales sirvieron como alojamientos para un montaje de 20 canales de emisores y detectores ópticos, espaciados a 3 cm de distancia. En fNIRS de doble longitud de onda, los emisores sirven como fuentes para dos longitudes de onda de luz, cada una a cada lado del punto isosbestic de hemoglobina a 810 nm. Una longitud de onda es absorbida principalmente por la hemoglobina oxigenada (HbO 2), mientras que la otra longitud de onda es absorbida principalmente por la hemoglobina desoxigenada (Hb). Los detectores utilizan cables de fibra óptica para extraer fotones no absorbidos por la hemoglobina y transmitirlos al sistema de espectroscopía. El sistema computacional es capaz de determinar el cambio relativo (Δ) en las concentraciones de hemoglobina oxigenada [HbO 2 ] y hemoglobina desoxigenada [Hb]. La fNIRS de doble longitud de onda ya se ha utilizado para mostrar los efectos a largo plazo de TILS en la oxigenación cerebral en humanos que no realizaban tareas cognitivas ( Tian et al., 2016 ).

Anteriormente, se utilizaba TILS con una longitud de onda de 1064 nm para aumentar el funcionamiento cognitivo y los datos de comportamiento revelaron mejoras estadísticamente significativas en el rendimiento en la tarea de vigilancia psicomotora (PVT) y la tarea de emparejar a la muestra (DMS) en adultos jóvenes sanos ( Barrett y Gonzalez-Lima, 2013 ; Hwang et al., 2016 ). El propósito del presente estudio fue utilizar fNIRS para mapear las respuestas hemodinámicas durante la activación cognitiva antes y después de TILS a la corteza prefrontal, en condiciones que incluían estas tareas cognitivas. Una mayor comprensión de los efectos fisiológicos de TILS en la mejora cognitiva prefrontal puede facilitar su uso en entornos clínicos.

Artículo completo en: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2019.01129/full

Holmes E, Barrett DW, Saucedo CL, O'Connor P, Liu H y Gonzalez-Lima F (2019) La mejora cognitiva mediante fotobiomodulación transcraneal se asocia con la oxigenación cerebrovascular de la corteza prefrontal. Frente. Neurosci. 13: 1129. doi: 10.3389 / fnins.2019.01129