apps.einstein.brapps.einstein.br/revista/arquivos/correcaotraducao/6417... · web view2021. 4....
TRANSCRIPT
COLOCADO NO SISTEMA
AO-6417_REVISÃO DO ORIGINAL EM INGLÊS – SUZANA GONTIJO
PREPRINT FRAN
Characterization of electrocorticographic, electromyographic and
electrocardiographic recordings after the use of caffeine in Wistar rats
Caracterização dos registros eletrocorticográficos, eletromiográficos e
eletrocardiográficos após o uso de cafeína em ratos Wistar
Short title: Characterization of electrocorticographic, electromyographic and
electrocardiographic recordings after the use of caffeine in Wistar rats
Diego Arthur Castro Cabral1, Fernanda Myllena Sousa Campos1, Maria Clara
Pinheiro da Silva1, João Paulo do Vale Medeiros1, Paula dos Santos Batista1,
Giovanna Coutinho Jardim1, Jéssica Lígia Picanço Machado1, Leonardo Giovanni
Castro Cabral1, Vanessa Joia de Mello1, Moises Hamoy1
1 Universidade Federal do Pará, Belém, PA, Brazil.
DOI: 10.31744/einstein_journal/2021AO6417
How to cite this article:
Cabral DA, Campos FM, Silva MC, Medeiros JP, Batista PS, Jardim GC, et al.
Characterization of electrocorticographic, electromyographic and electrocardiographic
recordings after the use of caffeine in Wistar rats. einstein (São Paulo).
2021;19:eAO6417.
Corresponding author:
Diego Arthur Castro Cabral
Rua Augusto Corrêa, 1 - Guamá
Zip code: 66075-110 - Belém, PA, Brazil
Phone: (55 91) 3201-7102
E-mail: [email protected]
Received on:
Dec 29, 2020
Accepted on:
Mar 26, 2021
Conflict of interest:
none
ABSTRACT
Objective: To describe electrocorticographic, electromyographic and
electrocardiographic profiles to report the electrophysiological effects of caffeine in
Wistar rats. Methods: Male adult Wistar rats weighing 230 to 250 g were used. Rats
were allocated to one of two groups, as follows: Group 1: control, intraperitoneal
injection of 0.9% saline solution (n=27); Group 2: treated with intraperitoneal injection
of caffeine (50 mg/kg) (n=27), in which rats were submitted to electrocorticographic,
electromyographic and electrocardiographic assessment. Results: Brain oscillations
(delta, theta, alpha, beta and gamma) in the frequency range up to 40 Hz varied after
caffeine administration to rats. Powers in delta and theta oscillations ranges were
preponderant. The contractile force of the skeletal striated and cardiac muscles
increased. Electrocardiogram analysis revealed shorter RR, QRS and QT intervals
under the effect of caffeine. Conclusion: In the central nervous system, there was an
increase in the delta, theta and alpha amplitude spectrum, which are related to
memory encoding and enhanced learning. With regard to skeletal muscle, increased
contraction of the gastrocnemius muscle was demonstrated, a clear indication of how
caffeine can be used to enhance performance of some physical activities.
Electrocardiographic changes observed after caffeine administration are primarily
related to increased heart rate and energy consumption.
Keywords: Caffeine; Electrocorticography; Electromyography; Electrocardiography;
Central nervous system; Rats, Wistar
RESUMO
Objetivo: Descrever os perfis eletrocorticográfico, eletromiográfico e
eletrocardiográfico para relatar os efeitos eletrofisiológicos da cafeína em ratos
Wistar. Métodos: Foram utilizados ratos Wistar, machos, adultos, pesando de 230 a
250 g. Os animais foram divididos nos seguintes grupos: Grupo 1: controle com
solução fisiológica 0,9% por via intraperitoneal (n=27); e Grupo 2: tratado com
cafeína (50 mg/kg intraperitoneal) (n=27), onde foram realizadas avaliações por
eletrocorticograma, eletromiograma e eletrocardiograma. Resultados: Houve
variações nas oscilações cerebrais (delta, teta, alfa, beta e gama) na faixa de
frequência de até 40 Hz após a aplicação de cafeína em ratos. Observou-se que as
potências nas faixas das oscilações delta e teta foram preponderantes. Há um
aumento da força de contração nos músculos estriado esquelético e cardíaco. A
avaliação do eletrocardiograma demonstrou que a duração dos intervalos RR, QRS
e QT são menores na presença da cafeína. Conclusão: No sistema nervoso central,
houve aumento do espectro de amplitude delta, teta e alfa, que auxiliam na
codificação das memórias e estão relacionados à melhora do aprendizado. Em
relação à musculatura esquelética, demonstrou-se aumento da contração do
músculo gastrocnêmio, uma clara indicação de como a cafeína pode ser usada para
aumentar o desempenho em algumas atividades físicas. As alterações
eletrocardiográficas observadas após a administração de cafeína estão relacionadas
principalmente ao aumento da frequência cardíaca e do consumo de energia.
Descritores: Cafeína; Eletrocorticografia; Eletromiografia; Eletrocardiografia;
Sistema nervoso central; Ratos Wistar
INTRODUCTION
Caffeine is a central nervous system (CNS) stimulant of the methylxanthine class,
and the most widely used psychoactive drug worldwide. Motivations behind caffeine
use are increased concentration, cognition and physical performance.(1) Caffeine can
be used to treat idiopathic apnea of prematurity(2) and acute respiratory depression,(3)
and for pain management.(4) Epidemiological data suggest that habitual coffee
consumption is protective against Parkinson's and Alzheimer's diseases and
promotes weight loss.(4,5)
Caffeine acts primarily as a non-selective adenosine receptor antagonist.
Caffeine increases motor activity and has arousal and reinforcing effects.(6)
Paraxanthine is the main metabolite of caffeine in humans and is associated with a
significant release of dopamine in areas of the striatum.(7)
The stimulating effect of caffeine has been widely described in literature,
primarily in behavioral and biochemical studies.(1,6,8) However, quantitative studies
describing the impact of electrophysiological changes on various systems following
caffeine administration are scarce. Given the wide use of caffeine at a global level
and its effects on living organisms, this study set out to examine
electrocorticographic, electromyographic and electrocardiographic profiles in Wistar
rats, to describe the electrophysiological effects of caffeine.
OBJECTIVE
To describe the electrophysiological changes induced by caffeine in male Wistar rats,
based on electrocorticographic, electromyographic and electrocardiographic
recordings.
METHODS
Animals
The animals were obtained from the Central Animal Facility of Universidade Federal
do Pará (UFPA), and individually housed in the Experimentation Vivarium of the
Laboratory of Pharmacology and Toxicology of Natural Products, from April 2019 to
November 2020. Animals had access to water and food ad libitum, and were kept in
a temperature–controlled environment (25 – 28 ºC), under a 12/12h light-dark cycle.
Experimental procedures were conducted in compliance with the principles of
laboratory animal care and approved by the Ethics Committee on Experiments in
Animals (CEUA No. 2675110219).
A total of 54 adult male Wistar rats, weighing 230 to 250 g, were used. Rats
were allocated to one of two groups, as follows: Group 1: control (n=27), treated with
equivalent volume of 0.9% saline solution in an intraperitoneal (IP) injection; Group 2:
caffeine-treated (50 mg/kg IP) (n=27), as per Marriott, 1968. Rats were submitted to
electrocorticographic (ECoG), electromyographic (EMG) and electrocardiographic
(ECG) assessment. Surgically implanted electrodes were used to record ECoG, ECG
and EMG signals. Data were collected in separate groups, within five days of
surgery. Measurements were made on the same day, using a block design, as
follows: electrocorticographic data were collected first, then electrocardiographic, and
finally electromyographic data. Rats were not anesthetized prior to recordings. Rats
were placed in acrylic boxes measuring 60 x 50 x 20 cm (length, width and height,
respectively).
Chemicals
The following chemicals were used: ketamine hydrochloride (Laboratório Köing,
Santana de Parnaíba, SP, Brazil); xylazine hydrochloride (Laboratório Vallée, Montes
Claros, MG, Brazil); lidocaine (Laboratório Hipolabor, Sabará, MG, Brazil) and
caffeine powder (Sigma), in the form of crystals diluted and 0.9% saline solution.
Electrode implantation surgery
Surgical procedures were performed under general anesthesia obtained with 5 mg/kg
of xylazine and 50 mg/kg of ketamine. The site of electrode implantation was
anesthetized with lidocaine. Anesthetized rats were placed in a stereotactic device.
After proper positioning, the implantation site was clipped, and an incision made
through the skin, subcutaneous tissue and muscle planes to access the skull. Two
small craniotomies were then created, -0.96 and 1 mm lateral to the midline bony
landmark (bregma), to access each cerebral hemisphere containing the motor cortex,
where electrodes were implanted into the brain surface.(9) A screw was inserted at the
craniotomy site for electrode attachment using dental acrylic resin.
Electrocorticogram
Animal preparation and electrode implantation procedures for ECoG acquisition were
based on previous publications.(10) Electrodes were placed -0.96 and 1 mm lateral to
the stereotaxic coordinate taken from bregma, in each hemisphere comprising the
motor cortex.(9) Recording and reference electrodes were located on the right and left
hemisphere, respectively. On postoperative day five, electrodes were connected to a
data acquisition system consisting of a high impedance amplifier (Grass
Technologies, P511), monitored using an oscilloscope (Protek, 6510).(11) Caffeine
was injected IP, 15 minutes prior to ECoG recordings. Electrocorticographic data
were continuously digitized at a rate of 1 kHz, using a computer equipped with data
acquisition board (National Instruments, Austin, TX). Data were stored on a hard disk
and processed using dedicated software (LabVIEWexpress). The entire experiment
was carried out in a Faraday cage.
Electromyogram
Following ECoG data acquisition, conjugate electrodes were implanted 0.5 cm above
the insertion of the gastrocnemius muscle, as described in previous studies.
Intraperitoneal caffeine administration was performed 15 minutes prior to
electromyographic recordings. Animals were kept in an acrylic box throughout the 10-
minute recording procedure. Recordings were made with electrodes connected to a
Grass P511 amplifier, monitored using an oscilloscope.(12)
Electrocardiogram
Electrode insertion was guided by the vector plotted from lead D2. The reference
electrode was placed in the region of the fourth intercostal muscle near the right axilla
and the recording electrode in the 11th intercostal space, 1.5 cm to the left of the mid-
sagittal line.(13) Following IP administration of 50 mg/kg of caffeine and a 15-minute
latency period, ECG data were recorded for 10 minutes per animal. The following
variables were analyzed: amplitude (mV), heart rate (bpm), RR interval, PQ interval,
QT interval and QRS duration.
Electrophysiological data analysis
Amplitude graphs show potential differences between reference and recording
electrodes at a sampling rate of 1,000 samples per second. Spectrograms were
calculated using a Hamming window with 256 points (256/1000s); each frame was
generated with an overlap of 128 points per window. For each frame, the spectral power
distribution (SPD) was calculated using the Welch average periodogram method. A
frequency histogram was generated from the first signal SPD calculation using a
Hamming window with 256 points and no SPD overlap; this resulted in a histogram
constructed with 1 Hz boxes. Signals recorded up to 50 Hz were analyzed. Frequency
ranges were analyzed as follows: delta (1 – 4 Hz), theta (4 – 8 Hz), alpha (8 – 12 Hz),
beta (12 – 28 Hz) and gamma (28 – 40 Hz).(14)
Statistical analysis
Data normality and homogeneity of variance were verified using the Kolmogorov-
Smirnov and Levene’s test respectively. Data were expressed as means and
standard deviations; F and p values were provided when applicable. The level of
significance was set at p<0.05. Groups were compared using two-way ANOVA
followed by the Tukey’s test for multiple comparisons. The Student´s t-test was used
to compare ECoG, EMG and ECG data (power recorded in different frequency
bands) between the control and the caffeine-treated group. ANOVA was used
exclusively to analyze the preponderance of frequency spectra within groups.
Statistical analyses for outlier detection and removal were conducted using
GraphPad Prism, version 8 (Graph-Pad Software Inc., San Diego, CA, USA).(11)
RESULTS
Caffeine alters the power spectrum of brain waves
Significant changes in ECoG tracings were observed following caffeine administration
relative to baseline (Table 1). Control Group recordings (Figure 1A) revealed greater
amplitude and power intensity in the spectrogram at frequencies lower than 10 Hz.
Caffeine-treated Group ECoG tracings (Figure 1B) shows greater power distribution
above 10 Hz.
Brain wave distribution is shown in tracings recorded at baseline and under
the effect of caffeine (Figure 1C). An increase in the power of low frequency waves
was seen, especially those up to 40 Hz (p<0.001). Overall, the greatest amplitude of
the signal power spectrum fell in the 1 to 8 Hz range (i.e., delta and theta wave
ranges (p <0.001).
Table 1. Numerical values obtained from electrocorticographic records performed during the experiments
Group Delta (1 – 4 Hz) Theta (4 – 8 Hz) Alpha (8 – 12 Hz) Beta (12 – 28 Hz) Gamma (28 – 30 Hz)
Control / mV2/Hz X 10-3 0.003883
±0.0009877
0.01440±0.00248
6
0.01176±
0.001643
0.007670±0.0014
97
0.003218±0.002155
Caffeine-treated /
mV2/Hz X 10-3
0.1227 ±0.001844** 0.03031
±0.006018**
0.02189±0.00348* 0.01979±0.00374* 0.01173±0.001083*
* means p<0.05 and ** <0.01 relative to the Control Group. All delta, theta, alpha, beta and gamma wave values obtained in the Control and the Caffeine-treated
Groups are shown.
ECoG: electrocorticogram.
Figure 1. Electrocorticographic recordings in the Control Group showing greater amplitude
and power intensity at frequencies lower than 10 Hz (A) and electrocorticographic tracings
following IP administration of 50 mg/kg of caffeine (B) at a frequency distribution larger
than 10 Hz; (C) spectral power distribution (SPD) after IP administration of caffeine (50
mg/kg) or 0.9% saline (control), and respective brain oscillations. Data were analyzed by
comparison of means using the t test followed by the Mann Whitney test; the level of
significance was set at p<0.001 (n=9)
The power spectrum of the Control Group revealed the following
relationship: theta > alpha > beta > delta = gamma (p<0.05) (Figure 2A). In the
Caffeine-treated Group, the prevailing oscillation profile was theta > alpha = beta >
delta = gamma (p<0.05) (Figure 2B).
Figure 2. Mean power amplitude of delta, theta, alpha, beta and gamma brain
oscillations in the Control and Caffeine-treated (50 mg/kg) Groups. (A) and (B)
indicate the prevailing power in brain oscillations in control and treated rats
respectively. (C) Comparison between oscillations detected in each group (n=9) (#
Student t test indicates statistically significant results whenever p<0.0001)
Mean delta oscillation differed significantly prior to and after caffeine
administration (0.003883±0.0009877 mV2 / Hz x 10-3 and 0.01227±0.001844 mV2 /
Hz x 10-3, respectively; p<0.0001), with higher values detected in Caffeine-treated
Group. Mean oscillations in the theta (0.01440±0.002569 mV2 / Hz x 10-3) and alpha
(0.01176±0.001643 mV2 / Hz x 10-3) ranges in the Control Group differed
significantly (p<0.001) from those recorded in the Caffeine-treated Group (theta,
0.03031±0.006081 mV2 / Hz x 10-3; alpha, 0.02189±0.003489 mV2 / Hz x 10-3).
Mean oscillations in the beta range differed significantly between the Control and
the Caffeine-treated group (0.007670±0.001497 mV2 / Hz x 10-3 and
0.01979±0.003748 mV2 / Hz x 10-3respectively; p<0.001). Mean oscillation in the
gamma range corresponded to 0.003218±0.002155 mV2 / Hz x 10-3 and
0.01173±0.001083 mV2 / Hz x 10-3 in the Control Group and the Caffeine-treated
Group, respectively (p<0.001).
Caffeine increases the amplitude of striated muscle contraction
Electromyographic (EMG) recordings in Figure 3A and Table 2 show muscle
contraction patterns at low amplitude (up to 1 mV), with an energy distribution
spectrogram up to 50 Hz. Within 15 minutes of IP administration of 50 mg/kg of
caffeine, contractions became more frequent, with amplitude larger than 2 mV and
higher energy concentration (Figure 3B).
Amplitude differences between recordings up to 50 Hz shown in Figure 3
indicate significant differences between the Control and the Caffeine-treated Group
(mean power 6.676±2.702mV2 / Hz x 10-3 and 28.22±6.736mV2 / Hz x 10-3
respectively; p<0.001) (Figure 3C). Analysis of the strongest contractions recorded
in the Control and the Caffeine-treated Group also revealed significant differences
(12.94±4.470mV2 / Hz x 10-3 and 78.56±26.46mV2 / Hz x 10-3; p<0.001) (Figure 3D).
Figure 3. Gastrocnemius muscle contraction recorded in control (A) and caffeine-
treated rats (B). Recording time, 300 s. The power observed in the full record at
frequencies up to 50 Hz demonstrate the power of muscle contractions in control
and caffeine-treated rats (C). Power of the strongest contractions recorded in the
Control and the caffeine-treated group during a fixed time of contraction of 5
seconds (D), (# Student´s t test indicates statistically significant results whenever p
<0.0001) (n=9). ATENÇÃO: CORRIGIR NA FIGURA: Time (seconds)
Table 2. Numerical representation of the values obtained during the
electromyographic study
Group Control / mV2/Hz X
10-3
Caffeine / mV2/Hz X
10-3
Full EMG record 6.675±2.702 28.22±6.736
Strongest contraction recorded
(EMG)
12.94±4.470* 78.56±26.46**
* means p<0.05 and ** <0.01 relative to the Control Group.
All values recorded in the Caffeine-treated and Control Groups are shown. Values recorded throughout EMG study and
values recorded during maximal gastrocnemius muscle contraction are also reported.
Caffeine affected electrocardiographic parameters
Electrocardiographic changes observed after caffeine administration were primarily
related heart rate (bpm) increase, as shown in Figures 4A, B, C and D. Caffeine
administration led to a significant increase in heart rate (249.2±21.26 and
303.7±7.194 BPM, Control and Caffeine-treated group, respectively; p=0.0004)
(Figure 4E and Table 3).
ECG: electrocardiogram.
Figure 4. Control Group electrocardiogram in derivation D-II (A); prolongation of the
40 to 50 second interval in the Control Group (B); Caffeine-treated group
electrocardiogram in derivation D-II (C); prolongation of the 40 to 50 second interval
in the electrocardiogram in rats treated with caffeine (D); characteristics of the
electrocardiogram of rats in sinus rhythm in lead D-II, showing intervals analyzed at
one-second magnification (E), representative electrocardiogram of the Caffeine-
treated Group showing cardiac deflagration characteristics, one-second
magnification (F).
Table 3. Numerical presentation of the values obtained during the execution of the electrocardiographic study
Parameter
Heart rate
(bpm)
Amplitude
(mV) RR Intervals (S) QRS duration (S) QT intervals (S) PQ intervals
Control 249.2±21.26 0.4746±0.04072 0.3453±0.01276 0.01011±0.001364 0.570±0.004062 0.07056±0.003779
Caffeine-
treated 303.7±7.194 ***
0.5250±0.01949
**
0.2400±0.03651
***
0.0082±0.0007953
**
0.03153±0.004996
***
0.08306±0.007435
***
** p<0.01 relative to the Control Group and *** p<0.001 relative to the Control Group.
Parameters extracted from electrocardiographic records in the Control and Caffeine-treated Group (Student´s t and Mann Whitney tests).
The mean amplitude also increased significantly after caffeine administration
(0.4746±0.04072 mV and 0.5250±0.01949 mV, Control and Caffeine-treated group
respectively; p=0.0061). The increase in heart rate (bpm) revealed shortening of the
RR interval in the ECG (Figures 4 E and F); means differed significantly between the
Control and the Caffeine-treated Groups (0.3453±0.01276 seconds and
0.2400±0.03651 seconds, respectively; p=0.0004). The mean duration of the QRS
complex was also characterized by a decrease in execution time and differed
significantly between the Control and the Caffeine-treated groups (0.01011±0.001364
seconds and 0.0082±0.0007953 seconds, respectively; p=0.0062). The cardiac cycle
represented by the QT interval, which involves the period of ventricular depolarization
and repolarization, also differed significantly (0.0570±0.004062 seconds and
0.03153±0.004996 seconds, Control and caffeine-treated group respectively;
p=0.0004). As to the PQ interval, mean was 0.07056±0.003779 seconds in the
Control Group and 0.08306±0.007435 seconds the Treated Group (Table 3).
DISCUSSION
In this study, ECoG, EMG and ECG recordings were used to describe
electrophysiological changes in rats following caffeine administration. The average
power was 50% higher in the amplitude of the delta brain oscillations in the group
treated with caffeine relative to the control group. Delta waves are thought to help
encode memories and enhance learning.(15) Positive acute effects on attention (span?)
have also been demonstrated in most studies investigating the effects of caffeine on
cognition.(16) This finding may also be related to the delta stage, since delta activity
“modulates” mental performance via inhibition of stimuli unrelated to the task at hand,
thereby increasing the individual level of attention during execution of tasks that
demand careful internal brain processing.(17)
The theta rhythm is implicated in several activities, such as establishment of
word pattern for speech recognition and microsaccadic eye movement
synchronization, which are often observed in the context of attentive and exploratory
behavior and in implicit learning, a largely unconscious non-hippocampus-dependent
learning category.(12-20)
Alpha waves are related to cognitive processing and self-regulation and are
increased in situations associated with attention gains.(21,22) Beta oscillations are a
strong predictor of perceptual and motor performance.(23) These oscillations are
associated with states of alertness, focus and active thinking. (24) In the upper cortex,
gamma waves are enhanced during working memory and learning. Such oscillation
plays a role in neural communication, reflecting the transfer of information from the
external world to the brain.(25)
Increased amplitude of all brain waves in this study (Figure 1C) suggests
caffeine or any of its metabolites may have direct or indirect impacts on pathways
involved in the generation of such rhythms, which may enhance cognitive functions
associated with brain oscillations. This finding supports the fact that caffeine acts as
a CNS stimulant.(6)
In this study, intraperitoneal administration of caffeine increased the frequency
of gastrocnemius muscle contraction, with higher amplitude (2 mV) and energy
concentration (Figure 3B) relative to the Control Group (1 mV amplitude) (Figure 3A).
Mismatches in muscle contraction force between the Control and the Caffeine-treated
Group are shown in Figure 3. Statistical differences (p<0.05) between the two
portions analyzed can be seen, particularly in the graph depicting the strongest
muscle contractions. Hence, caffeine affects skeletal muscle function, leading to an
increase in mechanical performance by enhancing the ability of muscles to produce
strength, work and energy.(26) Therefore, improvements in motor skills can be
attributed to caffeine, as advocated by other researchers.(27)
Caffeine increases myocardial activity, reducing the time of contraction and
increasing the heart rate. It also has positive inotropic effects, given it increases
contractile force.(28) In this study, an increase in heart rate (bpm) (Figure 4C) and
cardiac contraction force (Figure 4D) was observed in rats treated with caffeine.
Combined, these effects translate into greater caloric expenditure, which indicates
caffeine is in fact a thermogenic agent which enhances ergogenic effects.(29) It has
also been widely reported that moderate caffeine consumption (400 – 600 mg/d) is
not associated with increased risk cardiovascular disease development. On the
contrary, it seems to have a protective effect on the cardiovascular system. However,
individuals predisposed to or suffering from cardiovascular diseases appear to be
more sensitive to the effects of caffeine.(30)
CONCLUSION
This study demonstrated the major electrophysiological changes observed in the
central nervous system, myocardium and skeletal muscle after intraperitoneal
injection of caffeine. Electrophysiological changes described in this study support
acute positive effects on individual levels of attention, as observed following
consumption of caffeinated drinks in order to maintain alertness. At the level of the
central nervous system, there was an increase in delta, theta and alpha amplitude
spectra, which are associated with memory encoding and enhanced learning. With
regard to effects on skeletal muscles, increased contraction of the gastrocnemius
muscle was demonstrated, a clear indication of how caffeine can be used to enhance
performance in some physical activities. Electrocardiographic changes observed after
caffeine administration are primarily related to increased heart rate and higher energy
expenditure. Descriptions of quantitative changes in measurements in this
electrophysiological spectrum are of interest to further studies aimed at determining
the optimal daily caffeine dose and further describing positive, negative and toxic
effects associated with the use of this stimulant.
AUTHORS’ INFORMATION
Cabral DA: http://orcid.org/0000-0002-7582-7251
Campos FM: http://orcid.org/0000-0003-1903-0958
Silva MC: http://orcid.org/0000-0001-7697-7406
Medeiros JP: http://orcid.org/0000-0002-5110-2379
Batista PS: http://orcid.org/0000-0002-5918-2078
Jardim GC: http://orcid.org/0000-0002-0171-8300
Machado JL: http://orcid.org/0000-0003-0870-1090
Cabral LG: http://orcid.org/0000-0002-8814-9488
Mello VJ: http://orcid.org/0000-0003-0359-9760
Hamoy M: http://orcid.org/0000-0002-2931-4324
REFERENCES
1. Cappelletti S, Piacentino D, Sani G, Aromatario M. Caffeine: cognitive and physical
performance enhancer or psychoactive drug? Curr Neuropharmacol. 2015;13(1):71-88.
Review. Erratum in: Curr Neuropharmacol. 2015;13(4):554.
2. Abdel-Hady H, Nasef N, Shabaan AE, Nour I. Caffeine therapy in preterm infants.
World J Clin Pediatr. 2015;4(4):81-93. Review.
3. Daly JW. Caffeine analogs: biomedical impact. Cell Mol Life Sci. 2007;64(16):2153-
69. Review.
4. Munoz DG, Fujioka S. Caffeine and Parkinson disease: a possible diagnostic and
pathogenic breakthrough. Neurology. 2018;90(5):205-6.
5. Tabrizi R, Saneei P, Lankarani KB, Akbari M, Kolahdooz F, Esmaillzadeh A, et al.
The effects of caffeine intake on weight loss: a systematic review and dose-response meta-
analysis of randomized controlled trials. Crit Rev Food Sci Nutr. 2019;59(16):2688-96.
Review.
6. Ferré S. Mechanisms of the psychostimulant effects of caffeine: implications for
substance use disorders. Psychopharmacology (Berl). 2016;233(10):1963-79. Review.
7. Ferré S, Orrú M, Guitart X. Paraxanthine: connecting caffeine to nitric oxide
neurotransmission. J Caffeine Res. 2013;3(2):72-8.
8. Alasmari F. Caffeine induces neurobehavioral effects through modulating
neurotransmitters. Saudi Pharm J. 2020;28(4):445-51. Review.
9. Paxinos G, Franklin KB. Paxinos and Franklin's the mouse brain in stereotaxic
coordinates. 5th ed. Academic Press; 2019.
10. Hamoy M, Dos Santos Batista L, de Mello VJ, Gomes-Leal W, Farias RA, Dos
Santos Batista P, et al. Cunaniol-elicited seizures: behavior characterization and
electroencephalographic analyses. Toxicol Appl Pharmacol. 2018;360:193-200.
11. Estumano DP, Ferreira LO, Bezerra PA, da Silva MC, Jardim GC, Santos GF,et al.
Alteration of testosterone levels changes brain wave activity patterns and induces
aggressive behavior in rats. Front Endocrinol (Lausanne). 2019;10:654.
12. Santos GF, Ferreira LO, Gerrits Mattos B, Fidelis EJ, de Souza AS, Batista PS, et al.
Electrocorticographic description of the effects of anticonvulsant drugs used to treat
lidocaine‐induced seizures. Brain Behav. 2021;11(2):e01940.
13. Farraj AK, Hazari MS, Cascio WE. The utility of the small rodent electrocardiogram in
toxicology. Toxicol Sci. 2011;121(1):11-30. Review. Erratum in: Toxicol Sci.
2012;126(1):289.
14. Souza-Monteiro JR, Arrifano GP, Queiroz AI, Mello BS, Custódio CS, Macêdo DS, et
al. Antidepressant and antiaging effects of Açaí (Euterpe oleracea Mart.) in Mice. Oxid Med
Cell Longev. 2019;2019:3614960.
15. Jansen JM, Lopes AJ, Jansen U, Capone D, Maeda TY, Noronha A, organizadores,
et al. Medicina da noite: da cronobiologia à prática clínica. Rio de Janeiro: Editora
FIOCRUZ; 2007. p.103-20. Capítulo 7.
16. Szczepanik JC, de Oliveira PA, de Oliveira J, Mack JM, Engel DF, Rial D, et al.
Caffeine mitigates the locomotor hyperactivity in middle‐aged low‐density lipoprotein
receptor (LDLr)‐knockout mice. CNS Neurosci Ther. 2016;22(5):420-2.
17. Harmony T, Fernández T, Silva J, Bernal J, Díaz-Comas L, Reyes A, et al. EEG delta
activity: an indicator of attention to internal processing during performance of mental tasks.
Int J Psychophysiol. 1996;24(1-2):161-71.
18. Hyafil A, Fontolan L, Kabdebon C, Gutkin B, Giraud AL. Speech encoding by coupled
cortical theta and gamma oscillations. Elife. 2015;4:e06213.
19. Kienitz R, Schmiedt JT, Shapcott KA, Kouroupaki K, Saunders RC, Schmid MC.
Theta rhythmic neuronal activity and reaction times arising from cortical receptive field
interactions during distributed attention. Curr Biol. 2018;28(15):2377-87.e5.
20. Loonis RF, Brincat SL, Antzoulatos EG, Miller EK. A meta-analysis suggests different
neural correlates for implicit and explicit learning. Neuron. 2017;96(2):521-34.e7. Review.
21. Bazanova O. Comments for current interpretation EEG alpha activity: a review and
analysis. J Behav Brain Sci. 2012;2(2):239-48.
22. Kim SC, Lee MH, Jang C, Kwon JW, Park JW. The effect of alpha rhythm sleep on
EEG activity and individuals’ attention. J Phys Ther Sci. 2013;25(12):1515-8.
23. Sherman MA, Lee S, Law R, Haegens S, Thorn CA, Hämäläinen MS, et al. Neural
mechanisms of transient neocortical beta rhythms: converging evidence from humans,
computational modeling, monkeys, and mice. Proc Natl Acad Sci U S A.
2016;113(33):E4885-94.
24. Kim JH, Chung EJ, Lee BH. A study of analysis of the brain wave with respected to
action observation and motor imagery: a pilot randomized controlled trial. J Phys Ther Sci.
2013;25(7):779-82.
25. Jia X, Kohn A. Gamma rhythms in the brain. PLoS Biol. 2011;9(4):e1001045.
26. Tallis J, Duncan MJ, James RS. What can isolated skeletal muscle experiments tell
us about the effects of caffeine on exercise performance? Br J Pharmacol.
2015;172(15):3703-13. Review.
27. Sousa AM, Suzuki FA. Effect of caffeine on cervical vestibular-evoked myogenic
potential in healthy individuals. Braz J Otorhinolaryngol. 2014;80(3):226-30.
28. Chaban R, Kornberger A, Branski N, Buschmann K, Stumpf N, Beiras-Fernandez A,
et al. In-vitro examination of the positive inotropic effect of caffeine and taurine, the two
most frequent active ingredients of energy drinks. BMC Cardiovasc Disord. 2017;17(1):220.
Erratum in: BMC Cardiovasc Disord. 2019;19(1):33.
29. Murayama T, Ogawa H, Kurebayashi N, Ohno S, Horie M, Sakurai T. A tryptophan
residue in the caffeine-binding site of the ryanodine receptor regulates Ca2+ sensitivity.
Commun Biol. 2018;1:98.
30. Turnbull D, Rodricks JV, Mariano GF, Chowdhury F. Caffeine and cardiovascular
health. Regul Toxicol Pharmacol. 2017;89:165-85. Review.
AO-6417_TRADUÇÃO PARA PORTUGUÊS – SUZANA GONTIJO
PREPRINT FRAN
Caracterização dos registros eletrocorticográficos, eletromiográficos e
eletrocardiográficos após o uso de cafeína em ratos Wistar
Characterization of electrocorticographic, electromyographic and
electrocardiographic recordings after the use of caffeine in Wistar rats
Título curto: Caracterização dos registros eletrocorticográficos, eletromiográficos e
eletrocardiográficos após o uso de cafeína em ratos Wistar
Diego Arthur Castro Cabral1, Fernanda Myllena Sousa Campos1, Maria Clara
Pinheiro da Silva1, João Paulo do Vale Medeiros1, Paula dos Santos Batista1,
Giovanna Coutinho Jardim1, Jéssica Lígia Picanço Machado1, Leonardo Giovanni
Castro Cabral1, Vanessa Joia de Mello1, Moises Hamoy1
1 Universidade Federal do Pará, Belém, PA, Brasil.
DOI: 10.31744/einstein_journal/2021AO6417
Como citar este artigo:
Cabral DA, Campos FM, Silva MC, Medeiros JP, Batista PS, Jardim GC, et al.
Characterization of electrocorticographic, electromyographic and electrocardiographic
recordings after the use of caffeine in Wistar rats. einstein (São Paulo).
2021;19:eAO6417.
Autor correspondente:
Diego Arthur Castro Cabral
Rua Augusto Corrêa, 1 - Guamá
CEP: 66075-110 - Belém, PA, Brasil
Tel.: (55 91) 3201-7102
E-mail: [email protected]
Data de submissão:
29/12/2020
Data de aceite:
26/03/2021
Conflito de interesse:
Não há
ABSTRACT
Objective: To describe electrocorticographic, electromyographic and
electrocardiographic profiles to report the electrophysiological effects of caffeine in
Wistar rats. Methods: Male adult Wistar rats weighing 230 to 250 g were used. Rats
were allocated to one of two groups, as follows: Group 1: control, intraperitoneal
injection of 0.9% saline solution (n=27); Group 2: treated with intraperitoneal injection
of caffeine (50 mg/kg) (n=27), in which rats were submitted to electrocorticographic,
electromyographic and electrocardiographic assessment. Results: Brain oscillations
(delta, theta, alpha, beta and gamma) in the frequency range up to 40 Hz varied after
caffeine administration to rats. Powers in delta and theta oscillations ranges were
preponderant. The contractile force of the skeletal striated and cardiac muscles
increased. Electrocardiogram analysis revealed shorter RR, QRS and QT intervals
under the effect of caffeine. Conclusion: In the central nervous system, there was an
increase in the delta, theta and alpha amplitude spectrum, which are related to
memory encoding and enhanced learning. With regard to skeletal muscle, increased
contraction of the gastrocnemius muscle was demonstrated, a clear indication of how
caffeine can be used to enhance performance of some physical activities.
Electrocardiographic changes observed after caffeine administration are primarily
related to increased heart rate and energy consumption.
Keywords: Caffeine; Electrocorticography; Electromyography; Electrocardiography;
Central nervous system; Rats, Wistar
RESUMO
Objetivo: Descrever os perfis eletrocorticográfico, eletromiográfico e
eletrocardiográfico para relatar os efeitos eletrofisiológicos da cafeína em ratos
Wistar. Métodos: Foram utilizados ratos Wistar, machos, adultos, pesando de 230 a
250 g. Os animais foram divididos nos seguintes grupos: Grupo 1: controle com
solução fisiológica 0,9% por via intraperitoneal (n=27); e Grupo 2: tratado com
cafeína (50 mg/kg intraperitoneal) (n=27), onde foram realizadas avaliações por
eletrocorticograma, eletromiograma e eletrocardiograma. Resultados: Houve
variações nas oscilações cerebrais (delta, teta, alfa, beta e gama) na faixa de
frequência de até 40 Hz após a aplicação de cafeína em ratos. Observou-se que as
potências nas faixas das oscilações delta e teta foram preponderantes. Há um
aumento da força de contração nos músculos estriado esquelético e cardíaco. A
avaliação do eletrocardiograma demonstrou que a duração dos intervalos RR, QRS
e QT são menores na presença da cafeína. Conclusão: No sistema nervoso central,
houve aumento do espectro de amplitude delta, teta e alfa, que auxiliam na
codificação das memórias e estão relacionados à melhora do aprendizado. Em
relação à musculatura esquelética, demonstrou-se aumento da contração do
músculo gastrocnêmio, uma clara indicação de como a cafeína pode ser usada para
aumentar o desempenho em algumas atividades físicas. As alterações
eletrocardiográficas observadas após a administração de cafeína estão relacionadas
principalmente ao aumento da frequência cardíaca e do consumo de energia.
Descritores: Cafeína; Eletrocorticografia; Eletromiografia; Eletrocardiografia;
Sistema nervoso central; Ratos Wistar
INTRODUÇÃO
A cafeína é um estimulante do sistema nervoso central (SNC) da classe das
metilxantinas, e a droga psicoativa mais usada no mundo. O uso da cafeína é
motivado pelo aumento da concentração, da cognição e do desempenho físico.(1) A
droga também pode ser usada para tratamento da apneia idiopática da
prematuridade(2) e da depressão respiratória aguda,(3) e para controle da dor.(4)
Dados epidemiológicos sugerem que o consumo habitual de café tem efeito protetor
contra as doenças de Parkinson e Alzheimer, além de favorecer a perda de peso.(4,5)
A cafeína é um antagonista não seletivo dos receptores de adenosina, que
estimula a atividade motora e tem efeitos excitatórios e de reforço.(6) A paraxantina é
o principal metabólito da cafeína em seres humanos e promove liberação
significativa de dopamina em áreas do estriado.(7)
O efeito estimulante da cafeína encontra-se amplamente descrito na literatura,
sobretudo em estudos comportamentais e bioquímicos.(1,6,8) Entretanto, estudos
quantitativos descrevendo o impacto de alterações eletrofisiológicas nos diferentes
sistemas após a administração do estimulante são escassos. Em vista do amplo uso
da cafeína em escala global, e seus efeitos nos organismos vivos, este estudo teve
por objetivo analisar os perfis eletrocorticográfico, eletromiográfico e
eletrocardiográfico de ratos Wistar, para descrever os efeitos eletrofisiológicos da
cafeína.
OBJETIVO
Descrever as alterações eletrofisiológicas induzidas pela cafeína em ratos Wistar
machos, com base em registros eletrocorticográficos, eletromiográficos e
eletrocardiográficos.
MÉTODOS
Animais
Os animais foram obtidos no Biotério Central da Universidade Federal do Pará
(UFPA) e alojados individualmente no Biotério Experimental do Laboratório de
Farmacologia e Toxicologia de Produtos Naturais, de abril de 2019 a novembro de
2020. Os animais tinham acesso livre à água e alimento, e foram mantidos em
ambiente com temperatura controlada (25 – 28 ºC) e submetidos a um ciclo claro-
escuro de 12/12h. Todos os procedimentos experimentais foram conduzidos em
conformidade com os princípios de cuidados de animais de laboratório e aprovados
pelo Comitê de Ética em Experimentação Animal (CEUA nº. 2675110219).
Foram usados 54 ratos Wistar adultos machos, pesando entre 230 e 250 g.
Os animais foram alocados para um dos seguintes grupos: Grupo 1: controle (n=27),
tratado com volume equivalente de solução fisiológica (salina a 0.9%, injeção
intraperitoneal - IP); Grupo 2: tratado (n=27), tratado com cafeína (50 mg/kg IP),
conforme descrito por Marriott, 1968. Os ratos foram submetidos à eletrocorticografia
(ECoG), à eletromiografia (EMG) e à eletrocardiografia (ECG). Eletrodos
implantados cirurgicamente foram utilizados para registro de sinal nos
procedimentos de ECoG, MG e ECG. A coleta dos dados foi realizada em grupos
separados, no 5o dia após a cirurgia. As mensurações foram realizadas no mesmo
dia, empregando-se o seguinte delineamento em blocos: os dados
eletrocorticográficos foram coletados primeiro, seguindo-se dos dados
eletrocardiográficos e, por último, dados eletromiográficos. Os dados foram
coletados sem uso de anestesia. Os animais foram acomodados em caixas acrílicas
medindo 60 x 50 x 20 cm (comprimento, largura e altura, respectivamente).
Substâncias químicas
As seguintes substâncias químicas foram utilizadas: cloridrato de cetamina
(Laboratório Köing, Santana de Parnaíba, SP, Brasil); cloridrato de xilazina
(Laboratório Vallée, Montes Claros, MG, Brasil); lidocaína (Laboratório Hipolabor,
Sabará, MG, Brasil); e cafeína em pó (Sigma), na forma de cristais diluídos em
solução fisiológica 0,9%.
Procedimento cirúrgico para implante de eletrodos
O procedimento cirúrgico foi realizado sob anestesia geral com 5 mg/kg de xilazina e
50 mg/kg de cetamina. O sítio operatório foi anestesiado com lidocaína. Uma vez
anestesiados, os animais foram colocados em um dispositivo esterotáxico e
devidamente posicionados. O local de implantação foi tricotomizado e uma incisão
realizada através da pele, tecidos subcutâneos e musculares, até chegar ao crânio.
Duas craniotomias pequenas foram então criadas, -0.96 e 1 mm lateralmente à
fontanela anterior (bregma), a fim de se obter acesso a cada um dos hemisférios
cerebrais contendo o córtex motor, onde os eletrodos foram implantados na
superfície do cérebro.(9) Um parafuso foi introduzido no local da craniotomia para
fixação dos eletrodos com resina acrílica odontológica.
Eletrocorticograma
O preparo dos animais e a implantação dos eletrodos para aquisição do ECoG foram
realizados de acordo com relatos prévios.(10) Os eletrodos foram posicionados 0,96 e
1 mm lateralmente à coordenada estereotáxica relativa ao bregma, em cada um dos
hemisférios contendo o córtex motor.(9) Os eletrodos de registro e referência foram
posicionados no hemisfério direito e esquerdo, respectivamente. No quinto dia após
a cirurgia, os eletrodos foram conectados a um sistema de aquisição de dados
composto por um amplificador de alta impedância (Grass Technologies, P511),
monitorado com osciloscópio (Protek, 6510).(11) A administração intraperitoneal de
cafeína foi realizada 15 minutos antes do registro. Os dados foram digitalizados de
forma contínua a uma frequência de 1 kHz, por meio de um computador equipado
com placa de aquisição de dados (National Instruments, Austin, TX). Os dados foram
armazenados em um disco rígido e processados empregando-se software específico
(LabVIEWexpress). Todo o experimento foi realizado em gaiola de Faraday.
Eletromiograma
Após a aquisição dos dados de ECoG, eletrodos conjugados foram implantados 0,5
cm acima da inserção do músculo gastrocnêmio, conforme descrito na literatura. A
administração intraperitoneal de cafeína foi realizada 15 minutos antes do registro
eletromiográfico. Os animais foram mantidos em uma caixa acrílica durante o
procedimento de registro (duração de 10 minutos), sendo os eletrodos conectados a
um amplificador Grass P511 monitorado com osciloscópio.(12)
Eletrocardiograma
Os eletrodos foram inseridos ao longo do vetor relativo à derivação D2. O eletrodo
de referência foi colocado na região do quarto músculo intercostal, próximo à axila
direita, e o eletrodo de registro no 11o espaço intercostal, 1,5 cm à esquerda da linha
sagital mediana.(13) Após a administração intraperitoneal de 50 mg/kg de cafeína e
um período de latência de 15 minutos, os dados eletrocardiográficos foram
registrados por 10 minutos em cada animal, analisando-se as seguintes variáveis:
amplitude (mV), frequência cardíaca (bpm), intervalo RR, intervalo PQ, intervalo QT
e duração do complexo QRS.
Análise dos dados eletrofisiológicos
Os gráficos de amplitude mostram a diferença de potencial entre o eletrodo de
referência e o eletrodo de registro a uma frequência de amostragem de 1.000 amostras
por segundo. Os espectrogramas foram calculados empregando-se uma janela de
Hamming com 256 pontos (256/1000s) e cada quadro foi gerado com uma
sobreposição de 128 pontos por janela. Para cada quadro, a distribuição de energia
espectral (SPD) foi calculada empregando-se o método do periodograma médio de
Welch. O histograma de frequência foi gerado a partir do primeiro cálculo de SPD do
sinal empregando-se a janela de Hamming com 256 pontos sem sobreposição com a
SPD, resultando em um histograma construído com caixas de 1 Hz. Os sinais
registrados até a faixa de 50 Hz foram analisados. As bandas de frequência foram
analisadas da seguinte maneira: delta (1 – 4 Hz), teta (4 – 8 Hz), alfa (8 - 12Hz), beta
(12 – 28 Hz) e gama (28 – 40 Hz).(14)
Análise Estatística
A normalidade dos dados e a homogeneidade de variâncias foram verificadas por
meio dos testes de Kolmogorov-Smirnov e Levene, respectivamente. Os dados
foram expressos como médias e desvios padrão. Valores de F e p foram
apresentados quando pertinentes. O nível de significância adotado foi de p<0,05. As
comparações entre os grupos foram realizadas por meio da ANOVA bidirecional
seguida pelo teste de Tukey para comparações múltiplas. O teste t de Student foi
utilizado para comparação dos dados de ECoG, EMG e ECG (potência nas
diferentes faixas de frequência) entre os grupos controle e tratado. A ANOVA foi
realizada apenas para análise da preponderância do espectro de frequência entre
animais do mesmo grupo. As análises estatísticas para detecção e remoção de
outliers foram realizadas empregando-se o software GraphPad Prism, versão 8
(Graph-Pad Software Inc., San Diego, CA, EUA).(11)
RESULTADOS
A cafeína altera o espectro de potência das ondas cerebrais
Alterações importantes foram observadas no traçado do ECoG após a administração
de cafeína em relação ao traçado inicial (Tabela 1). O registro obtido no Grupo
Controle pode ser visualizado na Figura 1A, que mostra aumento da amplitude e da
intensidade de potência no espectrograma em frequências inferiores a 10 Hz. O
traçado do ECoG após a administração de cafeína, visualizado na Figura 1B, mostra
maior distribuição de potência acima de 10 Hz.
A distribuição das ondas cerebrais pode ser visualizada nos traçados
registrados antes e depois da administração de cafeína (Figura 1C). Observou-se
aumento da potência em ondas de baixa frequência, principalmente até 40 Hz
(p<0,001). De forma geral, a maior amplitude do espectro de potência do sinal ficou
entre 1 e 8 Hz, que corresponde a ondas delta e teta (p<0,001).
Tabela 1. Valores numéricos obtidos nos registros eletrocorticográficos realizados durante os experimentos
Grupo Delta (1 – 4 Hz) Teta (4 – 8 Hz) Alfa (8 – 12 Hz) Beta (12 – 28 Hz) Gama (28 – 30 Hz)
Controle / mV2/Hz X 10-3 0,003883±0,00098
77
0,01440±0,00248
6
0,01176±0,001643 0,007670±0,0014
97
0,003218±0,002155
Tratado (cafeína) / mV2/Hz
X 10-3
0,1227±0,001844** 0,03031±0,00601
8**
0,02189±0,003489
*
0,01979±0,00374
8*
0,01173±0,001083*
* médias p<0,05 e ** <0,01 em relação ao Grupo Controle. Todos os valores de ondas delta, teta, alfa, beta e gama obtidos nos grupos Controle e Tratado
(cafeína) foram apresentados.
TRADUÇÃO DA FIGURA:
Controle ECoG
Cafeína ECoG
Frequência
Tempo (segundos)
Delta – Teta - Alfa - Gama
ECoG: eletrocorticograma.
Figura 1. Registro eletrocorticográfico do Grupo Controle, mostrando aumento da
amplitude e da potência em frequências inferiores a 10 Hz (A) e o traçado
eletrocorticográfico obtido após a administração IP de 50 mg/kg de cafeína (B) a uma
distribuição de frequência acima de 10 Hz; (C) distribuição de energia espectral (PSD)
após a administração IP de cafeína (50 mg/kg) ou solução fisiológica (controle) e
respectivas oscilações cerebrais. Os dados foram analisados por comparação de médias,
empregando-se o teste t seguido do teste de Mann Whitney, com um nível de significância
de p<0,001) (n=9)
O espectro de potência do Grupo Controle revelou a seguinte relação: teta
> alfa > beta > delta = gama (p<0,05), ilustrada na Figura 2A. No grupo tratado com
cafeína o perfil dominante de oscilação foi: teta > alpha = beta > delta = gama
(p<0,05) (Figura 2B).
TRADUÇÃO DA FIGURA:
Controle
Cafeína
Potência
Teta - Alfa – Beta – Delta – Gama
Figura 2. Amplitude média de potência das oscilações cerebrais delta, teta, alfa,
beta e gama nos grupos controle e tratado com cafeína (50 mg/kg). (A) e (B)
indicam as potências predominantes nas oscilações cerebrais em ratos controle e
tratados, respectivamente. (C) Comparação das oscilações detectadas em cada
grupo (n=9) (# teste t indica significância estatística quando p<0,0001)
A oscilação média da onda delta antes e após a administração de cafeína
(0,003883±0,000987 7mV2 / Hz x 10-3 e 0,01227±0,001844 mV2 / Hz x 10-3,
respectivamente) diferiu de forma significante (p<0,0001), sendo maior no Grupo
Tratado. No Grupo Controle, as oscilações médias nas faixas teta
(0,01440±0,002569 mV2 / Hz x 10-3) e alfa (0,01176±0,001643 mV2 / Hz x 10-3)
diferiram de forma significante em relação ao grupo tratado com cafeína (teta,
0,03031±0,006081 mV2 / Hz x 10-3 e alfa 0,02189±0,003489 mV2 / Hz x 10-3;
p<0,001). A oscilação média na faixa beta no Grupo Controle (0,007670±0,001497
mV2 / Hz x 10-3) diferiu forma significante em relação ao grupo tratado com cafeína
(0,01979±0,003748 mV2 / Hz x 10-3; p<0,001). Na faixa de oscilação gama, a média
foi de 0,003218±0,002155mV2 / Hz x 10-3 no Grupo Controle e de
0,01173±0,001083mV2 / Hz x 10-3 no Grupo Tratado com cafeína (p<0,001).
A cafeína aumenta a amplitude de contração da musculatura esquelética
estriada
O registro eletromiográfico (EMG) apresentado na Figura 3A e na Tabela 2 mostra
o padrão de contração muscular em baixa amplitude (até 1 mV), com
espectrograma de distribuição de energia até 50 Hz. Passados 15 minutos da
administração IP de cafeína, a frequência de contrações aumentou, com registro de
amplitude acima de 2 mV e concentração mais alta de energia, como mostra a
Figura 3B.
As diferenças de amplitude entre o total de registros até 50 Hz mostradas
na Figura 3 indicam que a potência média diferiu de forma significante entre o
Grupo Controle e o Grupo Tratado com cafeína (6,676±2,702 mV2 / Hz x 10-3 e
28,22±6,736mV2 / Hz x 10-3, respectivamente; p<0,001) (Figura 3C). A análise das
contrações mais fortes registradas no Grupo Controle e no Grupo Tratado com
cafeína revelou diferença significante (12,94±4,470 mV2 / Hz x 10-3 e 78,56±26,46
mV2 / Hz x 10-3, respectivamente; p<0,001) (Figura 3D).
TRADUÇÃO DA FIGURA:
EMG Controle
EMG Cafeína
Amplitude
Frequência
Potência
Tempo
Figura 3. Contração do músculo gastrocnêmio registrada em animais controle (A) e
após a administração de cafeína (B). O tempo de registro foi de 300 s. A potência
observada no registro completo em frequências de até 50 Hz demonstra a potência
das contrações musculares mensurada nos animais controle e tratados com
cafeína (C). Potência das contrações mais fortes registradas nos grupos Controle e
tratado com cafeína em um tempo fixo de 5 segundos de contração (D), (# teste t
de Student indica significância estatística quando p<0,0001) (n=9).
Tabela 2. Representação numérica dos valores obtidos durante o estudo
eletromiográfico
Grupo Controle / mV2/Hz
X 10-3
Cafeína / mV2/Hz X
10-3
Registro EMG completo 6,675± 2,702 28,22±6,736
Registro da contração mais forte
(EMG)
12,94±4,470* 78,56±26,46**
* médias p<0,05 e ** <0,01 em relação Grupo Controle.
Todos os valores obtidos nos Grupos Controle e Tratado com cafeína foram apresentados. Valores encontrados no
estudo completo e valores referentes exclusivamente à contração mais forte do músculo gastrocnêmio também foram
apresentados.
A cafeína alterou os parâmetros eletrocardiográficos
As principais alterações eletrocardiográficas observadas após a administração de
cafeína foram relacionadas ao aumento da frequência cardíaca (bpm), como
mostrado nas Figuras 4A, B, C e D. Houve aumento significante da frequência
cardíaca após o uso da cafeína (249,2±21,26 e 303,7±7,194 BPM, Grupo Controle
e Tratado com cafeína, respectivamente; p=0,0004) (Figura 4E e Tabela 3).
ECG: eletrocardiograma.
TRADUÇÃO DA FIGURA:
ECG Controle D-II
ECG Cafeína D-II
Amplitude
Tempo (s)
Ritmo sinusal
Intervalos R-R (s)
Duração QRS (s)
Tempo 1 s
Intervalos Q-T (s)
Intervalos P-Q (s)
Taquicardia sinusal
Figura 4. Eletrocardiograma do Grupo Controle na derivação D-II (A);
prolongamento do intervalo 40 a 50 segundos no Grupo Controle (B);
eletrocardiograma do Grupo Tratado com cafeína na derivação D-II (C);
prolongamento 40 a 50 segundos no eletrocardiograma dos ratos tratados com
cafeína (D); características do eletrocardiograma dos ratos em ritmo sinusal na
derivação D-II, mostrado os intervalos analisados, um segundo de aumento (E);
eletrocardiograma representativo do Grupo Tratado com cafeína, mostrando as
características da deflagração cardíaca, um segundo de aumento (F).
Tabela 3. Apresentação numérica dos valores obtidos durante a execução do estudo eletrocardiográfico
Parâmetro
Frequência
cardíaca (bpm)
Amplitude
(mV) Intervalos RR (S) Duração QRS (S) Intervalos QT (S) Intervalos PQ
Controle 249,2±21,26 0,4746±0,04072 0,3453 ± 0,01276 0,01011±0,001364 0,570±0,004062 0,07056±0,003779
Tratado com
cafeína 303,7±7,194 ***
0,5250±0,01949
**
0,2400 ± 0,03651
***
0,0082±0,0007953
**
0,03153±0,004996
***
0,08306±0,007435
***
** p<0,01 em relação ao Grupo Controle e *** p<0,001 em relação ao Grupo Controle.
Lista de parâmetros obtidos através dos registros eletrocardiográficos dos grupos Controle e Tratado com cafeína (testes t de Student e de Mann Whitney).
A amplitude média também aumentou de forma significante após a
administração de cafeína (0,4746±0,04072 mV e 0,5250±0,01949 mV, Grupo
Controle e Grupo Tratado com cafeína, respectivamente; p=0,0061). O aumento da
frequência cardíaca (bpm) no registro revelou um encurtamento do intervalo RR no
ECG (Figuras 4 E e F); as médias diferiram de forma significante entre o Grupo
Controle e o Grupo Cafeína (0,3453±0,01276 segundos e 0,2400±0,03651
segundos, respectivamente; p=0,0004). A duração média do complexo QRS
também foi caracterizada pela diminuição do tempo de execução e diferiu de forma
significante entre o Grupo Controle e o Grupo Tratado com cafeína
(0,01011±0,001364 segundos e 0,0082±0,0007953 segundos, respectivamente;
p=0,0062). O ciclo cardíaco representado pelo intervalo QT, que envolve o período
de despolarização e repolarização ventricular, também diferiu estatisticamente
(média de 0,0570±0,004062 segundos e 0,03153±0,004996 segundos no Grupo
Controle e no grupo tratado com cafeína, respectivamente; p=0,0004). No caso do
intervalo PQ, a média foi de 0,07056±0,003779 segundos no Grupo Controle e de
0,08306±0,007435 segundos no Grupo Tratado com cafeína (Tabela 3).
DISCUSSÃO
Neste estudo, os registros de ECoG, EMG e ECG foram empregados para
descrever alterações eletrofisiológicas observadas em ratos após a administração
de cafeína. No grupo tratado com cafeína, a potência média foi 50% mais alta na
amplitude das oscilações cerebrais delta em relação ao controle. Acredita-se que
as ondas delta contribuam para a codificação de memórias e para o aprendizado.
(15) Efeitos agudos positivos sobre a atenção também foram demonstrados na
maioria dos estudos que investigaram os efeitos da cafeína sobre a cognição.(16)
Esse achado também pode estar relacionado ao estágio delta, uma vez que a
atividade delta “modula” o desempenho mental através da inibição de estímulos
não relacionados à tarefa a ser executada, aumentando o nível de individual de
atenção durante a execução de tarefas que requerem processamento cerebral
interno cuidadoso.(17)
O ritmo teta é implicado em diversas atividades, tais como estabelecimento
de padrões de palavras para reconhecimento da fala e sincronização de
movimentos microssacádicos, frequentemente observados no contexto do
comportamento relacionado à atenção e exploratório e a na aprendizagem
implícita, uma categoria de aprendizagem em grande parte inconsciente e
independente do hipocampo.(12-20)
As ondas alfa guardam relação com o processamento cognitivo e a
autorregulação e aumentam em situações associadas a ganhos de atenção.(21,22) As
oscilações beta são um forte preditor do desempenho perceptivo e motor.(23) Essas
oscilações têm relação com estados de alerta, foco e pensamento ativo.(24) No
córtex superior, as ondas gama aumentam durante o uso da memória de trabalho e
a aprendizagem. Essas oscilações participam da comunicação neural, refletindo a
transferência de informações do mundo exterior para o cérebro.(25)
O aumento da amplitude de todas as ondas cerebrais neste estudo (Figura
1C) sugere que a cafeína ou qualquer de seus metabólitos pode afetar direta ou
indiretamente as vias envolvidas na geração desses ritmos, podendo estimular as
funções cognitivas associadas às oscilações cerebrais e corroborando o fato de
que a cafeína age como um estimulante do SNC.(6)
Neste estudo, a administração intraperitoneal de cafeína aumentou a
frequência de contração do músculo gastrocnêmio, registrando-se maior amplitude
(2 mV) e concentração de energia (Figura 3B) em relação ao Grupo Controle
(amplitude de 1 mV) (Figura 3A). As disparidades de força de contração muscular
entre os grupos Controle e tratado com cafeína encontram-se ilustradas na Figura
3. Diferenças significativas (p<0,05) entre as duas porções analisadas podem ser
observadas, sobretudo no gráfico que mostra as contrações musculares mais
potentes. Assim, a cafeína pode afetar a função da musculatura esquelética,
promovendo maior desempenho mecânico através do aumento da capacidade do
músculo de produzir força, trabalho e energia.(26) Portanto, a melhora das
habilidades motoras pode ser atribuída à cafeína, conforme advocado por outros
pesquisadores.(27)
A cafeína estimula a atividade miocárdica, o que diminui o tempo de
contração e resulta no aumento da frequência cardíaca. Além disso, a cafeína
possui efeito inotrópico positivo, uma vez que aumenta a força de contração.(28)
Neste estudo, a frequência cardíaca (bpm) e a força de contração cardíaca (Figure
4C) aumentaram nos ratos tratados com cafeína. Combinados, esses efeitos se
traduzem em maior gasto calórico, o que confere à cafeína o status de agente
termogênico, capaz de intensificar os efeitos ergogênicos.(29) Além disso, o conceito
de que o consumo moderado de cafeína (400 – 600 mg/d) não aumenta o risco de
desenvolvimento de doença cardiovascular é amplamente difundido; ao contrário,
parece haver um efeito protetor sobre o sistema cardiovascular. Entretanto,
indivíduos predispostos ou que sofrem de doenças cardiovasculares parecem ser
mais sensíveis aos efeitos da cafeína.(30)
CONCLUSÃO
Este estudo demonstrou as principais alterações eletrofisiológicas observadas no
sistema nervosa central, no miocárdio e na musculatura esquelética após a injeção
intraperitoneal de cafeína. As alterações eletrofisiológicas aqui descritas
corroboram os efeitos agudos positivos sobre o nível individual de atenção,
conforme observado após o consumo de bebidas cafeinadas com intuito de manter
o estado de alerta. No sistema nervoso central, observou-se aumento dos
espectros de amplitude delta, teta e alfa, associados à codificação de memórias e
melhora da aprendizagem. No que se refere à musculatura esquelética, foi
demonstrado um aumento da contração do músculo gastrocnêmio, uma indicação
clara de como a cafeína pode ser utilizada para melhorar o desempenho em
algumas atividades físicas. As alterações eletrocardiográficas observadas após a
administração de cafeína se referem principalmente ao aumento da frequência
cardíaca e do consumo de energia. A descrição de alterações quantitativas de
mensurações realizadas nesse espectro eletrofisiológico é de interesse para
estudos futuros destinados a determinar a dose diária ideal de cafeína e a
descrever em maiores detalhes os efeitos positivos, negativos e tóxicos associados
ao uso desse estimulante.
INFORMAÇÕES DOS AUTORES
Cabral DA: http://orcid.org/0000-0002-7582-7251
Campos FM: http://orcid.org/0000-0003-1903-0958
Silva MC: http://orcid.org/0000-0001-7697-7406
Medeiros JP: http://orcid.org/0000-0002-5110-2379
Batista PS: http://orcid.org/0000-0002-5918-2078
Jardim GC: http://orcid.org/0000-0002-0171-8300
Machado JL: http://orcid.org/0000-0003-0870-1090
Cabral LG: http://orcid.org/0000-0002-8814-9488
Mello VJ: http://orcid.org/0000-0003-0359-9760
Hamoy M: http://orcid.org/0000-0002-2931-4324
REFERÊNCIAS
31. Cappelletti S, Piacentino D, Sani G, Aromatario M. Caffeine: cognitive and physical
performance enhancer or psychoactive drug? Curr Neuropharmacol. 2015;13(1):71-88.
Review. Erratum in: Curr Neuropharmacol. 2015;13(4):554.
32. Abdel-Hady H, Nasef N, Shabaan AE, Nour I. Caffeine therapy in preterm infants.
World J Clin Pediatr. 2015;4(4):81-93. Review.
33. Daly JW. Caffeine analogs: biomedical impact. Cell Mol Life Sci. 2007;64(16):2153-
69. Review.
34. Munoz DG, Fujioka S. Caffeine and Parkinson disease: a possible diagnostic and
pathogenic breakthrough. Neurology. 2018;90(5):205-6.
35. Tabrizi R, Saneei P, Lankarani KB, Akbari M, Kolahdooz F, Esmaillzadeh A, et al.
The effects of caffeine intake on weight loss: a systematic review and dos-response meta-
analysis of randomized controlled trials. Crit Rev Food Sci Nutr. 2019;59(16):2688-96.
Review.
36. Ferré S. Mechanisms of the psychostimulant effects of caffeine: implications for
substance use disorders. Psychopharmacology (Berl). 2016;233(10):1963-79. Review.
37. Ferré S, Orrú M, Guitart X. Paraxanthine: connecting caffeine to nitric oxide
neurotransmission. J Caffeine Res. 2013;3(2):72-8.
38. Alasmari F. Caffeine induces neurobehavioral effects through modulating
neurotransmitters. Saudi Pharm J. 2020;28(4):445-51. Review.
39. Paxinos G, Franklin KB. Paxinos and Franklin's the mouse brain in stereotaxic
coordinates. 5th ed. Academic Press; 2019.
40. Hamoy M, Dos Santos Batista L, de Mello VJ, Gomes-Leal W, Farias RA, Dos
Santos Batista P, et al. Cunaniol-elicited seizures: behavior characterization and
electroencephalographic analyses. Toxicol Appl Pharmacol. 2018;360:193-200.
41. Estumano DP, Ferreira LO, Bezerra PA, da Silva MC, Jardim GC, Santos GF,et al.
Alteration of testosterone levels changes brain wave activity patterns and induces
aggressive behavior in rats. Front Endocrinol (Lausanne). 2019;10:654.
42. Santos GF, Ferreira LO, Gerrits Mattos B, Fidelis EJ, de Souza AS, Batista PS, et
al. Electrocorticographic description of the effects of anticonvulsant drugs used to treat
lidocaine‐induced seizures. Brain Behav. 2021;11(2):e01940.
43. Farraj AK, Hazari MS, Cascio WE. The utility of the small rodent electrocardiogram
in toxicology. Toxicol Sci. 2011;121(1):11-30. Review. Erratum in: Toxicol Sci.
2012;126(1):289.
44. Souza-Monteiro JR, Arrifano GP, Queiroz AI, Mello BS, Custódio CS, Macêdo DS,
et al. Antidepressant and antiaging effects of Açaí (Euterpe oleracea Mart.) in Mice. Oxid
Med Cell Longev. 2019;2019:3614960.
45. Jansen JM, Lopes AJ, Jansen U, Capone D, Maeda TY, Noronha A, organizadores,
et al. Medicina da noite: da cronobiologia à prática clínica. Rio de Janeiro: Editora
FIOCRUZ; 2007. p.103-20. Capítulo 7.
46. Szczepanik JC, de Oliveira PA, de Oliveira J, Mack JM, Engel DF, Rial D, et al.
Caffeine mitigates the locomotor hyperactivity in middle‐aged low‐density lipoprotein
receptor (LDLr)‐knockout mice. CNS Neurosci Ther. 2016;22(5):420-2.
47. Harmony T, Fernández T, Silva J, Bernal J, Díaz-Comas L, Reyes A, et al. EEG
delta activity: an indicator of attention to internal processing during performance of mental
tasks. Int J Psychophysiol. 1996;24(1-2):161-71.
48. Hyafil A, Fontolan L, Kabdebon C, Gutkin B, Giraud AL. Speech encoding by
coupled cortical theta and gamma oscillations. Elife. 2015;4:e06213.
49. Kienitz R, Schmiedt JT, Shapcott KA, Kouroupaki K, Saunders RC, Schmid MC.
Theta rhythmic neuronal activity and reaction times arising from cortical receptive field
interactions during distributed attention. Curr Biol. 2018;28(15):2377-87.e5.
50. Loonis RF, Brincat SL, Antzoulatos EG, Miller EK. A meta-analysis suggests
different neural correlates for implicit and explicit learning. Neuron. 2017;96(2):521-34.e7.
Review.
51. Bazanova O. Comments for current interpretation EEG alpha activity: a review and
analysis. J Behav Brain Sci. 2012;2(2):239-48.
52. Kim SC, Lee MH, Jang C, Kwon JW, Park JW. The effect of alpha rhythm sleep on
EEG activity and individuals’ attention. J Phys Ther Sci. 2013;25(12):1515-8.
53. Sherman MA, Lee S, Law R, Haegens S, Thorn CA, Hämäläinen MS, et al. Neural
mechanisms of transient neocortical beta rhythms: converging evidence from humans,
computational modeling, monkeys, and mice. Proc Natl Acad Sci U S A.
2016;113(33):E4885-94.
54. Kim JH, Chung EJ, Lee BH. A study of analysis of the brain wave with respected to
action observation and motor imagery: a pilot randomized controlled trial. J Phys Ther Sci.
2013;25(7):779-82.
55. Jia X, Kohn A. Gamma rhythms in the brain. PLoS Biol. 2011;9(4):e1001045.
56. Tallis J, Duncan MJ, James RS. What can isolated skeletal muscle experiments tell
us about the effects of caffeine on exercise performance? Br J Pharmacol.
2015;172(15):3703-13. Review.
57. Sousa AM, Suzuki FA. Effect of caffeine on cervical vestibular-evoked myogenic
potential in healthy individuals. Braz J Otorhinolaryngol. 2014;80(3):226-30.
58. Chaban R, Kornberger A, Branski N, Buschmann K, Stumpf N, Beiras-Fernandez A,
et al. In-vitro examination of the positive inotropic effect of caffeine and taurine, the two
most frequent active ingredients of energy drinks. BMC Cardiovasc Disord.
2017;17(1):220. Erratum in: BMC Cardiovasc Disord. 2019;19(1):33.
59. Murayama T, Ogawa H, Kurebayashi N, Ohno S, Horie M, Sakurai T. A tryptophan
residue in the caffeine-binding site of the ryanodine receptor regulates Ca2+ sensitivity.
Commun Biol. 2018;1:98.
60. Turnbull D, Rodricks JV, Mariano GF, Chowdhury F. Caffeine and cardiovascular
health. Regul Toxicol Pharmacol. 2017;89:165-85. Review.