Se ha informado que la fotobiomodulación transcraneal no invasiva (tPBM) con un láser de 1064 nm mejora el rendimiento humano en tareas cognitivas, así como regula el aumento local del metabolismo cerebral y la hemodinámica del oxígeno. Sin embargo, se desconoce si tPBM de 1064 nm también modula la electrofisiología, y específicamente las oscilaciones neuronales, en el cerebro humano. La hipótesis que guía nuestro estudio es que la aplicación de 1064 nm tPBM de la corteza prefrontal derecha mejora los ritmos neurofisiológicos en bandas de frecuencia específicas en el cerebro humano en condiciones de reposo. Para probar esta hipótesis, registramos el electroencefalograma del cuero cabelludo (EEG) de 64 canales antes, durante y después de la aplicación de 11 min de tPBM de 4 cm de diámetro (láser CW de 1064 nm con 162 mW / cm 2 y 107 J / cm 2) a la frente derecha de sujetos humanos ( n = 20) usando un diseño controlado por simulacro dentro del sujeto. Se calcularon las topografías del cuero cabelludo con resolución temporal de la potencia del EEG en cinco bandas de frecuencia para examinar los cambios de potencia del EEG inducidos por tPBM en el cuero cabelludo. Los resultados muestran aumentos significativos, dependientes del tiempo, de las potencias espectrales del EEG en las bandas alfa (8 a 13 Hz) y beta (13 a 30 Hz) en regiones del cuero cabelludo amplias, exhibiendo un patrón de adelante hacia atrás. Los hallazgos proporcionan el primer mapeo topográfico controlado por simulación en el que tPBM aumenta la fuerza de las oscilaciones electrofisiológicas (bandas alfa y beta) al tiempo que arroja luz sobre los mecanismos de tPBM en el cerebro humano.
La fotobiomodulación (PBM) es un proceso que utiliza luz, con técnicas de administración no destructivas y no térmicas, para modular la respiración mitocondrial y las funciones celulares en muchos tipos de células, incluidas las neuronas. 1 - 4 PBM también se ha denominado terapia con láser (luz) de bajo nivel (LLLT), cuando su objetivo es servir como terapia para una variedad de afecciones médicas, como el alivio del dolor y la curación de heridas. 5 , 6 Cuando PBM está dirigido a la cabeza humana, el término fotobiomodulación transcraneal (tPBM) se ha utilizado para enfatizar que el objetivo modulado por la luz es la corteza cerebral humana, hasta ∼ 3 cm∼3 cm por debajo del cuero cabelludo humano, 7con el objetivo de mejorar la oxigenación cerebral y el funcionamiento cognitivo. 8 - 10 En general, la mayoría de los estudios de investigación o aplicaciones clínicas con tPBM han utilizado láseres o diodos emisores de luz (LED) en el rango espectral rojo (620 a 680 nm) o infrarrojo cercano (800 a 980 nm). Se aplicaron 11 LED con un ancho de banda de 1064 a 1080 nm para neuromodular el cerebro humano de un pequeño grupo de pacientes con demencia (seis activos, tres controles y dos abandonos) y para demostrar la viabilidad de que tPBM pueda mejorar el poder ejecutivo de los pacientes. marcha. 12Este estudio también informa una tendencia de mejora inducida por tPBM en la amplitud y conectividad del electroencefalograma (EEG). Además, se ha utilizado un láser infrarrojo de 1064 nm para aplicar tPBM y se informa que mejora el rendimiento cognitivo en diversas tareas en estudios controlados con simulación con más de 300 sujetos humanos. 13 - 16 Más recientemente, hemos demostrado que tPBM por láser de 1064 nm indujo cambios significativos en la oxigenación de la sangre cerebral medida con espectroscopía funcional de infrarrojo cercano. 17 , 18 Estos cambios son causados por la interacción neurona-fotón que induce aumentos en la concentración de citocromo-c-oxidasa oxidada (CCO), 18 la enzima en la etapa terminal de la cadena respiratoria mitocondrial.19
Los estudios previos in vivo hemodinámicos y metabólicos de tPBM con láser de 1064 nm en humanos proporcionan información sobre los cambios fisiológicos provocados por la estimulación con un láser infrarrojo de 1064 nm. 18 , 19 El supuesto mecanismo de tPBM para mejorar la función cognitiva humana es una interacción neurona-fotón iniciada por la fotooxidación de CCO. 8 , 18En resumen, los fotones incidentes causan que el CCO pierda electrones (es decir, que se fotooxida), ya que el CCO es el principal aceptor de fotones en las células. Cuando el CCO se oxida, tiene una conformación con más afinidad para catalizar la reducción de oxígeno en agua en la respiración celular. El incremento de la concentración de CCO oxidado, por lo tanto, acelera la producción de ATP a través de la fosforilación oxidativa al consumir más moléculas de oxígeno. 8 , 18 , 20 La tasa de consumo más rápida de las moléculas de oxígeno provoca un aumento en el flujo sanguíneo y, por lo tanto, la oxigenación hemodinámica de los vasos sanguíneos cercanos. El aumento de ATP en las neuronas se utiliza como suministro de energía para llevar a cabo una variedad de actividades celulares y reacciones bioquímicas. 8 , 20Mientras tanto, es posible que la luz tPBM pueda ser absorbida y / o interactuar con una variedad de células y orgánulos en el tejido humano debido a la alta complejidad del tejido biológico. Por ejemplo, PBM es capaz de modular la expresión génica y las actividades del canal de iones de calcio, como se informó en estudios preclínicos. 21
Dado que la actividad celular más exigente de energía en las neuronas implica el mantenimiento de los potenciales eléctricos de membrana, 22 el aumento inducido por tPBM en las concentraciones oxidadas de CCO y ATP en las neuronas puede conducir a alteraciones electrofisiológicas. Además, de acuerdo con los hallazgos de nuestros estudios anteriores, las respuestas hemodinámicas y metabólicas locales se informan como respuestas a tPBM en la corteza prefrontal derecha. Sin embargo, aún se desconoce si el tPBM induce respuestas electrofisiológicas distales / globales debido a la conectividad neuronal. Hasta la fecha, solo un par de estudios in vivo han investigado los cambios electrofisiológicos provocados por tPBM. 16 , 23 El objetivo principal de este estudio fue determinar si tPBM modula la amplitud de los ritmos corticales humanos medidos por el EEG del cuero cabelludo antes, durante y después de tPBM.
El EEG del cuero cabelludo es una medida resuelta en el tiempo de la actividad sináptica agregada a través de millones de células en la corteza cerebral subyacente. El EEG a menudo se ha combinado con la estimulación cerebral [p. Ej., Estimulación transcraneal de corriente continua y estimulación magnética transcraneal (TMS)] para estudiar los mecanismos de las técnicas de neuromodulación. 24 - 26 La modulación en la actividad de los ritmos alfa (8 a 13 Hz), beta (13 a 30 Hz) y gamma (30 a 70 Hz) se ha asociado durante mucho tiempo con la función cognitiva y los estados cerebrales. 27 - 29Además, se ha informado que una variedad de formas de tPBM (usando LED a longitudes de onda entre 800 y 850 nm o un láser a 1064 nm) mejora las funciones cognitivas humanas, como la memoria de trabajo, la atención sostenida, el aprendizaje por categorías y las habilidades ejecutivas. 8 , 10 , 11 , 13 - 16 , 30
Para probar nuestra hipótesis, registramos el EEG del cuero cabelludo antes, durante y después de la aplicación de láser infrarrojo de 1064 nm en la frente frontal derecha en n = 20n=20 sujetos usando un diseño controlado por simulación dentro de los sujetos. Al final de este estudio, la hipótesis fue confirmada por nuestras observaciones de que tPBM dio lugar a aumentos significativos en la fuerza del poder espectral de las oscilaciones electrofisiológicas en las bandas alfa y beta en las regiones anterior a posterior en el cerebro humano, revelando mecanismos de acción electrofisiológicos de tPBM en el cerebro humano.
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