Efecto de la estimulación vagal sobre los cambios inducidos por la epilepsia en la organización temporal del sueño en el gato / Vagal simulation effect on epilepsy-induced changes in the temporal organization of sleep in the cat

ABSTRACT

Clinical and experimental observations have demonstrated a relationship between epilepsy and sleep. During slow wave sleep (SWS), facilitation of the epileptic activity has been observed, as well as an inhibition of this activity during the rapid eye movement (REM) stage. On the other hand, during epileptic seizures, sleep inhibition is manifest, but when epileptic activity is present without seizures, an increase in cortical synchronization is encountered. Vagus nerve electrical stimulation (VNS) induces synchronization or desynchronization of cortical activity depending on the stimulation parameters. We have described an inhibition of generalized convulsive activity induced either by electrical (kindling) or chemical (penicillin) stimulation of the temporal lobe amygdala. It has also been demonstrated that VNS induces ponto-geniculo-occipital activity thus suggesting that VNS exerts an influence on epilepsy and sleep. The aim of this study was to analyze the effect of chronic electrical stimulation of the vagus nerve on epilepsy-induced changes in the temporal organization of sleep and wakefulness stages. Ten male cats were stereotaxically implanted to record conventional sleep. In addition, a bipolar stainless steel electrode bound to a cannula was directed to the central nucleus of the temporal lobe amygdala. Finally, a bipolar hook stainless steel electrode was fixed on the left vagus nerve at the level of the larynx. One microliter of saline solution containing 100 IU of sodium penicillin G (Pn) was injected into the amygdala to induce an epileptic state. The left vagus nerve was stimulated with 30-s impulses in an hour, five times a day; subsequently brain electrical activity was recorded for 8 hours. The Pn injection elicited interictal spikes and changes in the temporal organization of sleep and wakefulness stages. The temporal organization of these stages exhibited the following variations a) increase in the number of phases during wakefulness, b) increment in the number of phases during SWS-I and a diminution in the mean duration of this phase, c) SWS-II total time was increased as well as its percentage, d) latency of REM sleep increased, whereas the number of phases and the total time of this phase decreased. VNS in presence of Pn produced the following changes a) increase in the latency of the appearance of spikes in 88%, and b) reduction of spike frequency in 40%. With regard to the temporal organization of sleep and wakefulness stages, we observed a) decrease in the number and total time of SWS-I and SWS-II phases and b) diminution in the latency of onset of the first REM sleep. VNS reverted REM sleep inhibition induced by epilepsy, as well as caused increase in wakefulness and decrease in cortical synchronization and interictal epileptic activity. These effects suggest inactivation of areas that induce REM sleep and also of areas that induce the generalization of epileptic activity localized in brain stem, which send their projections to the anterior brain. With respect to the decrease in both cortical synchronization and somnolence, this might be due to the inhibition, via the solitary tract and locus coeruleus nuclei, of thalamic areas (reticular nucleus), which generate the cortical synchronization. The increase in wakefulness may be due to VNS activation of the basalis nucleus (this pathway originates in the brain stem), which is a system that regulates awake and attention behaviors by its projections, which traverse the thalamic nuclei and connect to the cerebral cortex.

RESUMEN

Por las observaciones clínicas y experimentales se sabe que hay una relación entre la epilepsia y el sueño. Se describe durante el sueño de ondas lentas (SOL) una facilitación de la actividad epiléptica y una inhibición durante el sueño de movimientos oculares rápidos (MOR). A su vez, durante las crisis epilépticas se observa una inhibición del sueño y cuando no hay crisis, y sólo se registra actividad epiléptica, se observa un aumento en la sincronización cortical. La estimulación eléctrica del nervio vago (ENV) induce sincronización y desincronización de la actividad cortical según los parámetros de estimulación. Hemos descrito una inhibición de la actividad convulsiva generalizada inducida por la estimulación eléctrica (kindling) y química (penicilina) en la amígdala del lóbulo temporal. También se ha demostrado que la ENV induce la actividad ponto-genículo-occipital (PGO), por lo que se deduce que la ENV tiene influencia tanto en la epilepsia como en el sueño. El objetivo de este trabajo fue analizar el efecto de la estimulación eléctrica crónica del nervio vago sobre los cambios que induce la epilepsia en la organización temporal del sueño y la vigilia. Se implantaron estereotaxicamente a 10 gatos machos para registro convencional de sueño y se introdujo una cánula unida a un electrodo bipolar dirigida hacia el núcleo central de la amígdala del lóbulo temporal. Se colocó además un electrodo en forma de horquilla en el nervio vago izquierdo a nivel de la laringe. Se aplicaron en un microlitro de solución salina, 100 unidades internacionales (UI) de penicilina G sódica (Pn) en la amígdala del lóbulo temporal para inducir la epilepsia. Se estimuló eléctricamente el nervio vago (ENV) izquierdo durante 30 segundos cada hora. En total se aplicaron cinco estimulaciones al día y se registró la actividad eléctrica cerebral durante ocho horas. La Pn produjo espigas interictales y cambios en la organización temporal de las fases del sueño y la vigilia. En la organización temporal de las fases del sueño y la vigilia con la Pn se observó a) la vigilia aumentó el número de fases, b) el SOL-I aumentó el número de fases y disminuyó la duración promedio de la fase, c) el SOL-II aumentó el tiempo total de la fase así como su porcentaje, d) el sueño MOR aumentó la latencia y disminuyó el número de fases así como el tiempo total de la fase. Con la ENV en presencia de la Pn se observó a) un aumento en la latencia de aparición de espigas en un 88% y b) una reducción en la frecuencia de las mismas en un 40%. En la organización temporal de las fases del sueño y la vigilia se observó a) una disminución del número y del tiempo total de las fases del SOL I- II y b) una disminución en la latencia de aparición del primer sueño MOR. La ENV revirtió la inhibición del sueño MOR inducida por la epilepsia, aumentó la vigilia, disminuyó la sincronización cortical y la actividad epiléptica interictal. Estos efectos nos sugieren la inactivación de las áreas que inducen la inhibición del sueño MOR y de las áreas que inducen la generalización de la actividad epiléptica, localizadas en el tallo cerebral y que envían proyecciones hacia el cerebro anterior. Con respecto a la disminución de la sincronización cortical, la reducción de la somnolencia se debería probablemente a la inhibición vía el núcleo del tracto solitario (NTS)-locus coeruleus hacia las áreas del tálamo (núcleo reticular) que generan la sincronización cortical. El aumento de la vigilia se debería a que la ENV activa al núcleo basalis (vía que se origina en el tallo cerebral), que es un sistema que regula la conducta de vigilia y atención por medio de sus proyecciones a través de los núcleos del tálamo y que se conectan a la corteza cerebral.