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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
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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.
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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.
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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
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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.
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