1 Alla mia famiglia, senza la quale tutto questo non sarebbe stato possibile 2 INTRODUZIONE 6 METODICHE DI NEUROSTIMOLAZIONE NON INVASIVA (NONINVASIVE BRAIN STIMULATION - NIBS) 8 Tipi di Stimolazione elettrica transcranica (tES) 9 Meccanismi fisiologici della tES 11 Usi clinici delle tecniche di tES 14 Stimolazione magnetica transcranica (TMS) 16 TMS vs. tES: le due metodiche a confronto 19 POTENZIAMENTO COGNITIVO 22 Cognitive enhancement: definizione 22 Dalla neuroriabilitazione al neuroenhancement nel soggetto sano. 23 Potenziamento cognitivo e tES: stato dell'arte 24 Direzioni future: vantaggi e svantaggi dell'enhancement con tES 28 ORIGINI E STORIA DELLE VARIE TECNICHE DI STIMOLAZIONE ELETTRICA TRANSCRANICA (TES) 30 Introduzione e inquadramento storico generale. 31 Dall’ Electrosleep alla Cranial Electrotherapy Stimulation. 33 Dall’Electroanesthesia alla corrente Limoge e altri metodi correlati. 35 Electroconvulsive Therapy 38 Tecniche di stimolazione con Corrente diretta (DC): la transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) 40 3 Approcci contemporanei: la transcranial Alternating Current Stimulation (tACS), e la transcranial Random Noise Stimulation (tRNS). 42 PARTE SPERIMENTALE 45 METODICHE NEUROFISIOLOGICHE E DI NEURO-IMAGING 45 Elettroencefalografia (EEG) 45 Risonanza magnetica funzionale (fMRI) 46 RAZIONALE ED OBIETTIVI 48 "NEUROMODULAZIONE DELLA MEMORIA" 48 Memoria Forward e Backward: ipotesi di stimolazione 48 MATERIALI E METODI 50 Partecipanti 50 MRI 50 Assessment neurocognitivo 51 Assessment genetico 52 Seduta di Stimolazione elettrica 53 Blocchi Sperimentali 58 ANALISI STATISTICA 60 RISULTATI 61 Span di memoria FORWARD (Memoria a breve termine). 61 Span di memoria BACKWARD (Working Memory). 61 Effetto tACS sulle oscillazioni spontanee 63 DISCUSSIONE 64 4 CONCLUSIONI 66 BIBLIOGRAFIA 67 RINGRAZIAMENTI 79 5 Introduzione Con il termine di neuromodulazione ci si riferisce a una serie di modificazioni degli impulsi nervosi indotte, a scopo terapeutico o di ricerca, a livello del sistema nervoso centrale o periferico, mediante vari tipi di stimoli: elettrici (neuromodulazione elettrica), magnetici (neuromodulazione magnetica) oppure tramite somministrazione intratecale di farmaci (neuromodulazione farmacologica) (1). La fisiopatologia di molte condizioni neuropsichiatriche dipende dalla alterata funzione di specifiche strutture/aree del sistema nervoso centrale: la neuromodulazione terapeutica si basa, quindi, sul principio di normalizzare tali alterazioni funzionali per mezzo di varie tecniche di stimolazione focale dell’area/struttura disfunzionale. In base al tipo di approccio utilizzato, è possibile suddividere, in termini generali, le metodiche di neuromodulazione in invasive e non invasive. Le prime prevedono l’applicazione, per via chirurgica o percutanea, di dispositivi impiantabili atti a modulare l’attività nervosa di determinate aree target cerebrali andando, appunto, a influenzare, sia in termini di ampiezza che di frequenza, l’attività oscillatoria di ampie popolazioni neuronali. Difatti, l’applicazione di correnti elettriche o di campi elettrici a livello delle strutture cerebrali profonde (come avviene, ad esempio, nella Deep Brain Stimulation (DBS), utilizzata per il trattamento della malattia di Parkinson, o a livello dello spazio epidurale (come si realizza, invece, nella stimolazione midollare per il trattamento del dolore periferico di origine neuropatica), provocano delle variazioni dell’eccitabilità neuronale che, nel complesso, producono una modulazione della sincronizzazione dei tessuti cerebrali stimolati. Riguardo alle seconde, esse prevedono un approccio transcranico, mediante la somministrazione di stimoli elettrici o magnetici attraverso lo scalpo, atti a modulare l’attività e l’eccitabilità, nonché i pattern di oscillazione, delle popolazioni neuronali direttamente sottostanti l’area stimolata. (1) International Neuromodulation Society. Welcome to the International Neuromodulation Society. www.neuromodulation.com. 6 Ai fini della nostra trattazione saranno ampiamente ed esclusivamente discusse le principali metodiche di stimolazione cerebrale non invasiva, indicate nella letteratura con il termine di Non-Invasive Brain Stimulation (NiBs). 7 METODICHE DI NEUROSTIMOLAZIONE NON INVASIVA (Non-Invasive Brain Stimulation - NiBS) La stimolazione elettrica transcranica (tES) e la stimolazione magnetica transcranica (TMS), rappresentano le metodiche di neuromodulazione cerebrale non invasiva più importanti ad oggi. Esse sono metodiche di stimolazione non invasiva del sistema nervoso che possono modulare, anche a lungo termine, l’eccitabilità neuronale, inducendo fenomeni di neuroplasticità duraturi. Trovano il loro maggior impiego clinico nel trattamento della depressione, del dolore cronico, disturbo ossessivo-compulsivo e nella riabilitazione post-ictus. La stimolazione elettrica dell’encefalo durante gli interventi neurochirurgici ha permesso di identificare la funzione di varie regioni cerebrali e consente di elaborare mappe funzionali del cervello per evitare di lesionare aree funzionalmente fondamentali nel corso delle operazioni chirurgiche. L’utilizzo di queste metodiche con il fine di modulare l’attività elettrica centrale è effettivamente noto dall’antichità: nel 43-48 a.C. Scribonius Largus osservò che applicare una torpedine (pesce che produce correnti elettriche) sulla testa di una paziente con cefalea intensa comportava un’alterazione transitoria della coscienza con miglioramento del dolore percepito. La stessa metodica “naturalista” fu utilizzata nell’XI secolo dal medico arabo Ibn-Sidah per il trattamento dell’epilessia. Nel XVIII secolo, Luigi Galvani e Alessandro Volta iniziarono una profonda discussione sugli effetti biologici delle correnti elettriche, e Giovanni Aldini dai primi dell’Ottocento osservò gli effetti clinici di diversi tipi di stimolazione elettrica in una moltitudine di disturbi. Infine, nel 1896, il medico francese Jacques-Arsène d’Arsonval a Parigi osservò che un intenso campo magnetico alternato poteva produrre la percezione di fosfeni. Da queste prime scoperte sono nate le tecniche di neuromodulazione attuali (2). (1) http://www.treccani.it/enciclopedia/stimolazione-cerebrale-elettrica-emagnetica_%28Dizionario-di-Medicina%29/ 8 Tipi di Stimolazione elettrica transcranica (tES) La stimolazione elettrica transcranica comprende tutte le metodiche di applicazione non invasiva di corrente elettrica sullo scalpo tramite elettrodi, che sono applicati nell’ambito della ricerca e della clinica. L’attenzione verso la tES è riemersa dal 2000, ma come abbiamo visto precedentemente, i presupposti per la sua attuazione risalivano addirittura all’Ottocento; anche se il massimo sviluppo delle tecniche moderne si è avuto nell’ultimo secolo. Ai fini della nostra trattazione, approfondiremo tre moderne tecniche di stimolazione elettrica: Stimolazione transcranica a Corrente Diretta (tDCS), Stimolazione transcranica Random-Noise (tRNS), Stimolazione transcranica a Corrente Alternata (tACS). Queste tecniche aumentano l’eccitabilità del sistema nervoso attraverso la realizzazione di un campo elettrico creato dal passaggio della corrente negli elettrodi e vengono messe in contrapposizione con le complementari tecniche di stimolazione invasiva (i.e. DBS, deep brain stimulation). Per quanto riguarda la dose della corrente erogata, questa dipende dal montaggio degli elettrodi e dal tipo di onda impiegata (come possiamo intuire, infatti, nei tre tipi di stimolazione vengono usate tre tipologie di correnti diverse: DC -corrente diretta- flusso di corrente ininterrotta e unidirezionale; AC –corrente alternata- onde sinusoidali; Random Noiserumore bianco), anche se solitamente si usano intensità attorno a 1mA. Considerando le caratteristiche della corrente erogata e quindi del campo elettromagnetico creato, assieme alle proprietà conduttive dei tessuti umani, si possono fare delle approssimazioni fisiche per il campo generato. In primo luogo possiamo considerare nullo il campo magnetico che si crea per il passaggio di corrente ed inoltre il tessuto cerebrale può essere considerato come un elemento a resistività media (Ruffini G 2013). Per quanto riguarda la durata della stimolazione, essa generalmente è programmata per almeno 20 minuti; gli elettrodi usati devono essere minimo due, uno posizionato sopra la regione target, l’altro viene messo generalmente nella regione controlaterale corrispondente. Nella Stimolazione transcranica a Corrente Diretta (tDCS) una bassa corrente diretta (DC), generalmente con intensità di 1mA, in alcuni studi è 9 stata portata fino a 2mA) è trasmessa dall'anodo (elettrodo positivo) al catodo (elettrodo negativo) posizionati sullo scalpo in modo tale da erogare la corrente a regioni di interesse specifico. I primi studi sugli animali dimostrarono che si produceva un incremento di eccitabilità della membrana nei neuroni sotto l'anodo e, contemporaneamente, un'inibizione per quelli posti sotto il catodo. Nell’uomo questi risultati sono stati confermati studiando l’effetto che la stimolazione produceva sulla corteccia motoria e visiva, anche se rimane da chiarire se altre variabili possano determinare gli effetti specifici, in particolar modo l’intensità di stimolazione. La grandezza degli elettrodi è notevole, sono disponibili quelli da 35 cm2 o da 25 cm2; queste larghezze sono preferite per questioni di sicurezza in quanto la densità di corrente prodotta è più bassa. In sintesi per la tDCS, gli effetti di eccitazione ed inibizione sull’eccitabilità neuronale sono a breve termine, mentre le modificazioni sinaptiche sono modificazioni a lungo termine della plasticità, come analizzeremo successivamente. L’effetto sembra essere più forte dopo il termine della stimolazione e l’effetto rispetto alle oscillazioni cerebrali è aspecifico. Nella Stimolazione transcranica Random-Noise (tRNS), sono invece stimolate entrambe le aree sotto gli elettrodi con una corrente la cui ampiezza varia casualmente (random) nel range di frequenze da 100-500 Hz. Essa comporta una modulazione dell’eccitabilità corticale attraverso un meccanismo di risonanza stocastica, l’effetto anche in questo caso sembra permanere anche dopo la cessazione della stimolazione (fino a 60 minuti dal termine della stimolazione, forse dovuto alla continua attivazione e rettificazione dei canali voltaggio dipendenti permeabili al sodio) ed è aspecifico rispetto alle oscillazioni cerebrali. Nella tACS abbiamo un’erogazione di una debole corrente alternata (AC) che oscilla con una frequenza predeterminata dallo sperimentatore (generalmente scelta all’interno dello spettro di frequenze dell’EEG: 1-100 Hz) ed è trasmessa dall’anodo al catodo. Il principio cui fa riferimento l’applicazione della tACS è quello dell’entrainment cerebrale: la frequenza somministrata (che cambia continuamente polarità), dovrebbe corrispondere a quella implicata naturalmente nel compito effettuato dall’area target. Tutto ciò comporta una sincronizzazione della scarica neuronale in quella 10 specifica frequenza (di fatto viene amplificato il vettore dell’oscillazione endogena). Anche in questo caso l’effetto permane per diversi minuti dopo la stimolazione. Naturalmente, i protocolli per le stimolazioni sono determinati generalmente grazie a tecniche di neuroimaging, come la fMRI, che ci permettono di individuare le aree corticali funzionalmente importanti su cui poi saranno posti gli elettrodi; nel caso della tACS, la frequenza da utilizzare viene scelta sulla base delle evidenze neurofisiologiche disponibili in letteratura, per esempio, da uno studio EEG task-mirato. È importante sottolineare come studi recenti (Lang N 2005), (Keeser D 2011) dimostrano che gli effetti neurologici della tDCS non sono strettamente rilevabili solo nelle aree poste in corrispondenza degli elettrodi e addirittura la modulazione della connettività provocata non si esaurisce con la cessazione della stimolazione ma perdura per un certo periodo anche successivamente, si parla infatti di after-effects (Keeser D 2011). Questi risultati fanno ipotizzare che la tDCS non abbia un’azione limitata soltanto alla corteccia target, ma che coinvolga anche i network di cui fanno parte le aree direttamente stimolate e inibite. In effetti, nello studio di Boros et al. 2008, somministrando tDCS anodale alla corteccia premotoria (PMC) è stata rilevata un aumento dell’eccitabilità anche nella corteccia motoria primaria (M1). Infine, il Default Mode Network (DMN) e l’Attention Network (AN) hanno dimostrato di subire gli effetti della stimolazione anche se le aree in questione non erano quelle direttamente interessate (Keeser D 2011). Meccanismi fisiologici della tES Le prime ricerche sugli animali (Bindam LJ 1962), (Purpura DP 1965) dimostrarono che una piccola corrente elettrica diretta (DC) passante sull’elettrodo anodale, induceva una depolarizzazione della membrana cellulare neuronale, portando quindi ad un aumento dell’eccitabilità neuronale. Conseguentemente, il passaggio di corrente a livello del catodo determinava esattamente l’effetto opposto sulla membrana cellulare (ovvero 11 l’iperpolarizzazione), diminuendo la probabilità di scarica neuronale. Dobbiamo precisare che, a differenza di quello che avviene nella TMS dove si genera un vero e proprio potenziale d’azione, ciò non è possibile nelle tecniche di tES, poiché la stimolazione elettrica è sottosoglia, mentre quella magnetica soprasoglia, quindi in grado di far scaricare effettivamente il neurone piramidale. L’effetto indotto è di depolarizzazione bimodale cellulare: depolarizzazione del soma e iperpolarizzazione dei dendriti apicali (Radman T 2009). Questo processo avviene in conseguenza del campo elettrico esterno cui è sottoposta la popolazione neuronale, che determina uno spostamento forzato degli ioni intracellulari, alterando la carica interna della cellula e la differenza di potenziale transmembrana. È stato ipotizzato che la depolarizzazione del soma, visto il suo ruolo di integratore centrale di diversi input, abbia una maggiore influenza della modifica assonale, ma dati scarseggiano ancora per supportare questa teoria (Ruffini G 2013). Un campo elettrico orientato dai dendriti verso l’assone di una cellula, determina un’iperpolarizzazione dei dendriti stessi e una depolarizzazione (sottosoglia) dell’assone o del soma. Questo effetto, associato alla disposizione dei neuroni piramidali nella corteccia, è alla base dell’effetto di eccitazione corticale sotto stimolazione anodale della tDCS e inibitorio per i neuroni sottoposti all’azione del catodo. Abbiamo parlato fino ad ora esclusivamente di neuroni piramidali, questo perché ad oggi, non è ancora chiaro se anche altri tipi cellulari, come la glia o gli interneuroni siano interessati da alterazioni nella loro funzione. I meccanismi più accreditati alla base della modifica plastica corticale duratura (che si realizza attraverso la riorganizzazione delle sinapsi) sono ritenuti essere gli stessi che permettono anche il processo dell’apprendimento: la Long Term Potentiation (LTP) e la Long Term Depression (LTD). La generazione di una LTP è ormai accertata per tre tipi di stimolazione elettrica soprasoglia: quella tetanica, quella che prevede il theta burst e la stimolazione primed burst. La stimolazione tetanica prevede uno o più treni di 50-100 impulsi, a 100 Hz; la long term potentiation persiste per un periodo variabile da 1 a 3 ore successivamente al termine della stimolazione (dipendentemente dal protocollo specifico utilizzato). La stimolazione theta burst consiste in uno o più treni di burst a bassa 12 frequenza, ognuno dei quali include 3-10 impulsi a 50 Hz (ricordiamo che le onde theta aumentano come componente EEG nel soggetto impegnato in compiti di apprendimento). La stimolazione primed burst infine, eroga 5 impulsi di cui il primo precede gli ultimi 4 di 170 ms (sempre a 100 Hz). In due esperimenti in vitro (su corteccia motoria di topo) recentemente è stata dimostrata l’induzione del fenomeno LTP dopo stimolazione con corrente diretta sottosoglia (Fritsch 2010). Avvalorando questi risultati, anche l’aftereffects registrato dopo la tDCS è stato dimostrato (sempre in vitro) essere mediato dai cambiamenti nella forza dei recettori NMDA (D. Liebetanz 2002). Ci sono infine evidenze sempre più importanti che le modifiche a lungo termine post tDCS sia dovute alle modificazioni sinaptiche dei recettori gabaergici e glutamatergici e che la tDCS moduli la forza delle sinapsi corticali (Nitsche 2011). Passando ai recenti studi in vivo, condotti per spiegare le modifiche a lungo termine della plasticità neuronale, è stato rilevato che nei ratti la polarizzazione anodale della corteccia somatosensoriale modifica l’accumulo di cAMP (A. Moriwaki 1994) accompagnata da un aumento della concentrazione di calcio ione intracellulare (N. Islam 1995), da un incremento temporaneo nell’espressione genica di c-fos, ed infine, dall’incremento citoplasmatico della PKC (N. Islam 1995). Per quanto riguarda gli studi comportamentali e cognitivi, sui conigli applicando la tDCS anodale sopra la corteccia motoria, si sono incrementate le capacità di apprendimento nei task di movimento, mentre l’applicazione sulla corteccia visiva determinava l’incremento delle capacità di apprendimento nei task di evitamento. Questi reperti possono essere spiegati dai meccanismi indotti di potenziamento sinaptico dipendenti dal BDNF (brain-derived neurotrophic factor) e confermano i risultati sull’induzione del LTP. Come sappiamo, il glutammato si lega ai recettori AMPA (alfa-Amino-3Idrossi-5-Metil-4-isoxazolonepropionato, permeabile a ioni sodio e potassio) solo se presente in elevata concentrazione (quindi per scariche ripetute e ravvicinate); l’attivazione dei recettori AMPA determina il distacco degli ioni di magnesio dai recettori NMDA (N-metil-D-aspartato, altro recettore postsinaptico del glutammato) che può quindi rendersi 13 permeabile al calcio, favorendo il suo ingresso in elevata quantità all’interno della cellula. Il calcio a sua volta, attivando una serie di secondi messaggeri intracellulari, come la chinasi calcio-calmodulina dipendente, modifica la citoarchitettura del neurone in questione; in particolar modo si ha l’aumento dell’espressione dei recettori AMPA di membrana e della loro permeabilità agli ioni, è incrementata la produzione del fattore di crescita neuronale, facilitando pertanto la plasticità neuronale. Il meccanismo della LTP nell’ambito della tCS è supportato da studi in cui, somministrando l’antagonista dei recettori NMDA, si bloccano gli effetti della stimolazione anodale e catodale sui potenziali motori evocati (MEP) dalla TMS. La saturazione del fenomeno LTP, che induce una LTD (long term depression), potrebbe anche spiegare come mai gli effetti della stimolazioni elettrica sono dose-dipendenti (G Batsikadze 2013). Considerando infine che ogni regione neurale si trova inserita in un network associativo, è stato studiato se il comportamento del singolo neurone in relazione alla stimolazione con corrente elettrica dipenda, in una discreta parte, anche dalle dinamiche del network in cui si trova inserito. Naturalmente la risposta emergente dai primi dati, è affermativa (D. Reato 2010). Come possiamo aspettarci, l’attività oscillatoria neurale di base su cui applichiamo la tDCS o la tACS, influisce in maniera importante su quella che è l’attività risultante del network; la tACS somministrata alla frequenza di oscillazione endogena neurale (in vitro), comporta un incremento maggiore delle oscillazioni se rapportata alla tDCS. Infine, gli effetti sulle oscillazioni del network sono maggiori se la frequenza di stimolazione erogata combacia con quella dell’oscillazione endogena, suggerendo un effetto stile risonanza (Caroline Di Bernardi Luft 2014). Usi clinici delle tecniche di tES tDCS. Per quanto riguarda la tDCS, la tecnica sviluppatasi per prima rispetto alle altre, vi sono numerosi studi che attestano ormai una sua efficacia in diverse malattie neurologiche e psichiatriche, grazie ad una applicazione ripetuta nell’arco di poche settimane. Per prima cosa, è 14 riportato un effetto analgesico importante per il dolore neuropatico, sia posttraumatico al midollo spinale (Fregni F 2006), (Wrigley PJ 2013), secondario a infezione da HTLV-1 (Gonçalves GS 2013) e da polineuropatia diabetica (Kim YJ 2013), sia di origine centrale che periferica, soprattutto se localizzato agli arti inferiori, quando è applicata una stimolazione anodale alla corteccia M1 (corteccia motoria primaria) controlaterale rispetto al sito di dolore o sull’emisfero di sinistra. Sono presenti anche due studi (Franziska Wickmann and Charles Tim ̈aus 2015), (Alexandre F. DaSilva 2012), che ne attestano l’efficacia nell’emicrania, dove la tDCS è applicata sulla V1 (corteccia visiva primaria sottoposta a stimolazione catodale, quindi inibitoria). Per la capacità di indurre fenomeni di plasticità, l’utilizzo della tDCS è stato valutato in numerosi studi per il recupero motorio post-ictus, al momento attuale sembra avere un modesto effetto di recupero parziale della performance motoria la stimolazione combinata catodale sulla regione controlaterale M1 e anodale sulla M1 ipsilesionale, nella fase cronica (Lindenberg R 2010), (Lefebvre S 2012), (Lefebvre S 2014). Una conseguenza di stroke sinistro dove è stata valutata l’applicazione della tDCS è l’afasia, nella quale la stimolazione anodale dell’area di Broca ha dimostrato un miglioramento della sintomatologia, possibile nella fase post-acuta e cronica (Marangolo P. 2013), (Polanowska KE 2013). Nella depressione, l’applicazione di una stimolazione anodale sulla DLPFC sinistra assieme alla catodale sulla corteccia orbitofrontale sinistra sembra avere effetto antidepressivo nel soggetto che presenta o meno un trattamento farmacologico (Boggio PS 2008), (Loo CK 2010), con possibili effetti positivi anche sui disturbi cognitivi (Boggio PS 2007). Infine, vi sono evidenze (Cogiamanian F 2008), (Truini A 2011) per un possibile effetto di interferenza con le vie spinotalamiche e lemniscali applicando una tsDCS: transcutaneous spinal direct current stimulation, come metodica alternativa rispetto alla Invasive highfrequency epidural electrical spinal cord stimulation (SCS), applicata negli ultimi trent’anni a numerose sindromi dolorifiche. Questi sono gli ambiti in cui ad oggi è possibile trovare delle evidenze concordanti fra i vari studi sull’efficacia di questo tipo di stimolazione, probabilmente la lista delle 15 possibili applicazioni della tDCS sarà destinata ad aumentare in futuro, visto che lo studio in questo campo è comunque appena agli albori. tACS. Essendosi sviluppata molto più recentemente della tDCS, gli studi di applicazione della tACS in campo medico effettivamente scarseggiano ancora. Sembra quindi, viste le sue specifiche modalità di azione, che possa avere un’indicazione nei disturbi in cui sono presenti anomalie dei pattern oscillatori, come il Parkinson e la Schizofrenia, (Gonzalez-Burgos 2008), (Burns 2011). In un recente studio (Kirson 2007) addirittura è stata somministrata una tACS alla frequenza 200kHz che ha dimostrato di inibire la crescita del glioblastoma senza effetti collaterali importanti nei pazienti. Sta diventando, inoltre, routine l’applicazione della tACS alla soglia dei fosfeni individuale con somministrazione trans-orbitale nel danno al nervo ottico (Sabel 2011). Infine, vi sono evidenze di un suo possibile utilizzo per migliorare le performance motorie se utilizzata tACS a 10 e 40 Hz (Joundi 2012), (Pogosyan 2009). tRNS. Per la tRNS, l’ultima tecnica in ordine cronologico sviluppatasi, vi sono studi che dimostrano un incremento della performance nei task di apprendimento motorio implicito e in quelli di perceptual learning (Terney D. 2008), (Ambrus G. G. 2011), (Saiote C. 2013). Stimolazione magnetica transcranica (TMS) La TMS è una tecnica di neuromodulazione e neurostimolazione non invasiva basata sul principio dell’induzione elettromagnetica. Essa prevede l’applicazione di un campo magnetico su un’area cerebrale attraverso un coil posizionato opportunamente sullo scalpo e collegato ad uno stimolatore. Il campo elettrico generato grazie a quello magnetico per il flusso di corrente nella bobina, depolarizza i neuroni e, quando sono usati stimoli ripetuti può modulare l’eccitabilità corticale aumentandola o diminuendola. La TMS può essere condotta con un singolo stimolo, a coppie di stimoli o con stimoli ripetitivi. 16 Nel primo caso, utilizzata soprattutto nella diagnostica neurofisiologica, può permettere di creare mappe della corteccia motoria e studiare le vie della conduzione motoria (grazie allo studio dei potenziali evocati motori), trovando applicazione quindi nella mielopatia spondilogena, nella sclerosi multipla, nelle malattie del motoneurone e nella negligenza spaziale unilaterale. Le altre due metodiche invece sono usate prevalentemente nell’ambito della ricerca, permettendo di studiare i parametri d’inibizione e facilitazione corticale, di modulare anche per diversi minuti l’eccitabilità corticale e di caratterizzare le relazioni corticocorticali. Nella rTMS si ha una serie di stimoli (treno) che si ripete per diversi secondi o minuti si induce una modificazione dell’eccitabilità cerebrale della zona stimolata, che può persistere anche per diversi minuti dopo il termine della stimolazione stessa (dando vita ad effetti postumi). Questa osservazione pone il presupposto per un’applicazione clinica della rTMS in tutte le condizioni che si associano a un’alterata eccitabilità o funzione di una parte del sistema nervoso centrale. Le frequenze della rTMS sono generalmente differenziate in alte (>1 Hz, eccitatorie) e basse (<1 Hz, inibitorie). Naturalmente vi sono anche altri parametri in grado di influenzare l’effetto clinico, quali la forma del campo magnetico (bifasico e monofasico), la sua intensità, il tipo di bobina e l’intervallo tra le serie di stimoli. Ad oggi, tuttavia, gli effetti biologici della TMS non sono ancora del tutto chiari. Un singolo impulso magnetico applicato a un modello di neuroni corticali induce una breve scarica seguita da un periodo di silenzio. Questo rilievo fa ipotizzare che un flusso di calcio seguito da un’apertura dei canali del potassio voltaggio-dipendenti sia responsabile dell’iperpolarizzazione che segue la scarica neuronale. Altri autori hanno osservato un incremento dell’espressione dell’mRNA per i trasportatori delle monoamine, effetto ricercato anche con farmaci antidepressivi e psicostimolanti. La rTMS modula i trasportatori delle monoamine modificando l’attività sinaptica monoaminergica attraverso un rapido recupero della serotonina, della dopamina e della noradrenalina. Pur mancando ancora dati conclusivi, la rTMS sembra oggi una promettente possibilità di trattamento non invasivo per diverse condizioni neuropsichiatriche e il numero delle potenziali applicazioni continua ad aumentare. 17 Più precisamente essa è stata impiegata nei disturbi psichiatrici, quali la depressione, la mania acuta, i disturbi bipolari, gli attacchi di panico, le allucinazioni, il disturbo ossessivo- compulsivo, la schizofrenia, la catatonia, il disturbo postraumatico da stress e in malattie neurologiche quali malattia di Parkinson, distonia, tic, tinnito, spasticità o epilessia. Non mancano dati anche in campo riabilitativo, come nel recupero dell’afasia o della funzionalità motoria della mano dopo un ictus, nelle sindromi dolorose(dolore neuropatico, viscerale ed emicrania). Le aree cerebrali esplorate con successo dalla rTMS per il trattamento di disturbi del movimento e di disturbi affettivi sono principalmente la corteccia motoria, la corteccia premotoria, la corteccia frontale bilaterale per la malattia di Parkinson e la corteccia prefrontale dorsolaterale per la depressione e i comportamenti ossessivo-compulsivi (3). In ambito cognitivo può essere applicata per studiare i processi neurali su cui si basa il funzionamento delle aree corticali superiori, in particolar modo per i processi mnesici, linguistici, attentivi. La stimolazione magnetica può, infatti, simulare una lesione nell’area stimolata (inducendone temporaneamente la perdita di funzione). La rTMS in USA è ad oggi approvata come terapia per la depressione (grazie alla stimolazione della corteccia dorso-laterale pre-frontale, DLPFC) e si sta affermando sempre più il suo successo nel trattamento nei pazienti affetti da disturbo ossessivo compulsivo non rispondente a farmaci (4). (3) http://www.treccani.it/enciclopedia/stimolazione-cerebrale-elettrica-e- magnetica_%28Dizionario-di-Medicina%29/ (4) Il Bergamini di Neurologia, R. Mutani, Edizioni Libreria Cortina, Torino 2012. 18 TMS vs. tES: le due metodiche a confronto Al di là delle sopracitate e già ampiamente trattate, differenze funzionali, neurofisiologiche e metodologiche tra le due tecniche di neuromodulazione prese in esame, la tES e la TMS divergono anche per altri, non meno importanti, aspetti: entrambe le metodiche, infatti, presentano una serie di limitazioni in termini di complessità di utilizzo, riproducibilità degli effetti, costi e reazioni avverse, che le rendono più o meno adatte a determinate applicazioni, condizionando la scelta dell’una rispetto all’altra, sia in campo clinico sia in campo sperimentale. Il principale limite della TMS è rappresentato dalla difficoltà di stimolare selettivamente particolari regioni, il che rende meno agevole la riproducibilità dei suoi effetti. In altri termini, la stimolazione non è esclusivamente diretta verso l'area cerebrale target. La causa risiede nel fatto che le correnti indotte, sono meno facilmente controllabili di quelle veicolate direttamente attraverso degli elettrodi, come avviene invece con la tES: difatti l'area di stimolazione elettrica è, tipicamente, quella posta al di sotto del catodo o dell’anodo a seconda della tipologia di stimolazione. Con una bobina magnetica, l'area di stimolazione può essere vasta e può dipendere anche dalla geometria e dall'orientamento della bobina stessa. Il controllo della zona stimolata è essenziale, per impedire l'eccitazione di un nervo differente da quello desiderato o di una diversa area della corteccia, e per evitare una iperpolarizzazione tra il sito di stimolazione e la giunzione neuromuscolare. Molti ricercatori hanno affrontato il problema della sicurezza della stimolazione magnetica, per gli effetti sulle prestazioni cognitive e motorie e su parametri cardiovascolari e biochimici. Mentre gli effetti termici sono ampiamente trascurabili (l'aumento di temperatura è inferiore a 10^-6 K), è necessario valutare i rischi legati ai fenomeni di tipo non termico. Alcuni studi statistici dimostrano che non esistono problemi dovuti alla stimolazione dei nervi periferici, mentre per la stimolazione corticale i risultati sono meno precisi. Il picco del campo magnetico ed i valori massimi del campo elettrico, delle densità di corrente e di carica indotti nel cervello sono al di sotto dei limiti 19 fissati dalle normative di sicurezza per radiazioni non ionizzanti. Tuttavia occorrono cautele onde evitare possibili effetti collaterali. Uno dei principali è quello di attivare dei focolai epilettici in soggetti affetti da epilessia o sclerosi multipla o con lesioni ischemiche della corteccia; tale eventualità è correlata alla frequenza di ripetizione degli stimoli, che non dovrebbe superare alcuni Hertz. Comunque, in letteratura non sono riportati casi di modifiche del tracciato elettroencefalografico (EEG) in seguito o durante stimolazione magnetica su soggetti normali o a rischio. Invece, recenti esperimenti evidenziano, in qualche soggetto, una temporanea riduzione del tempo di reazione che era già stato notato in passato ed è riconducibile all'intensità dello stimolo. Più raramente si nota una diminuzione temporanea delle funzioni cognitive e l'insorgere di stati confusionali, emicrania, sonnolenza e disturbi della memoria. Le correnti indotte, inoltre, esercitano forze magnetiche su oggetti metallici impiantati chirurgicamente. Le intensità di queste forze possono essere tali da danneggiare i dispositivi. Ad esempio una controindicazione è rappresentata dalla presenza di clips usate negli interventi su aneurisma, di apparecchi acustici o di pacemaker cardiaci. Negli ultimi due casi, inoltre, è possibile indurre correnti e tensioni tali da danneggiare qualche dispositivo elettronico interno. E' poi da evitarsi l'applicazione in presenza di emoraggie vascolari. Infine, studi su animali hanno mostrato una possibile perdita di udito. Ciò consiglia l'uso cautelativo di tappi soprattutto nella stimolazione dei nervi e dei muscoli facciali. Un’altro aspetto di minore importanza, ma che deve comunque essere preso in considerazione in quanto responsabile di discomfort, a volte anche notevole per il soggetto sottoposto a stimolazione magnetica transcranica, è rappresentato dai twicht motori indotti da tale tecnica, che, essendo soprasoglia induce, quando applicata alla corteccia motoria, una scarica delle popolazioni neuronali sottostanti che si estrinseca in una contrazione muscolare rapida, definita twicht, appunto. Altri svantaggi relativi della stimolazione magnetica, sono rappresentati dal costo superiore delle apparecchiature, dal loro ingombro e dalla dissipazione 20 di potenza. Uno stimolatore elettrico, può essere costruito con dimensioni inferiori ai 10 cm ed è alimentabile a batterie; gli stimolatori magnetici in commercio possono pesare fino a 18 Kg ed ha bisogno di una potenza media di 250 W, in buona parte dissipata in calore. Vantaggi non trascurabili della stimolazione magnetica, invece, derivano dal fatto che essa agisce in assenza di contatto. Infatti la bobina è posta ad una certa distanza dalla cute, e può essere liberamente spostata sopra di essa. Perciò non è necessario preparare la pelle (ad esempio cospargendola) con un gel che migliori il contatto elettrico, come si usa fare con gli elettrodi, né rimuovere i capelli o gli indumenti. Per quanto riguarda, invece, i principali effetti avversi correlati all’utilizzo della tES, questi sono rappresentati da cefalea, sensazione di bruciore, prurito, dolore in corrispondenza della regione cutanea al di sotto dell’elettrodo, ma il loro riscontro è per lo più raro e occasionale o comunque tale da non generare particolari preoccupazioni o rendere necessaria l’attuazione di misure cautelative, anche se non sono ancora disponibili dati definitivi relativi agli effetti collaterali a lungo termine eventualmente associati a tale metodica. Alla luce di queste considerazioni appare chiaro che entrambe le tecniche suddette presentano una serie di vantaggi e svantaggi specifici che ne condizionano l’applicabilità sia in campo sperimentale, sia ancor più in campo clinico. Tuttavia la relativa facilità di utilizzo, la trasportabilità e il minor costo della tES, fanno di questa metodica la più adatta, a nostro parere, per il trattamento, anche domiciliare, delle principali patologie neurodegenerative. Proprio partendo da questo presupposto, per lo svolgimento degli studi esaminati nel presente lavoro di tesi, si è scelto di utilizzare nuovi protocolli di tES con l’intento di porre le premesse per quelle che saranno le possibili future applicazioni di tale metodica in senso prettamente terapeutico. 21 Potenziamento cognitivo Cognitive enhancement: definizione Il potenziamento cognitivo (cognitive enhancement, secondo la letteratura anglosassone) potrebbe essere definito come l’amplificazione o l’estensione delle capacità mentali di base, mediante un miglioramento o un aumento dei sistemi coinvolti nel processamento e nella organizzazione delle informazioni. Nello specifico consisterebbe, quindi, nel potenziamento dei circuiti neurali coinvolti nei processi di acquisizione (percezione), selezione (attenzione), rappresentazione (comprensione) e consolidamento (memoria) dell'informazione, e nell'utilizzo di quest'ultima come determinante dell'output comportamentale. Gli interventi di enhancement cognitivo possono quindi essere diretti a una o più di queste funzioni di base. Interventi di questo tipo, che abbiano come finalità il trattamento di una condizione patologica o di un difetto di un sottosistema cognitivo specifico, vengono definiti come terapeutici; al contrario, con il termine di enhancement vero e proprio, ci si riferisce agli interventi atti ad aumentare la performance di un sottosistema cognitivo in un soggetto sano, in assenza cioè di qualsiasi patologia o disfunzione neuropsichiatrica. Il substrato neurobiologico del potenziamento cognitivo è rappresentato dal concetto di plasticità neurale, secondo cui le connessioni del sistema nervoso si modificano in relazione ad una serie di stimoli ambientali, sia in termini funzionali (variazione delle quantità di neurotrasmettitore rilasciato), sia in termini di struttura (espansione o retrazione delle connessioni). Tali processi rappresentano una caratteristica peculiare del sistema nervoso durante l'età dello sviluppo. Con il passaggio all’età adulta si verifica una notevole riduzione delle potenzialità plastiche dei circuiti nervosi, anche se una serie di studi hanno evidenziato che un’adeguata stimolazione ambientale è in grado di indurre fenomeni di plasticità anche nel cervello adulto. Sono, difatti, emerse sostanziali evidenze che dimostrano come le funzioni cerebrali possano essere modificate e riorganizzate durante tutta la 22 vita di una persona e non soltanto durante la fase di sviluppo cognitivo (Gutchess, 2014). Per tali motivi negli ultimi anni sono stati ampiamente studiati una serie di interventi atti a realizzare tali tipi di potenziamento, quali: il training cognitivo (Klingberg, 2010), l'enhancement farmacologico (ad esempio con il Metilfenidato, MPH) (Repantis et al., 2010) e quelli che sfruttano metodiche di stimolazione cerebrale non invasiva come la TMS e la tES (Hamilton et al., 2011). Dalla neuroriabilitazione al neuroenhancement nel soggetto sano. Sistemi per ottenere un potenziamento cognitivo basati su diverse tipologie di tecniche, potrebbero, apportare benefici per un'ampia varietà di persone. Principalmente per pazienti con disordini di natura neurologica (demenza, malattia di Alzheimer, sclerosi multipla, stroke) o psichiatrica (schizofrenia, depressione maggiore, disordine bipolare), i quali trarrebbero numerosi vantaggi da terapie basate proprio sul concetto di neuroenhancement, in termini sia di riabilitazione sia di riduzione della sintomatologia specifica (Farah et al., 2004.). Secondariamente, anche soggetti anziani, sani con un declino fisiologico delle funzioni cognitive dovuto all'invecchiamento, potrebbero beneficiare di tali tipologie di intervento, rallentando, così, il processo di aging e migliorando contemporaneamente la loro qualità di vita. E infatti risaputo che durante l'invecchiamento si assiste, anche nei soggetti privi di patologie neurologiche di base, ad un progressivo declino delle funzioni cognitive superiori, quali: velocità di processamento delle informazioni, memory (ossia l'insieme dei circuiti neuronali che working provvedono all'immagazzinamento temporaneo e alla prima gestione/manipolazione dell'informazione), funzioni esecutive, ragionamento, memoria a lungo termine (Long-Term Memory, LTM; Park et al., 2002), linguaggio (Schaie, 1994) e memoria implicita (Fleischman et al., 2004). 23 Potenziamento cognitivo e tES: stato dell'arte I recenti sviluppi delle metodiche di neuroimaging e di analisi hanno esteso le nostre conoscenze dei meccanismi neurali che sottendono le funzioni cognitive cerebrali. Il potenziamento delle performance cognitive -a scopo neuroriabilitativo nei soggetti con patologie degenerative ed a scopo di "enhancement" vero e proprio nei soggetti sani- è pertanto diventato il target di primaria importanza delle attuali linee di ricerca, in virtù anche delle potenziali future applicazioni cliniche ad esso correlate. Per questi motivi, il potenziamento delle funzioni cognitive è stato studiato, e lo sarà ancor di più nel prossimo futuro, utilizzando una sempre maggiore varietà di tecniche (Clark and Parasuraman, 2014) Finora due approcci di potenziamento cognitivo sono stati ampiamente studiati e utilizzati nella pratica clinica: il training neuropsicologico e il potenziamento farmacologico. A questi va aggiunto il più recente approccio, basato sulla stimolazione elettrica cerebrale non invasiva, a cui si è già accennato nel capitolo precedente, e su cui si focalizza il presente lavoro di tesi. Partendo dal presupposto che il training cerebrale dipende dall’attivazione ripetuta di uno specifico circuito neurocognitivo, determinato a sua volta da una specifica interazione neurale locale e interregionale, l’idea a sostegno del potenziamento cognitivo mediante tES è quella di potenziare queste dinamiche agendo sul loro substrato neurofisiologico. Ciò ha posto l'attenzione dei ricercatori su una migliore definizione di tali meccanismi, in maniera che questi possano poi essere modulati mediante una stimolazione elettrica che agisca su tali network, inducendo cambiamenti dell’attività neurale in quelle aree e circuiti cerebrali ritenuti responsabili di una determinata funzione cognitiva. L'effetto della tDCS, di cui si è già parlato in precedenza (vedere capitolo 1), si pensa sia mediato dal meccanismo della “polarizzazione di membrana”, cioè da una polarizzazione del tessuto neuronale indotta dall’esterno (attraverso, appunto, correnti applicate sullo scalpo) tale da determinare un conseguente cambiamento della soglia/frequenza di scarica dei neuroni. Questo, tradotto in termini comportamentali, sarebbe associato 24 ad un aumento o decremento, a seconda della tipologia di stimolazione utilizzata (anodale o catodale, rispettivamente) dei livelli di eccitabilità del tessuto cerebrale interessato e ad una corrispondente modulazione della performance cognitiva, di cui tale regione cerebrale è responsabile. La tDCS è stata utilizzata per la modulazione di numerosi domini cognitivi (inclusi la working memory, la memoria a breve e a lungo termine e il linguaggio), e il suo effetto di enhancement cognitivo è ottenuto mediante il posizionamento dell’anodo o del catodo sopra la regione corticale (o il circuito neurale) che deve essere rispettivamente aumentato o diminuito in termini di attività. In ogni caso, recenti evidenze suggeriscono nuovi scenari, in cui l’interazione tra la polarità, la localizzazione e il tempo della stimolazione potrebbero indurre effetti inaspettati, addirittura controintuitivi. Stranamente, diversi studi hanno riportato effetti paradossi, congiuntamente a miglioramenti comportamentali, indotti dalla stimolazione catodale, così come effetti polarità non-specifici nei casi in cui, sia la stimolazione catodale che anodale, sembrino responsabili di una riduzione della performance cognitiva, sottolineando il bisogno di una revisione delle teorie attuali e dei protocolli di tDCS. E’ importante ricordare che la tDCS non dovrebbe essere concepita come una metodica d’intervento singolo, ma piuttosto come uno strumento capace di modulare l’attività in differenti strutture cerebrali, attraverso l’aumento o il decremento della loro eccitabilità, così come attraverso la modificazione del rapporto segnalerumore nelle regioni stimolate. L’effetto specifico è fortemente dipendente da delle variabili quali il montaggio e l’intensità della stimolazione, ma anche da caratteristiche cerebrali intrinseche come la connettività strutturale e la partecipazione delle regioni bersaglio all’interno di specifici circuiti funzionali. Al contrario, la tACS e la tRNS sono in grado di modulare l’oscillazione intrinseca dei circuiti cerebrali attraverso un “entrainment” frequenzaspecifico (tACS) o tramite risonanza stocastica (tRNS), a cui consegue un aumento o decremento dell’ampiezza e della fase di determinati ritmi cerebrali. Studi preliminari mostrano risultati positivi per tali tipologie innovative di tES, nei domini sensori-motorio, visivo e cognitivo, e suggeriscono che, queste metodiche più recenti, potrebbero fornire un 25 approccio flessibile per studiare direttamente gli effetti delle oscillazioni neurali sul comportamento. Una caratteristica cruciale, relativamente al potenziale della tACS, è che questa può essere programmata per incrementare ritmi neurali specifici, andando a modulare pattern oscillatori cruciali per la normale funzionalità cerebrale. I trattamenti farmacologici tradizionali e anche gli altri tipi di intervento, così come la tDCS e le altre forme di NIBS, non sono in grado di modulare esclusivamente questi ritmi, il che potrebbe essere problematico perché questi sembrano essere di fondamentale importanza per il corretto funzionamento delle facoltà cognitive. In ogni caso siamo ancora abbastanza lontani da una comprensione approfondita di come i complessi ritmi cerebrali si estrinsechino nei processi cognitivi negli individui sani, e come questi processi risultino compromessi in individui con malattie di interesse neuropsichiatrico. Inoltre abbiamo bisogno di una maggiore conoscenza di come ottenere la migliore stimolazione della regione bersaglio, così che questa porti vantaggi a livello della connettività intrinseca cerebrale. Quindi un certo numero di importanti passi in avanti sono richiesti per valutare la reale efficacia della tACS in questo ambito, incluso lo sviluppo di modelli computazionali di attività cerebrale, di algoritmi di stimolazione cerebrale e di strumenti hardware che possano specificatamente modulare questi ritmi, a tal punto da modificare l’aspetto cognitivo. Ciò nondimeno, la tACS è stata applicata per il potenziamento della working memory e della intelligenza fluida, così come per la modulazione dell’attenzione e della risposta motoria, mentre la tRNS ha mostrato dei promettenti effetti di potenziamento sulla working memory, sulle capacità computazionali e su differenti aspetti del processo di apprendimento. 26 La figura 1 (Santernecchi et al., Current Opinion in Behavioral Sciences, 2015), riassume gli effetti della tES sui vari domini cognitivi, in base agli studi attualmente disponibili. Fig.1 tDCS e potenziamento cognitivo: un’istantanea della letteratura attualmente disponibile. (A) Proporzione degli studi in cui sono state prese in esame differenti funzioni cognitive e aventi come target differenti regioni cerebrali di interesse (la grandezza dei cerchi sulla superficie cerebrale rappresenta la percentuale degli studi che coinvolgono la stimolazione delle regioni messe in evidenza). (B) Funzioni cognitive e siti di stimolazione maggiormente studiati: le percentuali evidenziano cambiamenti nell’accuratezza e/o nei tempi di reazione per la tDCS anodale e catodale. Le barre del diagramma a lato, si riferiscono alla percentuale degli studi che riportano un aumento/decremento dell’accuratezza/tempo di reazione in riferimento al numero totale di studi in cui è stata applicata una tDCS anodale o catodale (tra parentesi), indipendentemente dalla/e funzione/i studiate. (C) Panoramica degli studi che hanno testato l’effetto di una tDCS online e offline: viene riportato il corrispondente effetto medio in termini di accuratezza e tempi di reazione e la proporzione delle sessioni, singole o multiple. Nota: il posizionamento degli elettrodi fa riferimento al sistema EEG internazionale. WM=working memory; STM=short-term memory; LTM=long-term memory; ACC=accuracy; RT=reaction time; a-tDCS=anodal tDCS; c-tDCS=cathodal tDCS. 27 Direzioni future: vantaggi e svantaggi dell'enhancement con tES Alla luce di quanto affermato nel paragrafo precedente, le varie metodiche di tES prese in esame rappresentano alcuni tra i più promettenti approcci nell’ambito del neuroenhancement: diversamente dagli altri tipi di interventi presi singolarmente, i quali agiscono in maniera indiretta sui pattern di attività cerebrale, la tES permette una più specifica stimolazione delle regioni cerebrali responsabili dei processi cognitivi sopra considerati. Le diverse tipologie di montaggio e la messa a punto di differenti protocolli di stimolazione, permetteranno probabilmente la modulazione dei pattern di co-attivazione, di quei circuiti funzionali responsabili di una determinato processo cognitivo. Considerando, quindi, il suo precoce stadio di sviluppo, la tES potrebbe rappresentare il migliore strumento per il potenziamento cognitivo non invasivo nell’uomo, sia da solo, sia insieme ad altri tipi di interventi. Nonostante queste incoraggianti premesse, mancano dati definitivi relativi alla capacità della tES di modulare in maniera riproducibile le regioni sottocorticali, sia mediante il targeting diretto (ottenuto attraverso specifici montaggi, risultanti in correnti che raggiungono il loro effetto massimale sulle strutture sottostanti il mantello corticale) sia mediante il targeting indiretto (influenzando i pattern di connettività cortico-sottocorticale). Molte questioni rimangono inesplorate, incluso come questi effetti possano presentarsi, se essi possano essere limitati o modificati dalle capacità o dalle riserve cognitive individuali, congiuntamente all'influenza di altri fattori stato-correlati e individuo-correlati. Diversi studi, difatti, hanno sottolineato l’importanza di prendere in considerazione, come possibili fattori capaci di influenzare l'efficacia della stimolazione, specifiche caratteristiche individuali quali: il sesso, l’età, il livello di istruzione, lo stato di salute generale e determinati polimorfismi genetici; così come il grado di sazietà, la quantità e la qualità del sonno, l’umore nonché alcuni fattori metabolici e ormonali. Inoltre è stato dimostrato che, gli effetti di una singola sessione di tES possono ridursi in risposta a una preparazione cognitiva o comportamentale, oppure condurre a un aumento o a un decremento della 28 risposta comportamentale e elettrofisiologica a causa delle caratteristiche individuali suddette. Ai fini della nostra trattazione sono stati presi in considerazione studi di neuroenhancement che applicano esclusivamente metodiche di tES. Tuttavia, esistono importanti evidenze sperimentali che affermano che, dalla combinazione della tES con altri tipi di interventi quali ad esempio il training cognitivo o agenti farmacologici, si ottengono risultati massimali in termini di potenziamento cognitivo. Per questo motivo si sta assistendo ad un aumento del numero degli studi che prevedono l'applicazione della tES insieme a training cognitivo e/o motorio in sessioni multiple, per più giorni consecutivi. Infatti, combinando allenamento cognitivo e stimolazione elettrica è stato provato che è possibile ottenere effetti ben più ampi rispetto al training da solo. Considerati i differenti meccanismi che stanno dietro agli approcci di stimolazione, questi tipi di studi potrebbero anche risultare utili, indirettamente, nel fornire nuove conoscenze riguardo i meccanismi neurofisiologici che sottendono i processi cognitivi, attribuendo una ulteriore validità alla applicazione della tES per lo studio delle facoltà cognitive nell'uomo. Infine, l’impatto sul cervello di sessioni di tES ripetute non è ancora stato totalmente chiarito, insieme agli, ancora non del tutto caratterizzati, effetti plasticità-correlati a lungo termine, che permangono, cioè, dopo settimane o mesi di stimolazione (a cui ci si riferisce con il termine di after effects), i quali potrebbero rappresentare il maggior vantaggio di questa metodica in termini sia neuroriabilitativi e terapeutici, sia in termini di enhancement puro. Studi futuri dovrebbero approfondire le nostre conoscenze su tali effetti a lungo termine, prendendo anche in considerazione gli aspetti relativi alla sicurezza e alla riproducibilità di tali metodiche. 29 Origini e storia delle varie tecniche di stimolazione elettrica transcranica (tES) Il presente paragrafo ha come scopo quello di presentare una sorta di breve review, il più accurata ed esauriente possibile, delle origini e dell’evoluzione della tES, sia in relazione alla terminologia che al dosaggio, dagli inizi del ‘900, quando vennero sviluppate le prime tecniche di stimolazione elettrica transcranica, ad oggi. Infatti, benché si sia assistito ad una ripresa di interesse nei confronti di questa metodica a partire dalla seconda metà degli anni ‘90, la tES moderna si è sviluppata in maniera incrementale attraverso la rielaborazione e la revisione di approcci e tecniche già conosciute, che affondano le loro radici all’inizio del secolo scorso e che sono andate incontro a una serie di modifiche e cambiamenti, nell’arco del ‘900, relativi alla loro nomenclatura, dosaggio, razionale e applicazione clinica. Prima di iniziare tale trattazione è necessario spiegare brevemente il significato del termine dose/dosaggio quando applicato a tali tipi di tecniche: nonostante, infatti, questo venga storicamente utilizzato con un’accezione e all’interno di un contesto differente (perlopiù in relazione a terapie farmacologiche), nell’ambito di questa review ci atteniamo alla seguente definizione (Peterchev et al., 2012), secondo cui il dosaggio della tES è definito dai parametri degli elettrodi (inclusi numero, posizione, forma e composizione) e da tutte le caratteristiche dell’onda di stimolazione usata (inclusi intensità e forma d’onda in generale e quando rilevante il tipo di impulso, l’ampiezza, la durata dell’impulso, la polarità, la frequenza di ripetizione, la durata dell’intervallo compreso tra la scarica dei treni d’impulsi, l’intervallo compreso tra le sessioni di stimolazione e il numero totale di sessioni). Per cui ogniqualvolta verrà menzionato il termine dose/dosaggio di tES bisognerà considerare quanto detto sopra. 30 Introduzione e inquadramento storico generale. Agli inizi del ‘900 gli sforzi di una parte della comunità scientifica si sono concentrati sullo studio degli effetti della stimolazione elettrica sul cervello attraverso un approccio transcranico, e sulle possibili applicazioni cliniche da essa derivate. I primi studi in questo ambito furono ovviamente condotti con finalità e intenti diversi da quelli odierni, ma si assistette, a quel tempo, al parallelo sviluppo di una serie di metodiche, aventi finalità completamente differenti tra di loro, ma che condividevano l’utilizzo di questa tipologia di approccio sperimentale, che possono essere a buon diritto considerate come prototipi delle varie tecniche di stimolazione sviluppate successivamente le quali, a loro volta, andando incontro a ulteriori modificazioni incrementali in termini di approccio, razionale e dosaggio, hanno portato allo sviluppo delle tecniche di stimolazione contemporanee e più moderne, attualmente utilizzate. La storia della stimolazione elettrica transcranica si sviluppa in 5 fasi successive, le quali possono essere suddivise schematicamente come segue: 1. Dai primi studi sull’ Electrosleep (ES) da cui sono poi derivate la Cranial Electro-stimulation Therapy (CET), la Transcerebral Electrotherapy (TCET) e la Neuroeletric Therapy (NET), fino alla più recente Cranial Eletrical Stimulation (CES). 2. L’ Electroanesthesia (EA) che ha suscitato notevole interesse durante i primi decenni del ‘900 e che, come poi meglio vedremo, è stata prima abbandonata e poi ripresa e modificata in seguito allo sviluppo di nuove tipologie d’onde di stimolazione che hanno, a loro volta portato allo sviluppo di nuove metodiche, quali la Stimolazione Elettrica Cranica Transcutanea (TCES), la tecnica con corrente Limoge, e la Stimolazione Interferenziale. 3. L’Electroconvulsive Therapy (ECT), conosciuta anche con il termine di Electroshock 4. La Polarizing o Direct Current Stimulation la cui introduzione, nell’ambito delle tecniche di stimolazione elettrica transcranica, ha 31 portato allo sviluppo della più recente transcranial Direct Current Stimulation (tDCS). 5. E infine la transcranial Alternating Current Stimulation (tACS) e la transcranial Random Noise Stimulation (tRNS), che rappresentano gli approcci più moderni e più intensamente studiati e utilizzati oggigiorno. La figura 2, (B. Guleyupoglu et al. / Journal of Neuroscience Methods 2013), riassume schematicamente i punti chiave che hanno segnato la storia della tES dalle sue origini ad oggi 32 Fig. 2. Nella tabella vengono evidenziati i punti chiave della storia dell’ES/EA dal 1902 al 2011 e la loro relazione con la stimolazione a DC. Viene anche presentata una breve storia della stimolazione a DC. Le altre metodiche di stimolazione transcranica vengono menzionate per completezza storica, mentre quelle non craniche sono riportate per le loro connessioni con l’ES/EA. Le frecce evidenziano i momenti storici più rilevanti, mentre le linee viola orizzontali indicano le applicazioni della DC nelle diverse tipologie di stimolazioni nel corso degli anni. Dall’ Electrosleep alla Cranial Electrotherapy Stimulation. Con il termine di Electrosleep (ES) ci si riferisce a un metodo di stimolazione elettrica transcranica, basato sull’utilizzo di correnti a basso voltaggio applicate sullo scalpo, al fine di indurre uno stato di profonda rilassatezza o di incoscienza, simile al sonno. I primi studi relativi a questa tecnica risalgono al 1902 in Russia (Robinovitch, 1914; Gilula e Kirsch, 2005), ma soltanto 12 anni più tardi (nel 1914) verrà pubblicato, da Robinovitch, uno dei pionieri della tES, il primo report clinico sull’ES, il quale dimostrava l’efficacia di tale tecnica per il trattamento dell’insonnia, che divenne, quindi, la principale indicazione clinica di tale metodica. Gli studi relativi all’ES continuarono per un certo periodo in Russia, ma un maggiore interesse da parte della comunità scientifica internazionale, nei confronti di questa nuova metodica di stimolazione elettrica, si ebbe più tardivamente e fu soltanto nel 1953 che l’ES venne finalmente introdotto e utilizzato nella pratica clinica in Europa. Durante questo periodo furono apportate una serie di modifiche, che condussero a un ulteriore sviluppo degli approcci di ES, soprattutto in relazione al dosaggio, in particolare riguardo al posizionamento degli elettrodi. Il dosaggio tradizionalmente utilizzato per l’ES consisteva, infatti, nel posizionamento di due elettrodi attivi al di sopra di ciascun occhio e in un elettrodo di ritorno sulla mastoide, con un’onda caratterizzata da impulsi monofasici di 100 Hz, con una intensità di corrente compresa tra i 2 e i 25 mA. La durata dell’impulso era compresa tra 0,3 e 0,6 ms e la sessione di stimolazione aveva una durata variabile tra i 20 e i 60 minuti. 33 Successivamente si pensò di applicare gli elettrodi di stimolazione non direttamente sugli occhi, ma intorno ad essi (lateralmente), arrecando così minor discomfort al paziente, presumibilmente attraverso una “…riduzione dell’irritazione del nervo ottico” (Brown,1975; Obrosow, 1959), garantendo comunque una adeguata stimolazione elettrica delle strutture cerebrali profonde. Nel 1957 si tentò di utilizzare, per la prima volta, un tipo di onda di stimolazione a corrente diretta (Direct Current, DC) all’interno di uno studio sperimentale sull’ES, ma i risultati non furono per nulla soddisfacenti e tale approccio venne temporaneamente abbandonato. Nel 1963 si assistette ad un aumento dell’utilizzo dell’ES negli USA. Tre anni dopo si tenne a Graz, in Austria, il primo simposio sull’ES e sulla Electroanesthesia (descritta più avanti). Durante tale conferenza si giunse alla conclusione che, lo stato di sonno indotto dall’ES, fosse soltanto un effetto indiretto, derivante dal generale stato di rilassatezza indotto dalla stimolazione, piuttosto che l’effetto principale di tale metodica e che ve ne potessero essere altri ancora non completamente indagati, ma che avrebbero potuto portare a nuove possibili applicazioni terapeutiche. Di conseguenza il nome della tecnica venne cambiato da ES a Cranial Electrostimulation Therapy (CET). Questo fu soltanto il primo dei numerosi cambiamenti di nome dell’ES durante i decenni successivi, spesso associati anche a rilevanti cambiamenti del dosaggio: si passò, ad esempio, all’utilizzo di onde pulsate a frequenze di 30-100 Hz, con una durata dell’impulso di 1-2 ms, e si assistette a una riduzione dell’intensità di corrente che fu portata a 0,1-0,5 mA. Nel 1969 venne proposto e adottato da alcuni autori, il nome alternativo di Transcerebral Electrotherapy (TCET) ma con questa nuova nomenclatura la dose per la TCET, rispetto a quella della CET, non venne cambiata né in relazione al posizionamento degli elettrodi né in relazione alla tipologia dell’onda. Nel 1972 una nuova tecnica di ES, chiamata NeuroEletric Therapy (NET), fu sviluppata in Inghilterra. Questa prevedeva, invece, un cambiamento rilevante del dosaggio utilizzato: infatti nella NET ( e poi anche nella CES, di cui diremo più avanti), il numero degli elettrodi venne ridotto da 3 a 2 e 34 questi cominciarono a essere posizionati in prossimità delle orecchie del soggetto, in maniera variabile a seconda dei casi, in accordo con la teoria secondo cui questa nuova disposizione degli elettrodi induceva una migliore stimolazione elettrica delle strutture cerebrali profonde. Le onde usate nella NET, e anche in altre tecniche successive di CES, consistevano in onde con frequenze comprese tra gli 0,5 e i 100 Hz, con intensità di corrente bassissime, fino a 600 microA, per periodi di 20 minuti. Infine, nel 1977 l’ES e tutte le tecniche ad esso correlate vennero esaminate dalla FDA e nel 1978 il nome di tali metodiche venne cambiato in quello definitivo a ancora oggi utilizzato di Cranial Electrotherapy Stimulation (CES). La CES venne quindi definitivamente approvata come dispositivo di terza classe per il trattamento di Ansia, Insonnia e Depressione, che rappresentano ancora oggi le principali indicazioni cliniche di tale metodica. Dall’Electroanesthesia alla corrente Limoge e altri metodi correlati. Con il termine di Electroanesthesia (EA) ci si riferisce a una tecnica utilizzata, agli inizi del ‘900, per indurre uno stato anestetico nel soggetto, usando una stimolazione elettrica transcranica ad alte frequenze. Gli studi sull’EA cominciarono nel 1903 in Russia, ma all’inizio ci si riferiva a questa metodica con il nome di Elettronarcosi (EN). I ricercatori russi, infatti, usavano il termine di EA per quei metodi di stimolazione elettrica in grado di determinare un’ anestesia locale, mentre il termine di EN si riferiva a quelle metodiche che inducevano un’ anestesia generale. In ogni caso nel tempo si perse questa distinzione e si cominciò a utilizzare in maniera univoca il termine EA per riferirsi anche all’induzione di uno stato anestetico generale, mediante applicazione di correnti elettriche sullo scalpo. Uno studio sull’EA, tra i primi ad essere pubblicato, svolto nel 1914 da Leduc, da molti considerato il padre di questo nuovo approccio, affermò il successo di tale tecnica durante alcuni interventi chirurgici maggiori. 35 Successivamente l’EA entrò di diritto nella pratica clinica e rimase una delle principali procedure anestesiologiche utilizzate negli anni ’20 del ‘900. Il dosaggio tradizionale dell’EA prevedeva l’applicazione di 4 elettrodi disposti a coppie di 2 su ciascuna tempia o in corrispondenza delle aree frontali e occipitali bilateralmente. Comunque c’erano anche altre varianti di posizionamento degli elettrodi: ad esempio si poteva disporre un elettrodo di ritorno sulla mano del soggetto. Inoltre vennero studiati e valutati ampi range di frequenze e di intensità di corrente. Contemporaneamente, però, a causa sia delle preoccupazioni relative alla sua sicurezza e tollerabilità (principalmente per le alte frequenze e per le intensità di corrente elevate, necessarie per l’induzione dello stato anestetico), sia per lo sviluppo dei primi farmaci anestetici, si assistette a un sempre minor interesse e a una sempre minore applicazione clinica di tale metodica. Sul finire degli anni ’30 del secolo scorso, l’EA venne rivalutata e nuovamente presa in considerazione, soprattutto per quanto riguardava la sua associazione (previe modificazioni dell’intensità di corrente utilizzata, che venne ridotta) con i più recenti farmaci anestetici. Poco dopo la ricerca sembrò fondamentalmente arrestarsi di nuovo, presumibilmente a causa della comparsa di gravi effetti collaterali: per esempio fu riscontrato un aumento del rischio di arresto cardiaco, arresto respiratorio e apoplessia, quando l’EA veniva associata ai farmaci, rispetto all’utilizzo dei farmaci da soli. Pertanto la pratica della EA venne abbandonata una seconda volta. Ciononostante, nel 1957 alcuni ricercatori dell’ Unione Sovietica tentarono di aggiungere una componente di DC, di approssimativamente 40 mA di voltaggio, alle correnti utilizzate da Leduc, ma questi studi ebbero come risultato una ulteriore serie di fallimenti, dovuti ai numerosi effetti collaterali riscontrati in fase sperimentale. Una terza ondata di ricerca sull’EA iniziò dopo che uno studio era stato pubblicato nel 1960, proponendo un nuovo approccio di EA per ridurre gli effetti collaterali: “…una combinazione di correnti diretta e pulsata…il lento aumento dei livelli di corrente…e…l’utilizzo di un generatore che minimizzava i cambiamenti della impedenza degli elettrodi risultante dalla polarizzazione” (Smith et al., 1966). 36 Ripresero così le ricerche sul dosaggio ottimale di EA e il termine Transcutaneous Cranial Electrical Stimulation (TCES) venne adottato intorno al 1960. Nel 1963 vennero svolti degli studi aventi lo scopo di “potenziare alcuni effetti farmacologici, in particolare degli oppiacei e dei neurolettici, durante le procedure cliniche anestetiche…con l’obiettivo di ottenere una riduzione drastica dell’uso di agenti anestetici farmacologici e ridurre così le complicanze post-operatorie ad essi correlate” (Limoge et al., 1999). Si iniziarono così a studiare diverse condizioni di stimolazione, con cambiamenti relativi soprattutto al dosaggio: la TCES infatti prevedeva l’utilizzo di soli 3 elettrodi, invece dei 4 usati normalmente nella EA; gli elettrodi, inoltre, erano posizionati, uno tra le sopracciglia e, i due elettrodi di ritorno, nella regione della mastoide. La stimolazione TCES consisteva in treni di impulsi intermittenti, ON/OFF, a diverse frequenze: quelli ad alta frequenza erano ON per 3-4 ms, a una frequenza di 130-167 kHz e OFF per periodi di 8 ms; mentre quelli a bassa frequenza erano di circa 77-100 Hz e le onde utilizzate di 200-350 mA di intensità. Nel 1963 Aimè Limoge modificò il dosaggio della TCES, introducendo delle correnti intermittenti a frequenze ancora più basse, e denominò questa nuova tipologia di dosaggio, corrente Limoge. Nel 1964 uno studio affermò che le correnti pulsate fossero più efficaci rispetto alle correnti dirette per l’induzione dello stato anestetico. Nel 1965, venne proposto da alcuni scienziati russi una nuovo approccio di EA, la Interferential Stimulation (IS). L’IS consisteva nel disporre due paia di elettrodi con un’onda di stimolazione sinusoidale a frequenze leggermente differenti tra di loro. L’intento di questo approccio era che, attraverso la pulsazione ad alte frequenze si sarebbe creata una frequenza più bassa, nel punto in cui le due onde si intersecavano, determinando una nuova tipologia di stimolazione elettrica che permetteva l’utilizzo combinato di alte e basse frequenze e ciò era clinicamente desiderato, poiché basse frequenze si presupponeva fossero molto più efficaci nell’indurre l’EA mentre le alte frequenze erano invece correlate a una maggiore tollerabilità per il soggetto (per esempio riducevano il dolore cutaneo, la sensazione di pizzicore sullo scalpo, etc). 37 La TCES, con le sue varianti di dosaggio suddette, è stata utilizzata, per diversi anni nella chirurgia cardiaca, toracica, addominale e urologica, per ridurre le dosi degli agenti farmacologici necessari all’induzione dello stato anestetico (specialmente degli oppiacei) e per mantenere un più lungo stato di analgesia post-operatoria. Nonostante anche alcuni approcci più moderni di tES trovino applicazione nel trattamento di un ampio range di disturbi algici acuti e del dolore postoperatorio, il target clinico della moderna tES è diverso da quello della EA/TCES, ed è rappresentato tipicamente dal trattamento del dolore cronico e quindi si focalizza principalmente sugli effetti a lungo termine della stimolazione. Fermo restando ciò, è innegabile che l’evoluzione e lo sviluppo delle varie tecniche di EA/TCES, soprattutto per quanto riguarda le diverse tipologie di dosaggio utilizzate nel corso dei decenni, abbiano rappresentato il punto di partenza per lo studio e la messa a punto di alcuni aspetti fondamentali delle più moderne tecniche di tES. Electroconvulsive Therapy L’Electroconvulsive Therapy (ECT), nota anche con il termine di Electroshock Therapy (EST), è una tecnica terapeutica basata sull'induzione di convulsioni nel paziente, successivamente al passaggio di una corrente elettrica attraverso il cervello. Sviluppata inizialmente nel 1933 da due neurologi italiani, Ugo Cerletti e Lucio Bini, la ECT usava impulsi ripetitivi ad alta intensità per scatenare delle crisi epilettiche, considerate terapeutiche, nel contesto di determinate patologie neuropsichiatriche. Cerletti arrivò a utilizzare l'elettroshock terapeutico sull'uomo in conseguenza degli esperimenti da lui condotti sugli animali, circa le conseguenze neurologiche di ripetute crisi epilettiche. All' Università di Genova e successivamente all' Università di Roma, usò dispositivi elettroconvulsivi per provocare attacchi epilettici ripetibili e controllabili su cani e altri animali. L'idea di utilizzare l’ ECT su pazienti neuropsichiatrici 38 gli venne dopo aver osservato alcuni maiali che venivano anestetizzati con una scarica elettrica prima di essere condotti al macello. L'approccio era basato sulle ricerche effettuate dal premio Nobel, Julius Wagner-Jauregg, sull'uso di convulsioni indotte dalla malaria per la cura di alcuni disturbi nervosi e mentali - come la demenza paralitica causata dalla sifilide - nonché sulle teorie sviluppate da Ladislas Meduna, secondo il quale la schizofrenia e l'epilessia erano disturbi antagonisti. Cerletti usò per la prima volta la terapia elettroconvulsiva nell'Aprile del 1938, in collaborazione con Lucio Bini, su un paziente con sintomi di delirio, allucinazione e confusione. Una serie di elettroshock terapeutici permisero al paziente di tornare a uno stato mentale di normalità e di riprendere il suo lavoro. Conseguentemente, negli anni successivi, Cerletti e i suoi collaboratori effettuarono regolarmente gli elettroshock terapeutici, sia su animali sia su pazienti neuropsichiatrici, valutando l'affidabilità della terapia e la sua sicurezza e utilità nella pratica clinica, soprattutto per il trattamento della psicosi maniaco-depressiva, e dei casi più gravi di depressione. Il suo lavoro e le sue ricerche ebbero un'influenza notevole, e l'uso di tale terapia si diffuse velocemente in tutto il mondo. Il dosaggio tradizionale dell’ECT, prevedeva l’utilizzo di onde ad alta intensità, di circa 800 mA con treni (a corrente alternata o a scarica pulsata) della durata di 1-6 s per ciclo. Gli elettrodi sono posti unilateralmente o bilateralmente sul cranio e l’intensità di corrente è tipicamente aumentata, attraverso la variazione del numero di impulsi per treno, della durata dell’impulso, o dell’intensità di corrente, fino a quando si scatena la crisi convulsiva. Nel 1976, l’ECT venne approvato dalla FDA per il trattamento della depressione. Dal quel momento l’uso dell’ECT è stato altalenante. Negli anni ’50 e ’60 con lo sviluppo di nuove e più efficaci terapie farmacologiche per il trattamento di malattie psichiatriche e a causa della preoccupazione per gli eventi avversi correlati a questa tecnica, l’utilizzo dell’ ECT negli USA è diminuito. L’ ECT è stato usato tuttavia utilizzato per il trattamento di una grande varietà di disordini psichiatrici, in particolare: depressione (unipolare o 39 bipolare), schizofrenia, stati maniacali bipolari e misti, catatonia e disordini schizoaffettivi. In ogni caso, recentemente, si è assistito a una ripresa d’interesse nei confronti dell’ECT e del suo utilizzo; è stato stimato che l’uso dell’ECT negli USA è destinato a oltre 100,000 individui i quali ricevono questo trattamento annualmente. Nella pratica clinica, l’ECT è attualmente preso in considerazione dopo il fallimento di una o più terapie antidepressive, nel caso in cui queste siano inapplicabili, o quando vi sia bisogno di una rapida e definitiva risposta (ad esempio nei casi con tendenze suicide). I moderni sforzi di ridefinizione del dosaggio si sono concentrati sul minimizzare la perdita di memoria (uno degli effetti collaterali più importanti correlati al trattamento) per esempio attraverso una stimolazione focalizzata dell’emisfero non dominante (approccio unilaterale) evitando il passaggio della corrente attraverso le aree cerebrali deputate alla memoria e all’apprendimento, anche se tale approccio sembrerebbe essere meno efficace di quello tradizionale (con elettrodi applicati bilateralmente alle tempie). Tecniche di stimolazione con Corrente diretta (DC): la transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) La transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) è una metodica di stimolazione elettrica cerebrale non-invasiva, che prevede l’utilizzo di correnti dirette a basso voltaggio, ossia di correnti elettriche caratterizzate da un flusso di intensità e direzioni costanti nel tempo. Tale tipo di tecnica è da considerarsi piuttosto recente rispetto agli approcci di stimolazione elettrica visti sopra e, anche se furono fatti diversi tentativi di applicazione di correnti dirette a metodiche quali l’ES e l’EA, che classicamente prevedevano l’utilizzo di correnti alternate o di correnti pulsate, queste non sortirono gli effetti desiderati e non furono più utilizzate per queste tipologie di approcci. Nel 1964, Redfern e Lippold cominciarono a studiare approcci che prevedevano l’utilizzo di correnti dirette pure, per il trattamento di malattie 40 neuropsichiatriche, partendo dalle evidenze di alcuni studi condotti sugli animali, i quali dimostravano che una stimolazione elettrica a DC prolungata poteva produrre cambiamenti a lungo termine della eccitabilità corticale. Questi studi preliminari sugli effetti della stimolazione a DC, gettarono le basi per tutte le scoperte che vennero fatte a cavallo tra fine anni ’90 e primi anni 2000 che, nel complesso, portarono allo sviluppo della moderna tDCS. Nel 1998 si assistette a un vero e proprio revival relativo allo studio degli effetti a lungo termine e delle possibili applicazioni di una tecnica basata su questa tipologia di onde di stimolazione. Priori e collaboratori cominciarono in quell’anno a studiare le basi neurofisiologiche della neuromodulazione determinata dalla tDCS. Poco dopo, partendo dalle ricerche di Priori, Nitsche e Paulus (che sono da considerarsi come i principali studiosi di tale approccio) fu stabilito che la tDCS poteva produrre cambiamenti a lungo termine, e polarità specifici, dell’ eccitabilità corticale. Essi infatti sottolinearono, in maniera inequivocabile, che la tDCS altera la frequenza di scarica dei neuroni, e tale alterazione è direttamente dipendente dalla polarizzazione della corrente, nello specifico: “la tDCS catodica riduce la frequenza spontanea di scarica dei neuroni, mentre la tDCS anodica ha un effetto opposto. L’attività neurale aumenta quando il polo positivo (anodo) è collocato vicino al corpo cellulare ed ai dendriti e diminuisce quando il campo è opposto. In accordo a questo, sono stati osservati nell’uomo effetti neurofisiologici simili. Infatti la polarizzazione catodica applicata sulla corteccia motoria può indurre una robusta riduzione dell’eccitabilità corticale, mentre la polarizzazione anodica aumenta l’eccitabilità della corteccia motoria” (Nitsche and Paulus, 2000). “Gli effetti a breve termine della tDCS sono probabilmente indotti da un cambiamento nella polarizzazione della membrana neurale: depolarizzazione (anodica) o iperpolarizzazione (catodica)” (Liebetanz et al., 2002). Questi cambiamenti durano anche dopo la fine della stimolazione per periodi che variano da minuti a ore, a seconda dei parametri di stimolazione utilizzati (es., intensità e durata). La tDCS è quindi in grado di modificare le prestazioni dei soggetti in numerosi compiti cognitivi. 41 Queste scoperte furono seguite da studi clinici pilota per indicazioni quali depressione, dolore, epilessia, e per un vasto range di disordini neuropsichiatrici. La principale applicazione clinica della tDCS oggi è rappresentata dalla riabilitazione cognitiva nell’ambito di numerosi disordini neurologici, inclusi dolore cronico, epilessia, malattia di Parkinson, deficit motori, deficit di attenzione visuo-spaziale e afasia in pazienti con stroke. Inoltre, grazie alla relativa sicurezza di tale metodica, questa viene attualmente largamente utilizzata in ambito sperimentale e di ricerca, su soggetti sani, per studiare e meglio definire le basi neurofisiologiche e gli effetti della neuromodulazione, che sottendono i cambiamenti delle performance cognitivo-comportamentali osservati. In relazione al dosaggio utilizzato, la tDCS prevede l’applicazione di deboli correnti elettriche (~1-2 mA) direttamente sulla testa, per diversi minuti (~530 minuti). La corrente è erogata grazie all’applicazione di due elettrodi posizionati sullo scalpo, attraverso uno stimolatore di corrente alimentato a batterie. Convenzionalmente vengono utilizzati due elettrodi, uno dei quali posizionato sopra la regione “target” e l’altro in un qualsiasi punto dello scalpo (spesso in corrispondenza della regione sopraorbitale contro laterale) o, anche se meno frequentemente, in posizione extra-cranica, in un altro punto qualsiasi del corpo. Approcci contemporanei: la transcranial Alternating Current Stimulation (tACS), e la transcranial Random Noise Stimulation (tRNS). Due tipi di approcci contemporanei di tES sono la transcranial Alternating Current Stimulation (tACS) e la transcranial Random Noise Stimulation (tRNS). Sia la tACS che la tRNS utilizzano correnti relativamente a bassa intensità e sono state ampiamente studiate per i loro possibili effetti terapeutici. Per quanto riguarda la tACS, questa consiste in una tecnica di stimolazione che prevede l’utilizzo di corrente alternata (AC), ossia di un’ onda caratterizzata dall’alternarsi di pulsazioni positive e pulsazioni negative. 42 Con questa tecnica, sviluppata nel 2006, è possibile applicare sulla corteccia una corrente che oscilla ad una determinata frequenza, per indurre una sincronizzazione (entrainment) neurale (Kanai et al., 2008). La tACS può dunque essere uno strumento in grado di interagire con le oscillazioni corticali inducendo un entrainment delle frequenze stesse contribuendo quindi ad una migliore comprensione delle comunicazioni corticali nei processi cognitivi. Il dosaggio tradizionale della tACS è rappresentato da onde sinusoidali a frequenze che vanno dai 10 ai 40 Hz con delle intensità di corrente comprese tra 0,4 e 1 mA. Più recentemente si è assistito ad un entusiasmante interesse nei confronti di un nuovo metodo di stimolazione elettrica, la tRNS (transcranial random noise stimulation). La tRNS consiste nell’applicazione sulla corteccia di una corrente alternata a frequenze random che variano tra 0,1 e 640 Hz. Terney et al. (2008) ha dimostrato che la tRNS ad alta frequenza (101-640 Hz) induce, sulla corteccia motoria, una modulazione positiva dell’eccitabilità corticale. Un risultato simile è stato trovato da Fertonani et al. (2011) durante l’esecuzione di un compito di apprendimento percettivo visivo, nel quale la tRNS ad alta frequenza migliorava la prestazione più delle altre tecniche [tRNS a bassa frequenza (0,1-100 Hz), tDCS anodica e catodica]. Gli autori suggeriscono che il meccanismo attraverso il quale la tRNS migliora la prestazione potrebbe essere basato sulla stimolazione ripetuta a frequenza random, che può prevenire l’omeostasi del sistema e potenziare l’attività neurale correlata a un determinato compito cognitivo- comportamentale. Questi risultati sottolineano il grande potenziale di questa nuova tecnica che, insieme alla tACS, potrebbe aprire nuovi orizzonti in ambito sperimentale e portare a nuove prospettive terapeutiche. 43 Fig.3 Tecniche di tES. Gli approcci attuali includono (A) la stimolazione a corrente diretta (tDCS), la stimolazione a corrente alternata (tACS), e la stimolazione random noise (tRNS). Mentre la tDCS è pensata per influenzare la frequenza di scarica neuronale mediante la polarizzazione del potenziale di membrana in maniera bimodale, la tACS si è dimostrata in grado di sovra e sottoregolare la frequenza di scarica senza indurre cambiamenti del suo valore medio, seppur influenzando il timing di scarica neuronale. La tACS genera una corrente alternata a specifiche frequenze, avente la capacità di sincronizzare o desincronizzare l’attività neuronale compresa tra regioni cerebrali target. Secondo le più recenti teorie, le popolazioni neuronali comunicherebbero mediante oscillazioni temporalmente accoppiate, quindi le potenzialità della tACS possono essere sfruttate per sviluppare interventi individualizzati finalizzati all’accoppiamento o al disaccoppiamento dell’attività oscillatoria di specifiche regioni cerebrali. Al contrario, la tRNS consiste nell’applicazione di correnti alternate a frequenze random. Grazie a queste oscillazioni caratteristiche, a differenza della corrente diretta, la tRNS è polaritàindipendente (ossia né anodale né catodale). La tRNS ad alta frequenza (da 100Hz a 640 Hz) si è dimostrata capace di ottenere una più potente modulazione dell’eccitabilità corticale rispetto alla tDCS anodale, inducendo degli effetti a lungo termine ancora più duraturi. (B) Crescita esponenziale della tES. La ricerca in letteratura è stata svolta sul database Medline; I parametri di ricerca sono stati "repetitive Transcranial Magnetic Stimulation", "transcranial Direct Current Stimulation", "transcranial Alternate Current Stimulation", "transcranial Random Noise Stimulation" e I loro acronimi (rTMS, tDCS, tACS, tRNS). 44 PARTE SPERIMENTALE METODICHE NEUROFISIOLOGICHE E DI NEURO-IMAGING Elettroencefalografia (EEG) L’EEG consiste nella registrazione, attraverso lo scalpo integro, dell’attività elettrica spontanea della corteccia cerebrale. Negli esami di routine sono applicati 20 elettrodi metallici a distanze regolari sul cuoio capelluto, secondo lo schema 10-20, rispetto a quattro punti di repere: nasion, inion, punti preauricolari. Le differenze di potenziale tra coppie di elettrodi (derivazioni bipolari) o tra un elettrodo attivo riferito a un elettrodo indifferente (derivazioni monopolari) vengono amplificate in contemporanea da degli amplificatori. Essendo le oscillazioni di potenziale di origine cerebrale di piccola ampiezza (decine di microvolt) molte attività fisiologiche (come contrazioni muscolari e movimenti oculari) e anche esterne possono interferire con la registrazione elettroencefalografica creando artefatti. I potenziali amplificati possono essere registrati su carta, e quindi parleremo di EEG analogico, o su supporto elettromagnetico per l’EEG digitale, oggi metodica preferita. L’EEG è generato dalla corteccia cerebrale, in particolar modo il massimo contributo è dato dai neuroni piramidali. Gli eventi elettrici registrati non sono rappresentati dai potenziali d’azione ma dai potenziali post sinaptici (ricordiamo che ne esistono due tipi: quelli eccitatori o EPSP e quelli inibitori o IPSP). Essi sono generati a livello del soma o dei dendriti, sono eventi graduati piuttosto lenti e suscettibili di sommazione sia spaziale che temporale. Dato che le cellule piramidali sono disposte perpendicolarmente alla superficie corticale, solo i segnali elettrici di queste ultime possono sommarsi e generare vettori dipolari, consentendo la registrazione superficiale. La negatività superficiale si ottiene quando un EPSP che si forma in corrispondenza dei dendriti apicali delle cellule piramidali, (dove si avrà 45 un’abbondanza di sinapsi eccitatorie), da vita a un flusso di corrente diretto verso il soma cellulare, per cui la porzione periferica del dipolo del neurone piramidale diviene negativa (più vicina all’elettrodo registrante). Si visualizza ancora la negatività superficiale quando un IPSP si forma a livello del corpo cellulare. La positività invece si registra quando si generano IPSP sui dendriti apicali o per EPSP sul corpo cellulare. L’EEG normale è caratterizzato da una marcata variabilità in conseguenza della condizione fisiologica del soggetto, in particolare della sua età e vigilanza. Nell’adulto in stato di veglia, la caratteristica principale del tracciato è l’attività alfa, costituita da un ritmo compreso tra 8 e 12 Hz, molto evidente sulle regioni parieto-occipitali, soprattutto se il soggetto mantiene gli occhi chiusi. È fisiologica anche la presenza di ritmi beta, più rapidi (tra 13 e i 25 Hz) di minore ampiezza sulle regioni frontali e centrali, e di brevi sequenze più lente (theta, da 4 a 7 Hz) nelle regioni frontali laterali e temporali. Vista l’enorme variabilità interindividuale nell’espressione di questi ritmi, si definisce EEG normale un tracciato provo di elementi patologici (attività critica ed epilettiforme, anomalie lente, anomalie d’ampiezza, quadri periodici, deviazioni dalla norma di pattern normali). L’EEG è uno strumento insostituibile nello studio dell’epilessia e delle encefalopatie diffuse, ormai di limitata utilità invece nello studio delle lesioni cerebrali strutturali la cui diagnosi è resa pressoché immediata dalle moderne tecniche di neuroimaging.1 Risonanza magnetica funzionale (fMRI) La risonanza magnetica funzionale è una metodica che, nell’ambito delle tecniche di risonanza, utilizza il segnale BOLD per mappare le aree cerebrali che si attivano mentre il soggetto svolge un compito motorio, linguistico, cognitivo oppure mentre è in condizioni di totale risposo mentale e fisico (resting-state fMRI). Nel momento in cui sono reclutate (e quindi attivate) aree cerebrali specifiche per l’esecuzione di alcuni compiti, cambia in esse il rapporto fra 1 Il Bergamini di Neurologia, R. Mutani, Edizioni Libreria Cortina, Torino 2012. 46 la quantità di ossiemoglobina rispetto a quella di deossiemoglobina; il segnale BOLD specificatamente si basa sulla quantità di deossiemoglobina che ha proprietà paramagnetiche e che, dopo la ricostruzione delle immagini, permetterà la visualizzazione delle aree attivate. Nella pratica clinica essa è utilizzata nella valutazione prechirurgica per pazienti con tumori cerebrali (per mappare le aree del linguaggio o sensitivo-motorie), nei pazienti con epilessia temporale farmaco-resistente (per mappare le funzioni mnesiche e linguistiche).2 In ambito di ricerca, la fMRI permette di valutare le attivazioni task correlate in pazienti con patologie neurologiche o in soggetti sani per approfondire le conoscenze sul funzionamento delle diverse aree cerebrali e per gli studi sulla plasticità cerebrale conseguente ad una lesione di varia natura. Infine, può anche essere utilizzata come marcatore biologico per follow-up di soggetti con patologie degenerative. Il motivo per cui i nostri soggetti sono stati sottoposti ad uno studio funzionale prima della seduta di stimolazione elettrica riguarda però l’aspetto di resting-state: la fMRI ci permette infatti di rilevare le fluttuazioni a bassa frequenza del segnale BOLD dell’encefalo durante lo stato di riposo fisico e mentale (il soggetto rimane completamente immobile durante la scansione, con occhi aperti senza dover effettuare alcun compito cognitivo). Dall’analisi dei dati resting-state si risale alla sincronia delle fluttuazioni delle varie aree cerebrali, che si realizza tra aree che appartengono ad un network comune (sensomotorio, linguistico…). 3 Il nostro scopo è di cercare una correlazione tra il resting-state del soggetto e la sua risposta alla stimolazione elettrica, in altre parole la ricerca di possibili pattern oscillatori di attivazione (substrati fisiologici quindi) capaci di giustificare un maggiore o minore incremento nella performance quando somministriamo dall’esterno una corrente elettrica. 2 3 http://www.neurochirurgia-udine.it/news/malattie.php?id=22 Il Bergamini di Neurologia, R. Mutani, Edizioni Libreria Cortina, Torino 2012. 47 RAZIONALE ED OBIETTIVI "Neuromodulazione della memoria" Come mostrato in Figura 4, i modelli più recenti relativi alle abilità di memoria riconoscono l'importanza di due classi di oscillazioni cerebrali in particolare: i ritmi Theta a circa 6Hz (i quali possono fondersi con ritmi alfa a circa 10Hz) e le oscillazioni veloci in banda Gamma, la quale spazia dai 35Hz ai 90 HZ. Modelli matematici ed elettrofisiologici, verificati recentemente con indagini invasive nel ratto, dimostrano come la capacità umana di ricordare in media sette cifre (o lettere) sia insita nella combinazione matematica delle suddette attività oscillatorie in banda Theta (6Hz) e Gamma-basso (nello specifico 40Hz). Il numero di cifre che un individuo è in grado di ricordare risulta essere rappresentato dal numero di oscillazioni a ritmo Gamma presenti in una oscillazione Theta (Figura 4, ~6.7 cicli possibili). Partendo da tale modello, è possibile ipotizzare che, una modifica (endogena o esogena) di tali oscillazioni, possa indurre un alterazione delle abilità mnesiche individuali e pertanto modificare i risultati ottenibili ad un test per la valutazione della memoria. Pertanto, il presente studio ha testato l'ipotesi che l'induzione di ritmi oscillatori a frequenze specifiche (Theta e Gamma) potesse modificare in modo transitorio la performance di memoria spontanea in un gruppo di soggetti sani. Tale studio ha una finalità conoscitiva ma, in caso i risultati fossero positivi, potrà avere un elevato valore in ambito riabilitativo, specialmente in quadri patologici di demenza. Memoria Forward e Backward: ipotesi di stimolazione Come spiegato in dettaglio nei paragrafi seguenti, i soggetti arruolati nello studio sono stati, quindi, sottoposti a stimolazione elettrica a corrente alternata a frequenze specifiche (6Hz, 40Hz, placebo), oltre ad esser stati valutati attraverso indagini elettrofisiologiche (elettroencefalografia), di neuroimaging (risonanza magnetica funzionale, fMRI) e cognitive 48 (valutazione neuropsicologica estesa a tutte le funzioni cognitive). Nelle diverse condizioni sperimentali (quindi durante la stimolazione elettrica), i soggetti hanno svolto due compiti di memoria volti a misurare la loro capacità di ricordare una serie di numeri random e di lunghezza variabile (da 5 a 9 numeri), ripetendoli quindi una volta nell'ordine nel quale gli sono stati presentati (5...4...3...8...9 = 5...4...3...8...9) e successivamente alla rovescia (6...3...2...7...5...4 = 4...5...7...2...3...6). Queste due modalità di memorizzazione sono state adottate in quanto elicitano due differenti pattern oscillatori cerebrali e con una localizzazione anatomica diversa (diverso coinvolgimento del lobo parietale e prefrontale, quest'ultimo sede della stimolazione tACS). Variando la frequenza di stimolazione e il tipo di task adottato, ma stimolando la stessa area, l'ipotesi sperimentale è che soltanto una delle due funzioni mnesiche (Forward/Backward) benefici della stimolazione tACS, la quale dovrebbe mostrare effetti benefici solo per la stimolazione in Theta oppure Gamma, e con pattern opposti per i task di memoria Forward e Backward. Fig. 4 Correlati neurali delle capacità mnesiche nell'uomo. Oscillazioni in banda Theta e Gamma sembrano responsabili della variabilità individuale dei livelli di memoria a breve termine. Tale variabilità sembra spiegabile in relazione al rapporto tra le suddette oscillazioni, suggerendo come la tES possa rivelarsi una metodica di impatto per la 49 modulazione dei ritmi oscillatori e quindi della capacità di memoria, sia in soggetti sani sia in ambito patologico. MATERIALI E METODI Partecipanti Sono stati reclutati 20 giovani volontari che non presentavano malattie neurologiche o pregressi episodi neurologici (età media: 19, 27; 8 femmine e 12 maschi) a cui sono stati somministrati questionari per la valutazione del mancinismo, del cronotipo, anamnestici e psicologici (attualmente in fase di elaborazione). Tutti i soggetti hanno letto e firmato un consenso informato in cui veniva esplicitata la procedura sperimentale, gli strumenti utilizzati e gli eventuali effetti collaterali. MRI Tutti i volontari che non presentavano controindicazioni ad un esame MRI, come prima fase sperimentale sono stati sottoposti ad un esteso esame neuroradiologico con 1.5 Tesla Philips Intera Scanner (Philips Medical Systems, Best, the Netherlands). Ai fini del nostro studio sono state effettuate queste sequenze: 1) 1 scansione T1-weighted fast field echo (FFE) 1-mm-spessore per immagini assiali dell’intero cervello (TE = 4.6 ms, TR = 30.00 ms, flip angle = 30.00, FOV = 250 mm, matrix 256 9 256, slice number = 150): 2) 1 scansione Diffusion Tensor Imaging 3) 2 sequenze fMRI BOLD acquisite in condizioni di riposo assoluto (TR/TE 2500 40 ms1, 200 scans, 23interleaved slices, 1-mm gap). Ai pazienti era chiesto di tenere gli occhi aperti e non svolgere alcun compito cognitivo. 50 Assessment neurocognitivo Prima di procedere con la parte sperimentale di stimolazione elettrica, i partecipanti hanno svolto otto tipologie di task cognitivi che ci hanno permesso di caratterizzare e definire le loro funzioni esecutive di base. I task erano effettuati in un’unica seduta presso il laboratorio di stimolazione magnetica delle Scotte su laptop Dell (grazie al programma Eprime 2.0); le istruzioni erano visualizzate sullo schermo prima dell’inizio di ogni task, sono state fornite cuffie isolanti per tutta la durata della prova (Husqvarna). In ordine ogni soggetto ha eseguito i seguenti test per la valutazione delle relative funzioni: 1) Global/Local task: permette di valutare l’attenzione del soggetto (somministrando stimoli interferenti con il compito richiesto) e nel dettaglio, la global precedence (la precedence fa riferimento al livello di processamento in cui è diretta principalmente l’attenzione, in questo caso a livello globale); 2) Matrici di Raven avanzate: indicatori dell’intelligenza fluida (Gf), in altre parole la capacità di ragionamento logico indipendente dalle conoscenze e competenze acquisite nel corso della vita, (si contrappone all’intelligenza cristallizzata, rappresentata dalla capacità di utilizzare conoscenze, competenze, nozioni acquisite per risolvere problemi); 3) Go-no go task: questo task permette la valutazione della capacità d’inibizione del soggetto di fronte ad un tipo particolare di stimolo presentato, essa fa parte delle sei funzioni esecutive superiori; 4) Digit span task: test che valuta la working memory verbale, definita come la capacità di immagazzinare temporaneamente informazioni verbali che l’encefalo può elaborare per risolvere un problema o eseguire un determinato compito; 5) Pop task: che permette la valutazione della capacità di switching del soggetto (funzione esecutiva anch’essa), definita come la capacità di modificare le proprie azioni in relazioni ad uno stimolo precedente; 51 6) Visual search: è un task per identificare la capacità del soggetto di dirigere l’attenzione verso un determinato obiettivo tralasciando i distrattori presenti nel contesto; 7) Change detection: permette di valutare la visual working memory, la capacità di esclusivamente immagazzinare presenti nel temporaneamente campo visivo per stimoli elaborarli successivamente, è complementare alla verbal working memory; 8) TIB (test breve d’intelligenza): permette di valutare l’intelligenza generale (fornendo un valore di Quoziente Intellettivo rapportato al sesso, all’età del soggetto e alla sua scolarità) grazie alla sua correlazione con le abilità di lettura. Per ogni test è stato estrapolato il tempo medio di reazione e l’accuratezza. Assessment genetico Ai fini della caratterizzazione completa dei partecipanti, è stata eseguita anche un’indagine sui polimorfismi genetici implicati nei meccanismi di plasticità neuronale. Attraverso un brushing con spatola effettuato nel cavo orale si è raccolto il materiale genetico necessario a poter effettuare un’analisi di alcuni genotipi di molecole che potrebbero giustificare le diverse risposte ai tipi di stimolazione elettrica. Il principale polimorfismo genetico oggetto di studio è quello del BDNF (brain-derived neurotrophic factor) che regola numerosi aspetti della dinamica cellulare, in particolar modo la sopravvivenza, la proliferazione, la crescita sinaptica nel sistema nervoso centrale e che, è stato dimostrato, modula il fenomeno del LTP e LTD dipendente dai recettori NMDA. 52 Seduta di Stimolazione elettrica Ciascuna seduta sperimentale si e' contraddistinta per l'utilizzo dei seguenti strumenti: -Cuffia EEG, -2 elettrodi adesivi -Neurostimolatore elettrico STARSTIM -Cuffie isolanti -Gel per elettrodi -Siringa -Alcol etilico denaturato -Cotone -Bastoncini cotonati -Metro -2 computer -Software STARSTIM (Nic Software) -Software E-Prime Per quanto riguarda la procedura sperimentale, dopo aver fatto accomodare il soggetto alla sua postazione, si procede con l'applicazione della cuffia EEG, la quale va posizionata tenendo conto di determinati punti di repere standard: si prende come riferimento la derivazione CZ la quale deve trovarsi a metà della linea ideale che va dall'apice della piramide nasale all'occipite in senso antero-posteriore, e da trago a trago in senso laterolaterale. Per effettuare tali misurazioni si ricorre all'utilizzo di un metro. Successivamente si esegue una pulitura con alcol dello scalpo in corrispondenza delle derivazioni che saranno poi oggetto di studio. Nello specifico: 3 derivazioni nell'area occipito-parietale di destra (P4; PO8; P8) e 4 derivazioni nell'area fronto-temporale di sinistra (FC1; FC5; F3; AF3) (Figura 5 e 6). 53 Fig. 5 Regioni stimolate. Sono qui rappresentate le aree stimolate con tACS, identificate attraverso un processo di modeling del campo elettrico indotto. L'area target corrisponde alla corteccia dorsolaterale prefrontale, regione implicata in numerosi processi cognitivi di ordine superiore (memoria, ragionamento logico, etc.). La regione di controllo e' stata scelta per la poca o nulla rilevanza di tale area nel processamento di stimoli durante compiti di memoria. Tale area e' stata stimolata per consentire il passaggio della corrente elettrica attraverso due poli, altrimenti impossibile utilizzando un solo elettrodo. Per limitare l'impatto del secondo elettrodo, e' pratica consolidata posizionarlo in aree non importanti per il task di interesse. 54 Fig. 6 Posizionamento degli elettrodi EEG e tempi di registrazione EEG. Dopo aver segnato con un pennarello sulla fronte del soggetto una piccola linea orizzontale, utile per un più rapido posizionamento della cuffia, si procede alla rimozione della stessa e all'inserimento degli elettrodi in corrispondenza delle 7 derivazioni suddette. Si ricolloca poi la cuffia ricontrollandone rapidamente il corretto posizionamento e si procede 55 all'applicazione, mediante una siringa corta dalla punta ricurva, dell'apposito gel per elettrodi. Si procede con il montaggio del neurostimolatore STARSTIM (Figura 7), il quale è costituito da un corpo principale connesso ad 8 canali di colore nero, che vanno raccordati con gli elettrodi, più 2 di colore grigio (CMS; DRL) che vanno invece collegati a degli elettrodi adesivi (analoghi a quelli utilizzati per le registrazioni ECG). Questi rappresentano gli elettrodi di riferimento, il cui corretto posizionamento è cruciale per l'ottenimento di un buon segnale EEG e quindi per una adeguata raccolta dati. Tali elettrodi vanno applicati direttamente sulla cute del paziente (previa pulitura della stessa con alcol) e rispettivamente: CMS va applicato dietro l'orecchio destro del soggetto, in corrispondenza della mastoide; DRL poco al di sotto del primo. E' importante che i due elettrodi non siano in contatto, altrimenti potrebbero generare delle interferenze di segnale. Una volta terminato il montaggio del dispositivo, rispettando quanto detto sopra, si procede all'accensione dello stesso. Fig. 7 Neurostimolatore Starstim; A:cuffia, B:stimolatore wireless, C:elettrodi per registrazione di EEG, D:elettrodi per la registrazione di EEG e stimolazione (quelli usati), E: elettrodi per una stimolazione cerebrale meno focale. 56 Il neurostimolatore è dotato di una connessione bluetooth, per cui una volta acceso viene immediatamente rilevato dal computer su cui è installato l’apposito software. Una volta avviato il programma, bisogna per prima cosa assicurarsi di ottenere un buon segnale EEG. Questo è reso possibile innanzitutto dalla visione diretta delle derivazioni prese in esame, la cui morfologia d'onda è già di per se abbastanza indicativa della qualità del segnale; inoltre accanto a ogni derivazione sono presenti degli indicatori il cui colore ci dà informazioni relative alla conduttanza degli elettrodi (verdesegnale ottimo, giallo-segnale intermedio, rosso-segnale pessimo). Nel caso di un segnale di scarsa qualità è mandatorio provvedere al suo miglioramento attraverso una serie di semplici manovre: ruotare e premere leggermente gli elettrodi o eventualmente applicare altro gel al di sotto di essi. Già queste banali accortezze permettono, nella maggior parte dei casi di ottenere un segnale adeguato alla raccolta dati. Nella maggior parte dei casi comunque sono sufficienti appena 5 minuti per ottenere un segnale EEG ottimale. Successivamente bisogna procedere col caricamento del corretto template di stimolazione elettrica e soprattutto è necessario verificare l'impedenza degli elettrodi di stimolazione e di ritorno ( che variano a seconda del tipo di template utilizzato). Si va quindi sul pannello stimulation ( che permette di gestire tutti i parametri della stimolazione) e si avvia il check premendo l'apposito tasto. Anche in questo caso eventuali problemi di impedenza vengono risolti dalle stesse manovre utilizzate per l'ottimizzazione del segnale EEG. Nella maggior parte dei casi è comunque sufficiente applicare altro gel. Per una buona riuscita dell'esperimento e per una raccolta dati ottimale questi due parametri (qualità del segnale EEG e impedenza degli elettrodi di stimolazione e di ritorno) devono essere ricontrollati ed eventualmente migliorati, prima di ogni nuova acquisizione dati. Prima di iniziare l'esperimento si chiede al soggetto di compilare un questionario preliminare in cui vengono richieste una serie di informazioni che possono influire sulla prova di memoria. 57 Blocchi Sperimentali L’esperimento è costituito da 6 blocchi ciascuno dei quali prevede una diversa modalità di stimolazione elettrica, durante la quale verrà chiesto ai soggetti di eseguire un task specifico. Dal momento che il task è abbastanza lungo e impegnativo abbiamo ritenuto opportuno suddividere l’esperimento in due sedute da 3 blocchi ciascuna. Durante la prima seduta, dopo aver fatto sentire ai soggetti una stimolazione elettrica di prova della durata di qualche minuto, si comincia con il primo blocco, che per tutti i soggetti indistintamente, è costituito dalla condizione di BASELINE con registrazione EEG. Si parte con un primo task di RT (Reaction-Time) delle durata di qualche minuto, che viene eseguito prima di ciascun blocco e che dà essenzialmente informazioni relative allo stato di concentrazione del soggetto prima di iniziare il test vero e proprio. Si procede poi con l’esecuzione del task di memoria registrando l’EEG del soggetto per tutta la durata dello stesso. Durante il task di memoria verrà chiesto al soggetto di memorizzare delle serie numeriche random, variabili da 5 a 9 cifre, in cui ciascun numero viene dato singolarmente sullo schermo. Al termine della sequenza, indicata da un beep percepibile nelle cuffie isolanti che il soggetto dovrà tenere per tutta la durata dell’esperimento, verrà indicato al soggetto un numero singolo in rosso e verrà chiesto se questo era presente o meno nella serie numerica appena terminata; subito dopo dovrà essere digitata l’intera serie numerica. Il task si articola in due sezioni successive: nella prima parte le serie numeriche dovranno essere memorizzate dal primo all’ultimo numero; nella seconda parte, invece, dall’ultimo al primo. Al termine di ciascuno dei due blocchi verrà chiesto al soggetto di scrivere la strategia di memorizzazione usata in quella determinata sequenza. La condizione BASELINE è una condizione preliminare indispensabile atta a valutare la risposta, in condizioni basali, del soggetto al test e quindi viene effettuata senza stimolazione elettrica, procedendo alla registrazione EEG del soggetto per tutta la durata della prova. Per una migliore interpretazione dei risultati è stato aggiunto al programma di registrazione EEG una 58 modifica che permette di inserire sul tracciato dei marker ogni qualvolta il soggetto digiti una cifra sulla tastiera per poterne mappare la corrispondente attivita' cerebrale. Terminata la BASELINE si iniziano i blocchi con le condizioni di stimolazione, le quali vengono eseguite in maniera randomizzata in ciascun soggetto. Le condizioni sono: tACS a 40Hz (Gamma), 6 Hz (Theta) e Sham (Placebo). Inoltre, per controllare se anche l'interazione tra le due oscillazioni in banda theta e gamma non potesse risultare benefica per il procesamento mnesico, due condizioni aggiuntive sono state inserite (CFC e CFC2), nelle quali le due stimolazioni a 6Hz e 40Hz sono state sommate assieme ottenendo una forma d'onda complessa che potrebbe "mimare" l'interazione fisiologica osservabile nel cervello umano durante registrazioni EEG. Gli altri blocchi sono così articolati: 1. Si fa eseguire al soggetto il task di RT 2. Si avvia il template specifico per la data condizione di stimolazione 3. Si registra l’EEG prima del task per 5 minuti 4. Partita la stimolazione si attende un minuto 5. Si fa eseguire il task di memoria 6. Si registra l’EEG per altri 5 minuti dopo il task Al termine di ciascuna seduta si chiede al soggetto se presenta uno degli effetti collaterali connessi alla stimolazione elettrica procedendo eventualmente alla compilazione dell’apposito questionario, qualora fossero presenti. 59 ANALISI STATISTICA L'analisi statistica è stata condotta attraverso modelli lineari generalizzati (GLM) per la valutazione di ipotesi di interazione tra i fattori relativi alla tipologia di stimolazione utilizzata (fattore “STIMOLAZIONE”) e l'ordine dei blocchi sperimentali (“ORDINE”). Il modello utilizzato ha previsto un’analisi multivariata della covarianza (Multivariate ANCOVA = MANCOVA) a misure ripetute (Repeated Measures = RP-MANCOVA), con una soglia di significatività statistica pari a 0.05 (p.value) e correzione per confronti multipli attraverso il metodo Bonferroni (p.<0.05). Qualora valori di MAIN Effect o Interazione tra fattori fossero risultati significativi, il confronto post-hoc per coppie di condizioni è stato verificato applicando la correzione per confronti multipli di Bonferroni (p.<0.05). I valori analizzati sono stati: (i) il numero (e la corrispondente % rispetto al numero di liste totale) di liste correttamente ripetute, sia come indice globale sia per liste di lunghezza specifica (es. accuratezza per liste di 5 cifre o 8 cifre); (ii) numero di cifre ricordate in posizione esatta nonostante la sequenza completa non sia stata correttamente ripetuta; (iii) numero di cifre ripetute anche in ordine sparso ma facenti parte di una lista sperimentale; (iv) tempi di risposta per ciascuna cifra ripetuta nel contesto di ognuno dei tre indici appena citati; (v) accuratezza nel ricordarsi almeno il numero di elementi che componevano ciascuna sequenza; (vi) strategie di risoluzione del task per ogni prova risolta (es. ricordarsi i numeri sommandoli a coppie). Covariate. Le analisi sono state condotte includendo le variabili Sesso, Età, Scolarità e altre variabili derivate dalla valutazione neuropsicologica come covariate, ottenendo quindi una stima netta delle differenze nelle varie condizioni che non fossero inficiate da differenze interindividuali già presenti prima dell'esperimento. 60 RISULTATI Le analisi hanno mostrato effetti significativi in relazione al numero di cifre ricordate ad ogni prova, tuttavia con effetti opposti per la stimolazione effettuata durante la rievocazione di liste nell'ordine corretto (FORWARD) ed alla rovescia (BACKWARD). In entrambi i casi la stimolazione piu' efficace eè stata la tACS a 40Hz. Di seguito i risultati per la rievocazione Forward e Backward. Span di memoria FORWARD (Memoria a breve termine). La stimolazione a corrente alternata ha mostrato un incremento significativo della capacità di memoria dei soggetti testati quando sottoposti a stimolazione in banda Gamma (40HZ), con un aumento significativo del numero di numeri ricordati [F(5,19) = 19.18, p<0.001, corretto per confronti multipli di Bonferroni] (Figura 8). Quasi a sottolineare un effetto generalizzato della stimolazione Reale rispetto alla condizione Sham (Placebo), anche le altre condizioni tACS hanno prodotto lievi e non significativi aumenti della performance di memoria, a sottolineare la possibilità che la stimolazione. anche in frequenze non di rilievo per la memoria, produca comunque una sorta di "attivazione" nei soggetti testati. Span di memoria BACKWARD (Working Memory). Anche in questo caso è stato osservato un incremento significativo della capacità di memoria dei soggetti sottoposti a stimolazione in banda Gamma (40HZ), tuttavia l'effetto si è rivelato peggiorativo nel caso delle liste ripetute alla rovescia [F(5,19) = 13.48, p<0.001, corretto per confronti multipli di Bonferroni] (Figura 9). Anche in questo caso, nonostante l'effetto visibile di tACS a 40Hz, le altre condizioni tES hanno prodotto un non significativo aumento delle abilità di memoria generalizzato. 61 Fig. 8 Percentuale di accuratezza nel ripetere le liste di numeri. I 20 soggetti testati hanno riportato un aumento del numero di cifre ripetute correttamente nello stesso ordine nel quale le avevano visualizzate, con un effetto significativo rilevato durante la stimolazione in banda Gamma (40Hz) rispetto alla stimolazione Sham. Anche le altre condizioni di stimolazione hanno prodotto un lieve e non significativo aumento dei livelli di memoria, ad indicare un possibile effetto Arousal generalizzato. Da notare come nessuna delle condizioni di controllo abbia prodotto effetti di modulazione statisticamente significativi, suggerendo ancora limiti per la combinazione di due ritmi oscillatori nell'ambito della stimolazione elettrica transcranica. 62 Fig. 9 Percentuale di accuratezza nel ripetere al contrario le liste di numeri. A differenza di quanto visto in figura 1, le percentuali di accuratezza rilevate durante la ripetizione delle liste di parole al contrario (indice di working memory), hanno mostrato un decremento significato sempre per la condizione tACS a 40Hz, in banda Gamma. In modo opposto alla condizione Forward, questa condizione di stimolazione ha probabilmente interferito con il processing mnesico portando ad un peggioramento della performance. Effetto tACS sulle oscillazioni spontanee L'analisi dei tracciati EEG registrati prima e dopo ciascun blocco di stimolazione ha mostrato un aumento della potenza spettrale (misurata in uV) misurata a livello dei singoli elettrodi posti in prossimità o in corrispondenza della sede di stimolazione tACS. Tali effetti, come riportato precedentemente in letteratura, sono visibili limitatamente alla banda di frequenza corrispondente alla stimolazione effettuata (es. aumento in banda Theta dopo stimolazione tACS a 6Hz), ad eccezione delle stimolazioni di tipo CFC e CFC2 le quali non sembrano indurre effetti significati a livello 63 encefalografico. Tale aumento può essere ricondotto ad un focale incremento della sincronizzazione di scarica tra le popolazioni neuronali coinvolte nei processi cognitivi elicitati dal task. DISCUSSIONE I risultati del nostro studio dimostrano come sia effettivamente possibile aumentare la capacità di memoria in soggetti sani attraverso la somministrazione di una stimolazione a basso voltaggio e minima invasività, applicata sullo scalpo senza alcun intervento di natura chirurgica, come nel caso della Deep Brain Stimulation. Benchè preliminari, i risultati ottenuti suggeriscono prospettive promettenti per l'applicazione di protocolli tACS in soggetti sani e per, eventualmente, il successivo approdo in ambito patologico. Alcuni elementi vanno, tuttavia, considerati. Anzitutto, le capacità di memoria, sia a lungo sia a breve termine, sono da sempre considerate patrimonio di ciascun individuo e come tali un tratto fenotipico difficilmente modificabile, anche rimanendo all'interno del funzionamento sano. L'effetto descritto nel presente lavoro di tesi si riferisce ad un aumento delle abilità di memoria ottenuto con una singola stimolazione transcranica, applicata durante il task di memoria e mai sperimentata prima dai soggetti partecipanti all'esperimento. Se replicato ed esteso, il dato potrà essere eventualmente rafforzato nell'ambito di sedute ripetute, con potenziali effetti a lungo termine che si protraggano anche nelle ore o giorni successivi alla seduta sperimentale. Inoltre, è importante considerare come anche i ritmi oscillatori spontanei siano considerati un tratto individuale stabile e resistente alle perturbazioni esterne. I dati ottenuti suggeriscono tuttavia un effetto della tACS sui ritmi EEG dei partecipanti allo studio, con aumenti della potenza e/o coerenza spettrale nelle bande di stimolazione. Considerato come patologie quali la demenza di Alzheimer, la schizofrenia e la depressione maggiore siano 64 fortemente caratterizzate da alterazioni dei ritmi oscillatori spontanei in bande -e con localizzazioni- specifiche, approcci di intervento per la modulazione di tali ritmi (anche senza effetti comportamentali in task cognitivi specifici) rappresentano un possibile sviluppo futuro delle metodiche tES, anche in accoppiamento con la terapia farmacologica. In secondo luogo, il risultato relativo all'effetto duplice della stimolazione in banda gamma (40Hz) suggerisce una dissociazione tra il ruolo delle oscillazioni cerebrali in tale frequenza e le capacità di memoria. E' possibile che il ruolo delle oscillazioni veloci (gamma) nella corteccia prefrontale di sinistra sia limitato al processamento di stimoli ed alla loro rievocazione solo durante i task Forward, legati maggiormente alla memoria a breve termine. Di converso, un aumento delle oscillazioni gamma nella stessa regione ma durante compiti Backward sembra indurre effetti opposti, suggerendo che altre oscillazioni siano predominanti nella corteccia prefrontale durante tali processi. Inoltre, la caratterizzazione dei partecipanti con metodiche elettrofisiologiche (EEG), di neuroimaging (MRI), neurocognitive (task cognitivi) e genetiche, ha permesso di osservare una certa variabilità interindividuale rispetto al tipo di stimolazione somministrata, suggerendo che questi fattori possano essere considerati come predittori della risposta a una determinata tipologia di stimolazione, in un soggetto rispetto ad un altro. Queste prime evidenze, che necessitano di conferma in studi successivi, sembrano indicare la possibilità di suddividere i soggetti in Responders e NonResponders sulla base del profilo cognitivo ed elettrofisiologico. Le informazioni ottenute potranno quindi essere eventualmente utilizzate per la caratterizzazione di pazienti affetti da patologie di natura neurologica e psichiatrica, al fine di individuare piani di trattamento tES individualizzati. 65 CONCLUSIONI I presenti risultati suggeriscono che è possibile interagire, in maniera non invasiva, mediante la somministrazione di stimoli elettrici a bassa intensità, con le funzioni cognitive di base, modulando ed, eventualmente, aumentando, l'output comportamentale e ed elettrofisologico. Tali tipi di evidenze possono essere considerate, quindi, come il necessario preambolo a future applicazioni cliniche in senso terapeutico, in soggetti affetti da malattie neurodegenerative, come pure per la prevenzione del fisiologico declino cognitivo nell'anziano. Dall’altro lato si staglia il quesito etico del possibile utilizzo di tali metodiche di neuroenhancement anche nella popolazione sana, semplicemente per incrementare il rendimento cognitivo, cosa che effettivamente negli U.S.A. sta prendendo piede grazie alla fruibilità sul mercato globale di stimolatori a basso costo ed all’assenza di una regolamentazione internazionale per la loro vendita e l’utilizzo. Comunque sia, le enormi possibilità che si prospettano nell’utilizzo di queste nuove metodiche con le più disparate applicazioni, non deve essere un freno nel continuare a cercare di creare nuovi protocolli che aiutino i pazienti nel recupero delle proprie funzioni originarie o semplicemente che aiutino l’uomo nella sua quotidianità. 66 BIBLIOGRAFIA Rowe, G., Hirsh, J. B., Anderson, A. K. (2007). "Positive affect increases the breadth of attentional selection." Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104(1): 383-388. Lang N, S. H., Ward NS, Lee L, Nitsche MA, Paulus W, Rothwell JC, Lemon RN, Frackowiak RS (2005). "How does transcranial DC stimulation of the primary motor cortex alter regional neuronal activity in the human brain?" European Journal of Neuroscience 22(2): 495-504. Keeser D, M. T., Bor J, Palm U, Pogarell O, Mulert C, Brunelin J, Möller HJ, Reiser M, Padberg F. (2011). "Prefrontal transcranial direct current stimulation changes connectivity of resting-state networks during fMRI." The Journal of Neuroscience 31(43): 15284-15293. Bindman LJ, L. O., Redfearn JW (1962). "Long-lasting changes in the level of the electrical activity of the cerebral cortex produced bypolarizing currents." Nature 196: 584-585. Purpura DP, M. J. (1965). "Intracellular activities and evoked potential changes during polarization of motor cortex." Journal of Neurophysiology 28: 166-185. Radman T, D. A., Ramos RL, Brumberg JC, Bikson M. (2009). "Onedimensional representation of a neuron in a uniform electric field." Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. Fritsch, J. R., K. Martinowich, H. M. Schambra, Y. Ji, L. G. Cohen, and B. Lu (2010). "Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: Potential implications for motor learning." Neuron 66: 198-204. 67 D. Liebetanz, M. A. N., F. Tergau, and W. Paulus (2002). "Pharmacological approach to the mechanisms of transcranial DC-stimulation-induced aftereffects of human motor cortex excitability." Brain 125: 2238-2247. Nitsche, C. J. S. a. M. A. (2011). "Physiological basis of transcranial directcurrent stimulation." Neuroscientist 17: 37-53. A. Moriwaki, Y. H., Y. Hayashi, Y. F. Lu, N. Islam, Y. Hori (1994). "Repeated application of anodal direct current produces regional dominance in histamine-elicited cyclicAMP accumulation in rabbit cerebral cortex." Acta Med Okayama 48: 323-326 N. Islam, A. M., and Y. Hori (1995). "Co-localization of c-fos protein and protein kinase C gamma in the rat brain following anodal polarization." Indian Journal of Physiology and Pharmacology 39: 209-215. N. Islam, M. A., A. Moriwaki, Y. Hattori, and Y. Hori (1995). "Increase in the calcium level following anodal polarization in the rat brain." Brain Research 684: 206-208. G Batsikadze, V. M., W Paulus, M-F Kuo, M A Nitsche (2013). "Partially non-linear stimulation intensity-dependent effects of direct current stimulation on motor cortex excitability in humans." The Journal of Physiology 591: 1987-2000 D. Reato, A. R., M. Bikson, L. C. Parra (2010). "Low-Intensity Electrical Stimulation Affects Network Dynamics by Modulating Population Rate and Spike Timing." The Journal of Neuroscience 30(45): 15067-15079. Caroline Di Bernardi Luft, E. P., Michael J. Banissy, Joydeep Bhattacharya (2014). "Best of both worlds: promise of combining brain stimulation and brain connectome." Frontiers in Systems Neuroscience 8(132). 68 Fregni F, B. P., Lima MC, Ferreira MJ, Wagner T, Rigonatti SP, et al. (2006). "A sham-controlled, phase II trial of transcranial direct current stimulation for the treatment of central pain in traumatic spinal cord injury. ." Pain 122: 197-209. Wrigley PJ, G. S., McIndoe LN, Chakiath RJ, Henderson LA, Siddall PJ. (2013). "Longstanding neuropathic pain after spinal cord injury is refractory to transcranial direct current stimulation: a randomized controlled trial." Pain 154: 2178-2184. Gonçalves GS, B. I., Goes BT, de Mendonça ME, Gonçalves RG, Garcia LB, et al. (2013). "Effects of tDCS induced motor cortex modulation on pain in HTLV-1. A blind randomized clinical trial. ." The Clinical Journal of Pain. Kim YJ, K. J., Kim HJ, Im DJ, Lee HS, Han KA, et al. (2013). "Randomized, sham controlled trial of transcranial direct current stimulation for painful diabetic polyneuropathy." Annals of Physical and Rehabilitation Medicine 37: 766-776. Franziska Wickmann, C. S., Dirk Czesnik, Florian Klinker, and L. C. Charles Tim ̈aus, Walter Paulus, Andrea Antal (2015). "Prophylactic treatment in menstrual migraine: a proof-of-concept study." Journal of the Neurological Sciences. Alexandre F. DaSilva, M. E. M., Soroush Zaghi, Mariana Lopes, Marcos Fabio DosSantos, Egilius L. Spierings, Zahid Bajwa, Abhishek Datta, Marom Bikson, Felipe Fregni (2012). "tDCS-Induced Analgesia and Electrical Fields in Pain-Related Neural Networks in Chronic Migraine." Headache 52(8): 1283-1295. 69 Lindenberg R, R. V., Zhu LL, Nair D, Schlaug G. (2010). "Bihemispheric brain stimulation facilitates motor recovery in chronic stroke patients." Neurology 75: 2176-2184. Lefebvre S, L. P., Peeters A, Desfontaines P, Jamart J, Vandermeeren Y. (2012). "Dual-tDCS Enhances Online Motor Skill Learning and Long-Term Retention in Chronic Stroke Patients." Frontiers in Human Neuroscience 6: 343. Lefebvre S, T. J., Laloux P, Peeters A, Jamart J, Vandermeeren Y. (2014). "Single session of dual-tDCS transiently improves precision grip and dexterity of the paretic hand after stroke. ." Neurorehabilitation and Neural Repair 28: 100-110. Marangolo P, F. V., Calpagnano MA, Campana S, Razzano C, Caltagirone C, et al. (2013). "tDCS over the left inferior frontal cortex improves speech production in aphasia." Frontiers in Human Neuroscience 7: 539. Polanowska KE, L. M., Seniów JB, Członkowska A. (2013). "No effects of anodal transcranial direct stimulation on language abilities in early rehabilitation of post-stroke aphasic patients. ." Neurologia i Neurochirurgia Polska 47: 414-422. Boggio PS, R. S., Ribeiro RB, Myczkowski ML, Nitsche MA, PascualLeone A, et al. (2008). "A randomized, double-blind clinical trial on the efficacy of cortical direct current stimulation for the treatment of major depression." International Journal of Neuropsychopharmacology 11: 249254. Loo CK, S. P., Martin DM, Pigot M, Alonzo A, Malhi GS, et al. (2010). "A double-Blind, sham-controlled trial of transcranial direct current stimulation for the treatment of depression. ." International Journal of Neuropsychopharmacology 13: 61-69. 70 Boggio PS, B. F., Vergara A, Muniz AL, Nahas FH, Leme PB, et al. (2007). "Go-no-go task performance improvement after anodal transcranial direct DC stimulation of the left dorsolateral prefrontal cortex in major depression." Journal of Affective Disorders 101: 91-98. Cogiamanian F, V. M., Pulecchi F, Marceglia S, Priori A. (2008). "Effect of spinal transcutaneous direct current stimulation on somatosensory evoked potentials in humans. ." Clinical Neurophysiology 119: 2636-2640. Truini A, V. M., Biasiotta A, La Cesa S, Gabriele M, Di Stefano G, et al. (2011). "Transcutaneous spinal direct current stimulation inhibits nociceptive spinal pathway conduction and increases pain tolerance in humans." European Journal of Pain 15: 1023-1027. Gonzalez-Burgos, G., Lewis, D. A. (2008). "GABA neurons and the mechanisms of net work oscillations: implications for understanding cortical dysfunction in schizophrenia." Schizophrenia Bulletin 34: 944-961. Burns, S. P., Xing, D. , Shapley, R. M. (2011). "Is gamma-band activity in the local field potential of V1 cortex a "clock" or filtered noise." The Journal of Neuroscience 31: 9658-9664. Kirson, E. D., Dbaly, V., Tovarys, F., Vymazal, J., Soustiel, J.F., Itzhaki, A., et al. (2007). "Alternating electric fields arrest cell proliferation in animal tumor models and human brain tumors." Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104: 10152-10157. Sabel, B. A., Fedorov, A. B., Naue, N., Borrmann, A., Herrmann, C., Gall,C. (2011). "Non-invasive alternating current stimulation improves vision in optic neuropathy." Restor. Neurol. Neurosci. 29: 493-505. 71 Joundi, R. A., Jenkinson, N., Brittain, J. S., Aziz, T. Z., Brown, P. (2012). "Driving oscillatory activity in the human cortex enhances motor performance." Current Biology 22: 403-407. Pogosyan, A., Gaynor, L. D., Eusebio, A., Brown, P. (2009). "Boosting cortical activity at Beta-band frequencies slows movement in humans." Current Biology 19: 1637-1641. Terney D., C. L., Moliadze V., Antal A. and Paulus, W. (2008). "Increasing human brain excitability by transcranial high-frequency random noise stimulation." The Journal of Neuroscience 28(52): 14147-14155. Ambrus G. G., Z. M., Kincses Z. T., Harza I., Kovacs G., and Paulus W., et al. (2011). "The enhancement of cortical excitability over the DLPFC before and during training impairs categorization in the prototype distortion task." Neuropsychologia 49(7): 1974-1980. Saiote C., P. R., Rosenberger K., Paulus W. Antal, A. (2013). "Highfrequency TRNS reduces BOLD activity during visuomotor learning." PLoS ONE 8(3). Gutchess, A.(2014).Plasticity of the aging brain: new directions in cognitive neuroscience. Science 346, 579–582. Klingberg, T.(2010).Training and plasticity of working memory. Trends Cogn. Sci. 14, 317–324. Repantis, D.,Schlattmann, P.,Laisney, O.,and Heuser,I. (2010). Modafinil and methylphenidate for neuroenhancement in healthy individuals: a systematic review. Pharmacol. Res. 62, 187–206. Hamilton, R., Messing, S., and Chatterjee, A.(2011).Rethinking the thinking cap: ethics of neural enhancement using non invasive brain stimulation. Neurology 76, 187–193. 72 Farah, M. J. , Illes, J., Cook-Deegan , R., Gardner, H., Kandel, E., King, P.,et al. (2004). Neurocognitive enhancement: what can we do and what should we do? Nat. Rev.Neurosci. 5, 421–425. Park, D.C. ,Lautenschlager, G., Hedden, T., Davidson, N.S., Smith, A.D., and Smith, P.K. (2002). Models of visuospatial and verbal memory across the adult life span. Psychol. Aging 17, 299–320. Schaie, K.W. (1994). The course of adult intellectual development. Am. Psychol. 49, 304–313. Fleischman, D.A., Wilson, R.S., Gabrieli, J.D., Bienias, J.L., and Bennett, D.A. (2004). A longitudinal study of implicit and explicit memory in old persons. Psychol. Aging 19, 617–625. Pop, V.L., Stearman, E.J., Kazi, S., and Durso, F.T. (2012). Using engagement to negate vigilance decrements in the next gen environment. Int. J. Hum. Comput. Interact. 28, 99–106. Talbot, M. (2009). Brain gain: the underground world of neuroenhancing drugs. New Yorker 27, 32–43. Clark, V.P., and Parasuraman, R. (2014). Neuroenhancement: enhancing brain and mind in health and in disease. Neuroimage 85(Pt. 3),889–894. Sulzer, J., Haller, S., Scharnowski, F., Weiskopf, N., Birbaumer, N., Blefari, M. L., et al. (2013). Real-time fMRI neurofeedback: progress and challenges. Neuroimage 76, 386–399. Shafi MM, Westover MB, Fox MD, Pascual-Leone A: Exploration and modulation of brain network interactions with non invasive brain stimulation in combination with neuroimaging. Eur J Neurosci 2012, 35:805-825. Fox MD, Buckner RL, Liu H, Chakravarty MM, Lozano AM, PascualLeone A: Resting-state networks link invasive and noninvasive brain stimulation across diverse psychiatric and neurological diseases. Proc Natl Acad Sci USA 2014, 111:E4367-E4375. 73 Stagg CJ, Nitsche MA: Physiological basis of transcranial direct current stimulation. Neuroscientist 2011, 17:37-53. Priori A, Berardelli A, Rona S, Accornero N, Manfredi M: Polarization of the human motor cortex through the scalp. Neuroreport 1998, 9:2257-2260 Herrmann CS, Rach S, Neuling T, Stru¨ ber D: Transcranial alternating current stimulation: a review of the underlying mechanisms and modulation of cognitive processes. Front Hum Neurosci 2013, 7:279. Terney D, Chaieb L, Moliadze V, Antal A, Paulus W: Increasing human brain excitability by transcranial high-frequency random noise stimulation. J Neurosci 2008, 28:14147-14155. Thut G, Miniussi C, Gross J: The functional importance of rhythmic activity in the brain. Curr Biol 2012, 22:R658-R663. Feurra M, Paulus W, Walsh V, Kanai R: Frequency specific modulation of human somatosensory cortex. Front Psychol 2011, 2:13. Kanai R, Chaieb L, Antal A, Walsh V, Paulus W: Frequency- dependent electrical stimulation of the visual cortex. Curr Biol 2008, 18:1839-1843. Cappelletti M, Gessaroli E, Hithersay R, Mitolo M, Didino D, Kanai R, Cohen Kadosh R, Walsh V: Transfer of cognitive training across magnitude dimensions achieved with concurrent brain stimulation of the parietal lobe. J Neurosci 2013, 33:14899-14907. Polania R, Nitsche MA, Korman C, Batsikadze G, Paulus W: The importance of timing in segregated theta phase-coupling for cognitive performance. Curr Biol 2012, 22:1314-1318. Santarnecchi E, Polizzotto NR, Godone M, Giovannelli F, Feurra M, Matzen L, Rossi A, Rossi S: Frequency-dependent enhancement of fluid intelligence induced by transcranial oscillatory potentials. Curr Biol 2013, 23:1449-1453. Snowball A, Tachtsidis I, Popescu T, Thompson J, Delazer M, Zamarian L, Zhu T, Cohen Kadosh R: Long-term enhancement of brain function and 74 cognition using cognitive training and brain stimulation. Curr Biol. 2013, 23:987-992. Jacobson L, Koslowsky M, Lavidor M: tDCS polarity effects in motor and cognitive domains: a meta-analytical review. Exp Brain Res 2012, 216:1-10. Filmer HL, Mattingley JB, Dux PE: Improved multitasking following prefrontal Tdcs. Cortex 2013, 49:2845-2852. Moos K, Vossel S, Weidner R, Sparing R, Fink GR: Modulation of topdown control of visual attention by cathodal tDCS over right IPS. J Neurosci 2012, 32:16360-16368. Ferrucci R,Marceglia S, Vergari M, Cogiamanian F, Mrakic-Sposta S, Mameli F: Cerebellar transcranial direct current stimulation impairs the practice-dependent proficiency increase in working memory. J Cogn Neurosci 2008, 20:1687-1697. Filmer HL, Mattingley JB, Marois R, Dux PE: Disrupting prefrontal cortex prevents performance gains from sensory-motor training. J Neurosci 2013, 33:18654-18660. Feurra M, Pasqualetti P, Bianco G, Santarnecchi E, Rossi A, Rossi S: Statedependent effects of transcranial oscillatory currents on the motor system: what you think matters. J Neurosci 2013, 33:17483-17489 Helfrich RF, Knepper H, Nolte G, Struber D, Rach S, Herrmann CS, Schneider TR, Engel AK: Selective modulation of interhemispheric functional connectivity by HD-tACS shapes perception. PLoS Biol 2014, 12:e1002031. Krause B, Cohen Kadosh R: Not all brains are created equal: the relevance of individual differences in responsiveness to transcranial electrical stimulation. Front Syst Neurosci 2014, 8:25. Quartarone A, Morgante F, Bagnato S, Rizzo V, Sant’Angelo A, Aiello E, Reggio E, Battaglia F, Messina C, Girlanda P: Long lasting effects of 75 transcranial direct current stimulation on motor imagery. Neuroreport 2004, 15:1287-1291. Antal A, Terney D, Poreisz C, Paulus W: Towards unravelling task-related modulations of neuroplastic changes induced in the human motor cortex. Eur J Neurosci 2007, 26:2687-2691. Sarkar A, Dowker A, Cohen Kadosh R: Cognitive enhancement or cognitive cost: trait-specific outcomes of brain stimulation in the case of mathematics anxiety. J Neurosci 2014, 34:16605-16610. Prichard G, Weiller C, Fritsch B, Reis J: Effects of different electrical brain stimulation protocols on subcomponents of motor skill learning. Brain Stimul 2014, 7:532-540. Bestmann S, de Berker AO, Bonaiuto J: Understanding the behavioural consequences of noninvasive brain stimulation. Trends Cogn Sci 2015, 19:13-20. Wang JX, Rogers LM, Gross EZ, Ryals AJ, Dokucu ME, Brandstatt KL, Hermiller MS, Voss JL: Targeted enhancement of cortical-hippocampal brain networks and associative memory. Science 2014, 345:1054-1057. Ruffini G, Fox MD, Ripolles O, Miranda PC, Pascual-Leone A: Optimization of multifocal transcranial current stimulation for weighted cortical pattern targeting from realistic modeling of electric fields. Neuroimage 2014, 89:216-225. Guleyupoglu B, S. P., Edwards D, Fregni F, Bikson M. (2013). "Classification of methods in transcranial Electrical Stimulation (tES) and evolving strategy from historical approaches to contemporary innovations." Journal of Neuroscience Methods 219(2): 297-311. Peterchev AV, Wagner TA, Miranda PC, Nitsche MA, Paulus W, Lisanby SH, et al. Fundamentals of transcranial electric and magnetic stimulation dose: definition, selection and reporting practices. Brain Stimulation 2012; 5:435–53. 76 Robinovitch LG. Electrical analgesia, sleep and resuscitation. In: Gwathmey JT, editor. Anesthesia. New York: Appleton; 1914. Gilula MF, Kirsch DL. Cranial electrotherapy stimulation review: a safer alternative topsychopharmaceuticals in the treatment of Depression. Journal of Neurotherapy2005; 9:7–26. Brown CC. Electroanesthesia and electrosleep. The American Psychologist1975; 30:402–10. Smith RB. Cranial electrotherapy stimulation: its first fifty years, plus three; 2006. Obrosow AN. Electro-sleep therapy. In: Licht E, editor. Therapeutic electricity andultraviolet radiation. New Haven, CT: Editor; 1959. Knutson RC. First international symposium on electrosleep therapy and electroanes-thesia. Anesthesia and Analgesia 1967;46:333–9. FDA Executive Summary. Prepared for the January 27–28, 2011 meeting of the neu-rological panel meeting to discuss the classification of electroconvulsive therapydevices; 2012. Kirsch DL. Low level brain stimulation for anxiety: a review of 50 years of researchand supporting data; 2010. Patterson MA. Effects of Neuro-Electric Therapy (N.E.T.) in drug addiction: interimreport. Bulletin on Narcotics 1976; 28(4):55–62 Patterson MA. Electrotherapy: addictions and neuroelectric therapy. Nursing Times1979; 75(48):2080–3. Limoge A, Robert C, Stanley TH. Transcutaneous cranial electrical stimulation (TCES):a review 1998. Neuroscience and Biobehavioral Reviews 1999; 23:529–38. Smith RH. Electroanesthesia (EA), 1971. Anesthesiology 1971; 34:60–72. Knutson RC, Tichy FY, Reitman JR. Use of electrical current as an anesthetic agent. Anesthesiology 1956; 17:815. 77 Smith RH, Andrew JH, Suzuki H, Tatsuno J. Electroanesthesia studies: a new current patter and control of fading. Anesthesia and Analgesia 1968; 47:627–32. Smith RH, Tatsuno J, Zouhar RL. Electroanesthesia: a review – 1966. Anesthesia and Analgesia 1967; 46:109–25. Il Bergamini di Neurologia, R. Mutani, Edizioni Libreria Cortina, Torino 2012. Perera T. Telegraph and scientific instrument museum; 2013 http://www.w1tp.com http://www.neurochirurgia-udine.it/news/malattie.php?id=22 http://www.treccani.it/enciclopedia/stimolazione-cerebrale-elettrica-emagnetica_%28Dizionario-di-Medicina%29/ 78 Ringraziamenti Desidero ringraziare il Professor Alessandro Rossi, che mi ha accolto nel suo reparto nel modo in cui tutti gli studenti desiderano, avendo la premura di intuire i miei interessi e di indirizzarmi senza esitazione verso essi. Ringrazio quindi Emiliano, che mi ha seguito negli ultimi mesi con una disponibilità e una pazienza infinite, e che è stato in grado di "stimolarmi" mentalmente, facendomi guardare le cose da un'altra prospettiva. Un altro ringraziamento va naturalmente al direttore del laboratorio, il professor Simone Rossi e a tutto il personale con cui ho condiviso bei momenti, non soltanto dal punto di vista scientifico, ma soprattutto personale. Ringrazio ovviamente tutta la mia famiglia che è stata in grado di sostenermi anche nei momenti difficili, spronandomi a dare sempre il massimo e a non arrendermi mai. Un grazie va anche a tutti gli amici di sempre e ai colleghi con cui ho condiviso buona parte di questo percorso, soprattutto a quelli che mi sono rimasti nel cuore. Un ringraziamento particolare va alla persona che, nonostante tutto, ritrovo comunque accanto a me da quando ho "memoria" e che ha condiviso con me le gioie, le soddisfazioni, le delusioni, ma soprattutto le ansie che hanno costellato questo percorso. Infine un grazie particolare va a due persone che non ci sono più: mio nonno Carmelo, che non ho potuto conoscere come avrei voluto e che ha in qualche modo ispirato il mio lavoro; ed Emanuele la cui assenza si sente quotidianamente e che, sono sicuro, sarebbe stato molto felice per me. 79