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Previous issue date: 2007 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / The present thesis will try to elucidate important excitatory mechanisms in
the brainstem related to cardio-respiratory control. We will discuss 4 recently
published papers (cardiovascular control: Moreira e cols., 2005 e 2007; cardiorespiratory
control: Takakura e cols., 2006; Moreira e cols., 2006).
Papers 1 and 2: Glutamatergic mechanisms related to cardiovascular control.
In the present study, we investigated the effects of inhibition of the caudal
ventrolateral medulla (CVLM) with the GABA(A) agonist muscimol combined with
the blockade of glutamatergic mechanism in the nucleus of the solitary tract (NTS)
with kynurenic acid (kyn) on mean arterial pressure (MAP), heart rate (HR), and
regional vascular resistances. In male Holtzman rats anesthetized intravenously
with urethane/chloralose, bilateral injections of muscimol (120 pmol) into the CVLM
or bilateral injections of kyn (2.7 nmol) into the NTS alone increased MAP to 186 ±
11 and to 142 ± 6 mmHg, respectively, vs. control: 105 ± 4 mmHg; HR to 407 ± 15
and to 412 ± 18 beats per minute (bpm), respectively, vs. control: 352 ± 12 bpm;
and renal, mesenteric and hindquarter vascular resistances. However, in rats with
the CVLM bilaterally blocked by muscimol, additional injections of kyn into the NTS
reduced MAP to 88 ± 5 mmHg and mesenteric and hindquarter vascular
resistances below control baseline levels. Moreover, in rats with the glutamatergic
mechanisms of the NTS blocked by bilateral injections of kyn, additional injections
of muscimol into the CVLM also reduced MAP to 92 ± 2 mmHg and mesenteric
and hindquarter vascular resistances below control baseline levels. Simultaneous
blockade of NTS and CVLM did not modify the increase in HR but also abolished
the increase in renal vascular resistance produced by each treatment alone.
The results suggest that important pressor mechanisms arise from the NTS
and CVLM to control vascular resistance and arterial pressure under the conditions
of the present study. Papers 3 and 4: Central chemoreceptors brainstem mechanisms related to
cardio-respiratory control.
Paper 3: Interaction between central and peripheral chemoreceptors.
The rat retrotrapezoid nucleus (RTN) contains pH-sensitive neurons that are
putative central chemoreceptors. Here, we examined whether these neurons
respond to peripheral chemoreceptor stimulation and whether the input is direct
from the solitary tract nucleus (NTS) or indirect via the respiratory network. A
dense neuronal projection from commissural NTS (commNTS) to RTN was
revealed using the anterograde tracer biotinylated dextran amine (BDA). Within
RTN, 51% of BDA-labelled axonal varicosities contained detectable levels of
vesicular glutamate transporter-2 (VGLUT2) but only 5% contained glutamic acid
decarboxylase-67 (GAD67). Awake rats were exposed to hypoxia (n = 6) or
normoxia (n = 5) 1 week after injection of the retrograde tracer cholera toxin B
(CTB) into RTN. Hypoxia-activated neurons were identified by the presence of Fosimmunoreactive
nuclei. CommNTS neurons immunoreactive for both Fos and CTB
were found only in hypoxia-treated rats. VGLUT2 mRNA was detected in 92 ± 13%
of these neurons whereas only 12 ± 9% contained GAD67 mRNA.
In urethane-chloralose-anaesthetized rats, bilateral inhibition of the RTN
with muscimol eliminated the phrenic nerve discharge (PND) at rest, during
hyperoxic hypercapnia (10% CO2), and during peripheral chemoreceptor
stimulation (hypoxia and/or i.v. sodium cyanide, NaCN). RTN CO2-activated
neurons were recorded extracellularly in anaesthetized intact or vagotomized rats.
These neurons were strongly activated by hypoxia (10-15% O2; 30 s) or by NaCN.
Hypoxia and NaCN were ineffective in rats with carotid chemoreceptor
denervation. Bilateral injection of muscimol into the ventral respiratory column 1.5
mm caudal to RTN eliminated PND and the respiratory modulation of RTN
neurons. Muscimol did not change the threshold and sensitivity of RTN neurons to
hyperoxic hypercapnia nor their activation by peripheral chemoreceptor stimulation.
In conclusion, RTN neurons respond to brain pCO2 presumably via their
intrinsic chemosensitivity and to carotid chemoreceptor activation via a direct glutamatergic pathway from commNTS that bypasses the respiratory network. RTN
neurons probably contribute a portion of the chemical drive to breathe.
Paper 4: Central chemoreceptors and sympathetic vasomotor outflow.
The present study explores how elevations in brain pCO2 increase the
sympathetic nerve discharge (SND). SND, phrenic nerve discharge (PND) and
putative sympathoexcitatory vasomotor neurons of the rostral ventrolateral medulla
(RVLM) were recorded in anaesthetized sino-aortic denervated and vagotomized
rats. Hypercapnia (end-expiratory CO2 from 5% to 10%) increased SND (97 ± 6%)
and the activity of RVLM neurons (67 ± 4%). Injection of kynurenic acid (Kyn,
ionotropic glutamate receptor antagonist) into RVLM or the retrotrapezoid nucleus
(RTN) eliminated or reduced PND, respectively, but did not change the effect of
CO2 on SND. Bilateral injection of Kyn or muscimol into the rostral ventral
respiratory group (rVRG-pre-Botzinger region, also called CVLM) eliminated PND
while increasing the stimulatory effect of CO2 on SND. Muscimol injection into
commissural part of the solitary tract nucleus (commNTS) had no effect on PND or
SND activation by CO2. As expected, injection of Kyn into RVLM or muscimol into
commNTS virtually blocked the effect of carotid body stimulation on SND in rats
with intact carotid sinus nerves.
In conclusion, CO2 increases SND by activating RVLM sympathoexcitatory
neurons. The relevant central chemoreceptors are probably located within or close
to RVLM and not in the NTS or in the rVRG-pre-Botzinger/CVLM region. RVLM
sympathoexcitatory neurons may be intrinsically pH-sensitive and/or receive
excitatory synaptic inputs from RTN chemoreceptors. Activation of the central
respiratory network reduces the overall sympathetic response to CO2, presumably
by activating barosensitive CVLM neurons and inhibiting RTN chemoreceptors. / A presente tese de doutorado vai tentar elucidar os mecanismos
excitatórios do bulbo relacionados ao controle cardiovascular e respiratório. Para
tanto serão discutidos 4 trabalhos recentemente publicados (controle
cardiovascular: Moreira e cols., 2005 e 2007; controle cardio-respiratório:
Takakura e cols., 2006; Moreira e cols., 2006).
Trabalhos 1 e 2: Relacionado aos mecanismos glutamatérgicos
responsáveis pelo controle cardiovascular.
No presente estudo, procuramos investigar os efeitos cardiovasculares
promovidos pela inibição da região caudoventrolateral (CVL) do bulbo com a
injeção bilateral de muscimol, juntamente com o bloqueio glutamatérgico dos
núcleos do trato solitário (NTS) (região postremal ou comissural) com a injeção de
ácido quinurênico (antagonista de receptores glutamatérgicos). Foram utilizados
ratos Holtzman, anestesiados com uretana e alfa-cloralose e registrou-se a
pressão arterial média (PAM), frequência cardíaca (FC) e fluxo sanguíneo para os
leitos renal, mesentérico e aórtico. A injeção bilateral de muscimol (agonista
GABAérgico do sub-tipo A) (2 mM) na região do CVL ou a injeção de ácido
quinurênico (50 mM) no NTS postremal produzem aumento de PAM (186 ± 11 ou
142 ± 6 mmHg, respectivamente, vs. controle: 105 ± 4 mmHg), de FC (407 ± 15 ou
412 ± 18 bpm, respectivamente, vs. controle: 352 ± 12 bpm) e aumento de
resistência vascular renal, mesentérica e aórtica. A injeção de ácido quinurênico
no NTS comissural (NTScom) não produz alterações nos valores basais da PAM,
FC e resistência vascular. Entretanto, em animais com a injeção bilateral de
muscimol no CVL, a injeção de ácido quinurênico no NTS (postremal ou
comissural) reduziu a PAM e resistência vascular para valores abaixo do valor
controle. Do mesmo modo, em ratos com o bloqueio do NTS (postremal ou
comissural), a subsequente inibição do CVL produziu também uma redução da
PAM e resistência vascular para valores abaixo do valor controle. Em animais com
lesão eletrolítica da região do NTScom, a injeção de muscimol na região do CVL produziu redução da PAM e resistência vascular para valores abaixo do valor
controle.
Dinte disso, os resultados sugerem a existência de importantes
mecanismos excitatórios no NTS (região postremal e comissural) e no CVL para
controle da pressão arterial e resistência vascular.
Trabalhos 3 e 4: Relacionado aos mecanismos bulbares ativados pelos
quimiorreceptores centrais no controle cardio-respiratório.
Trabalho 3: Interação entre quimiorreceptores centrais e periféricos.
O núcleo retrotapezóide (NRT) contém neurônios sensíveis ao pH e são
característicos como sendo quimiorreceptores centrais. A hipótese desse trabalho
é procurar mostrar que a ativação dos quimiorreceptores periféricos promove a
ativação dos quimiorreceptores centrais no NRT e que essa ativação é mediada
por uma via direta do NTScom para o NRT. Nesse estudo foram utilizados ratos
Sprague-Dawley.
Uma densa projeção do NTScom para a região do NRT foi mostrada com o
uso de traçadores anterógrados (amina dextrana biotinilada - BDA) injetados por
iontoforese na região do NTScom. Na região do NRT, mais de 50% dos terminais
que expressam BDA contêm a vesícula de transporte para glutamato (VGLUT2),
mas apenas 5% contêm glutamina ácido descarboxilase (GAD67). Em um outro
grupo de animais, uma semana após a injeção do traçador retrógrado cólera
toxina B (CTB) no NRT, os animais foram expostos a períodos de hipóxia por 3
horas. A presença da proteína Fos serviu para identificar os neurônios que eram
ativados pela hipóxia. Neurônios imunorreativos para Fos e CTB foram
encontrados na região do NTScom. A grande maioria dos neurônios que eram
imunorreativos para Fos e CTB, expressavam VGLUT2 mRNA, enquanto uma
minoria expressou GAD67 mRNA.
Na segunda parte do estudo foram utilizados animais anestesiados com
uretana e alfa-cloralose e vagotomizados. A injeção bilateral de muscimol no NRT
promoveu a eliminação do nervo frênico durante uma situação controle, durante a estimulação dos quimiorreceptores centrais (hipercapnia – 10% de CO2) e durante
a estimulação dos quimiorreceptores periféricos (injeção endovenosa de cianeto
de sódio ou hipóxia (10-15% de O2).
A atividade dos neurônios quimiossensíveis do NRT foram registrados em
animais intactos ou vagotomizados para possíveis comparações. Todos os
neurônios quimiossensíveis do NRT foram ativados pelos quimiorreceptores
periféricos. A ativação dos quimiorreceptores periféricos não promoveu a ativação
dos neurônios do NRT em animais com desnervação dos quimiorreceptores.
A injeção bilateral de muscimol na região do CVL promoveu a eliminação
do nervo frênico e a modulação respiratória nos neurônios do NRT. A injeção de
muscimol não alterou o limiar e a sensibilidade dos neurônios do NRT durante
uma situação de hipercapnia e também durante a ativação dos quimiorreceptores
periféricos.
Portanto, podemos concluir nesse estudo que os neurônios do NRT
respondem às variações de CO2 devido a presença de 2 mecanismos: sua
quimiossensibilidade intrínseca e por meio da ativação dos quimiorreptores
periféricos (via glutamatérgica direta do NTScom para o NRT).
Trabalho 4: Quimiorreceptores centrais e atividade simpática.
O próximo estudo procurou explorar como elevações na pCO2 pode
aumentar a atividade simpática. Foram registrados a atividade simpática eferente
do nervo esplâncnico, atividade do nervo frênico e atividade dos neurônios
vasomotores da região rostroventrolateral (RVL) do bulbo. Os experimentos foram
realizados em ratos Sprague-Dawley, anestesiados com halotana e
completamente desnervados. Hipercapnia (variação do CO2 expirado de 5 para
10%) promoveu aumento da atividade simpática (97 ± 6%) e da atividade dos
neurônios do RVL (67 ± 4%). A injeção bilateral de ácido quinurênico no RVL ou
no NRT eliminou ou reduziu a atividade do nervo frênico, respectivamente, mas
não alterou a atividade simpática eferente produzida pela hipercapnia. A injeção
bilateral de ácido quinurênico ou muscimol na região do CVL eliminou a atividade
do nervo frênico e promoveu um aumento do efeito estimulatório do CO2 na atividade simpática. A injeção de muscimol na região comissural do NTS não
alterou as respostas estimulatórias do CO2 sobre a atividade simpática e atividade
do nervo frênico. Como esperado, a injeção de ácido quinurênico no RVL ou a
injeção de muscimol no NTS comissural, em ratos intactos, bloqueou os efeitos
cardio-respiratórios da estimulação dos quimiorreceptores periféricos com a
injeção endovenosa de cianeto de sódio.
Em conclusão, a hipercapnia aumentou a atividade simpática por ativação
dos neurônios bulbo-espinais do RVL. Os neurônios excitatórios do RVL podem
ser sensíveis a variações de CO2 e/ou receber projeções excitatórias dos
quimiorreceptores centrais da região do NRT. Durante uma situação de
hipercapnia, o total de aumento da atividade simpática produzido pela ativação
dos quimiorreceptores centrais parece estar reduzido. Esse efeito é, portanto,
mediado pela ativação de neurônios barossensíveis da região do CVL ou, então,
pela inibição dos quimiorreceptores centrais do NRT. / FAPESP: 03/08163-4 / FAPESP: 98/06231-2 / Capes: 3495/04-3 / BV UNIFESP: Teses e dissertações
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.unifesp.br:11600/23416 |
| Date | January 2007 |
| Creators | Moreira, Thiago dos Santos [UNIFESP] |
| Contributors | Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP), Colombari, Eduardo [UNIFESP] |
| Publisher | Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP) |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 168 f. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UNIFESP, instname:Universidade Federal de São Paulo, instacron:UNIFESP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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