Sistema integrado de registro y análisis de la respuesta pupilar en roedores aplicación al estudio del dolor y del locus coeruleus

Abstract

Las teorías actuales sugieren que el dolor crónico puede inducir cambios funcionales responsables del desarrollo de alteraciones afectivas y cognitivas, como ansiedad, depresión, y déficits en la memoria de trabajo y toma de decisiones. Se postula que tanto el dolor crónico como la depresión y la ansiedad podrían compartir mecanismos neurobiológicos comunes, siendo el dolor crónico un factor de riesgo para la aparición de los trastornos afectivos. El Locus Coeruleus (LC), la principal fuente de síntesis cerebral de noradrenalina emerge como una región clave para estudiar los circuitos cerebrales implicados en esta comorbilidad. Sin embargo, el rol del sistema noradrenérgico-LC en el dolor crónico aún no está completamente definido. El LC está relacionado con el comportamiento ansioso y depresivo en modelos de dolor neuropático, lo que refuerza su propuesta como núcleo crítico en la comorbilidad entre dolor crónico y trastornos afectivos. Debido a las dificultades de acceso al LC en humanos, se precisa del uso de técnicas no invasivas para su estudio. Existen evidencias en humanos, primates y roedores que indican que las variaciones en el tamaño de la pupila no inducidas por cambios en el nivel de iluminación están correlacionadas con el nivel de alerta, atención y procesamiento cognitivo. En roedores y primates, se ha demostrado que los cambios en el diámetro de la pupila pueden reflejar cambios en la actividad neuronal del LC. Además, los estímulos nociceptivos evocan la dilatación pupilar junto con la activación del LC. Por ello el objetivo principal de esta tesis doctoral ha sido el de abordar el estudio de la pupilometría como técnica no invasiva, fiable y fácilmente accesible para evaluar los cambios en la actividad del sistema noradrenérgico-LC, dada su implicación en la fisiopatología del dolor crónico y en la comorbilidad dolor crónico-trastornos afectivos como la ansiedad o la depresión. Para lograrlo, se ha desarrollado un nuevo sistema experimental para su uso en modelos animales. Este sistema engloba un diseño mecánico, técnicas de inteligencia artificial y de procesamiento de imágenes para la medición automática y binocular del diámetro pupilar. Además, integra tecnologías de optogenética comerciales para la manipulación selectiva de la actividad del LC y de registro de señales electrofisiológicas (potenciales de campo local). De forma complementaria, se han desarrollado herramientas de análisis que parametrizan el entorno experimental, permitiendo la caracterización precisa y dinámica de la respuesta pupilar mediante nuevas métricas que capturan la magnitud y velocidad de la dilatación pupilar. Todos estos desarrollos se han evaluado con diferentes paradigmas experimentales, incluyendo experimentos en animales sanos y con dolor a largo plazo, para analizar la relación entre la actividad del LC, el tamaño pupilar y la respuesta nociceptiva. Los resultados obtenidos corroboran que la fotoactivación mediante el uso de técnicas de optogenética de las neuronas noradrenérgicas del LC es capaz de producir una respuesta de dilatación pupilar en animales sanos, y se han evidenciado diferencias sexuales en la respuesta pupilar. Además, estas diferencias en la respuesta pupilar entre sexos se produjeron tanto en animales sanos como en modelos con dolor neuropático a largo plazo, y la respuesta pupilar correlacionó con los cambios en la actividad del LC en respuesta a estímulos nociceptivos, lo que respalda su uso como biomarcador no invasivo. La integración de la medida de la actividad electrofisiológica permitió registrar de manera sincronizada la actividad neuronal del LC y la dilatación pupilar, proporcionando una visión más completa de los mecanismos subyacentes. En conclusión, este trabajo establece una metodología robusta para el estudio, vía un biomarcador indirecto como la respuesta pupilar, de la actividad del LC y su relación con el dolor. La pupilometría se presenta como una herramienta prometedora, con gran potencial de traslacionalidad clínica. Este enfoque multidisciplinar, que combina neurociencia, ingeniería biomédica, de sistemas y automática e inteligencia artificial, aspira a contribuir significativamente a la comprensión de los mecanismos neurobiológicos subyacentes, lo que podría contribuir al desarrollo de nuevos enfoques terapéuticos.