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Type: TESE
Title: Dinamicas não-lineares do burst epileptiforme e da sua transição para a depressão alastrante
Title Alternative: Non-linear dynamics of epileptiform burst and its transition to spreading depression
Author: Azevedo, Gerson Florence Carvalheira de
Advisor: Bassani, José Wilson Magalhães, 1953-
Abstract: Resumo: Durante o burst epileptiforme e a depressão alastrante (DA), são observados um aumento da [K+]o (concentração extracelular de potássio) e uma diminuição da [Ca2+]o (concentração extracelular de cálcio), evidenciando a participação deste mecanismo não-sináptico nestes padrões oscilatórios anormais. Essas variações nas [K+]o e [Ca2+]o elevam a excitabilidade neuronal. No entanto, não está claro se a alta [K+]o é um fator primário na geração destas atividades neuronais ou se apenas desempenha um papel secundário neste processo. Para melhor compreender a dinâmica não-linear destes padrões, as condições experimentais de alta [K+]o e zero [Ca2+]o foram replicadas em um modelo ampliado de Golomb, referente à região CA1 da formação hipocampal. Importantes mecanismos regulatórios de concentração iônica, como a bomba Na+/K+, a difusão iônica e o sistema de buffer da glia, foram acrescentados ao modelo de Golomb. Dentro destas condições, foi possível simular atividades elétricas neuronais tipicamente apresentadas no burst epileptiforme em sua fase ictal. A DA foi iniciada pela interrupção da atividade da bomba Na+/K+. O bloqueio da bomba Na+/K+ por meio da hipóxia celular é uma manobra experimental para se obter a DA, conhecida também como depressão alastrante hipóxica - DAH. A teoria de bifurcação e o método fast-slow analysis foram utilizados para estudar a interferência do K+ extracelular na excitabilidade celular. Este estudo indicou que o sistema perde a sua estabilidade com o aumento da [K+]o, transitando para um elevado estado de excitabilidade. Este crescimento da [K+]o provoca bifurcações no comportamento dinâmico neuronal, que determinam transições entre diferentes estágios dessas atividades elétricas. No primeiro estágio, o aumento da [K+]o propicia a deflagração do burst epileptiforme e da DA via bifurcações sela-nó e de Hopf supercrítica, respectivamente. Ao longo da atividade neuronal, o nível de excitabilidade é mantido por meio de um crescimento contínuo da [K+]o, que deprime as correntes de K+ em um processo de realimentação positiva. Neste estágio, em relação ao burst epileptiforme, a amplitude e a freqüência dos disparos dos potenciais de ação são alteradas via bifurcação de Hopf supercrítica. No último estágio, com a depressão das correntes de K+, a bomba de Na+/K+ tem uma participação importante no término da atividade neuronal. O burst epileptiforme e a DA são finalizados por meio das bifurcações sela-órbita homoclínica e sela-nó, respectivamente. Portanto, este trabalho sugere que o K+ extracelular pode desempenhar um papel fundamental na dinâmica não-linear do burst epileptiforme e da sua transição para a DA.

Abstract: During the epileptiform burst and the spreading depression (SD), it is observed an increase of [K+]o (extracellular potassium concentration) and a decrease of [Ca2+]o (extracellular calcium concentration), pointing out the participation of this nonsynaptic mechanism in these abnormal oscillatory patterns. These ionic variations raise the neuronal excitability. However, whether the high [K+]o is a primary factor in the beginning of these neuronal activities or just plays a secondary role into this process is unclear. To better understand the nonlinear dynamics of these patterns, the experimental conditions of high [K+]o and zero [Ca2+]o were replicated in an extended Golomb model in which we added important regulatory mechanisms of ion concentration as Na+/K+ pump, ion diffusion and glial buffering. Within these conditions, it was possible to simulate epileptiform burst within the ictal phase. The SD was elicited by the interruption of the Na+/K+ pump activity. The blockage of Na+/K+ pump by cellular hypoxia is an experimental procedure to elicit SD, known as hypoxic spreading depression - HSD. The bifurcation theory and the method of fast-slow analysis were used to study the interference of extracellular K+ in the cellular excitability. This analysis indicates that the system loses its stability at a high [K+]o, transiting to an elevated state of neuronal excitability. This raise of [K+]o provokes bifurcations in the neuronal dynamic behavior, that determine transitions between different stages of these electrical activities. In the initial stage, the increase of [K+]o creates favorable conditions to trigger the epileptiform burst and the SD by saddle-node and supercritical Hopf bifurcations, respectively. During the neuronal activity, the level of excitability is maintained by a continuous growth of [K+]o that depresses K+ currents in a positive feedback way. At this stage, concerning epileptiform burst, the amplitude and frequency of action potentials are changed by supercritical Hopf bifurcation. At the last stage, with the depression of K+ currents, the Na+/K+ pump plays an important role in the end of neuronal activity. The epileptiform burst and SD activities terminate by saddle-homoclinic orbit and saddle-node bifurcations, respectively. Thus, this work suggests that [K+]o may play a fundamental role in the nonlinear dynamics of the epileptiform burst and the transition to SD.
Subject: Bioengenharia
Neurologia
Dinâmica
Language: Português
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2009
Appears in Collections:FEEC - Dissertação e Tese

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