Facoltà di Medicina e Psicologia
Corso di Laurea in Psicologia clinica della Persona, delle Organizzazioni e della
Comunità
Psicofisiologia del sonno normale e patologico
EFFICACIA DELLA STIMOLAZIONE TRANSCRANICA A
CORRENTE ALTERNATA (tACS) NELLA MODULAZIONE
DELL'ATTIVITA' ELETTRICA CEREBRALE IN VEGLIA E
NEL SONNO
Candidata:
Claudia Romano
Matr.: 1244038
Relatore:
Prof. Luigi De Gennaro
Correlatore:
Prof. Carlo Lai
Anno Accademico
2014-2015
INDICE
Introduzione
Capitolo 1. Neurobiologia della fase di addormentamento
1.1 Fenomenologia EEG
1.2 Differenze regionali dell’EEG nell’addormentamento
1.3 Variazioni antero-posteriori nel flusso di informazione EEG
Capitolo 2. La stimolazione transcranica a corrente diretta
2.1 La tecnica e i protocolli di ricerca
2.2 Effetti della stimolazione tDCS su specifiche funzioni cognitive
Capitolo 3. Effetti della stimolazione tDCS sull’elettrofisiologia spontanea
3.1 Effetti sull’EEG a riposo
3.1.1 Variazioni nelle performance
3.2 Effetti sulla struttura e microstruttura del sonno
3.3 Influenza sull’attività onirica
Capitolo 4. La ricerca
4.1 Introduzione
4.2 Metodo
4.2.1 Soggetti
4.2.2 Procedura
4.2.3 Registrazione EEG
4.2.4 Stimolazione tACS
4.2.5 Analisi dei dati
4.3 Risultati
4.4 Discussione
4.5 Conclusioni generali
Riferimenti bibliografici
Introduzione
Il presente elaborato ha come oggetto la presentazione di un lavoro di ricerca svolto negli ultimi
anni presso l'I.R.C.C.S. San Raffaele di Roma.
Tale progetto di ricerca ha avuto come obiettivo la valutazione degli effetti di una tecnica di
stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) sull'attività corticale in veglia e nel sonno.
La tDCS è una metodica conosciuta da tempo che ha dimostrato la sua efficacia in diversi ambiti
grazie alla sua capacità di modulare l'attività neuronale in modo non invasivo e senza effetti
collaterali di rilievo. Essa, oltre che per finalità di ricerca, ha trovato utilizzo anche in ambito
clinico per il trattamento di patologie neurologiche e neuropsichiatriche. In particolare, il suo
funzionamento avviene mediante l'applicazione sullo scalpo di elettrodi eroganti corrente
elettrica, ad un'intensità non pericolosa e non percepibile dal soggetto, sull'area cerebrale che si
intende stimolare. Gli effetti da essa provocati, benché transitori, persistono anche dopo la fine
della stimolazione e agiscono nella direzione di un aumento o di una diminuzione dell'eccitabilità
neuronale, in base all'utilizzo di una carica anodica (positiva) o catodica (negativa).
Mediante la modulazione dell'attività corticale, tale metodica ha la potenzialità di incrementare
performance cognitive e comportamentali in soggetti sani, e di trovare utilità anche nel
trattamento di quelle patologie caratterizzate da un'alterazione dell'attività corticale per ristabilire
un livello più stabile di attività.
La ricerca presentata in questa sede fa riferimento allo studio dei suoi effetti sul sonno; in
particolare sono state indagate le modificazioni sull'EEG di veglia e di sonno in seguito alla sua
applicazione con l'attesa, coerente con le evidenze presenti fin ora in letteratura, di riscontrare
effetti in direzione di un incremento dell'attività oscillatoria lenta, cioè di uno stato di
sincronizzazione corticale compatibile con l'addormentamento.
Infatti, l'obiettivo dello studio era quello di testare l'efficacia di questa tecnica nel facilitare
l'addormentamento e di modificare il sonno in direzione di una maggiore profondità.
La rilevanza di una sperimentazione del genere risiede nella possibilità di trovare in futuro
un'alternativa ai farmaci ipnotici che attualmente rappresentano il rimedio principale per il
trattamento dei disturbi del sonno, che tuttavia comportano notevoli effetti collaterali e fenomeni
di tolleranza e dipendenza nei soggetti che li assumono, diventando di fatto la prima causa di
insonnia. Da qui, l'importanza di condurre ricerche che studino e valutino l'efficacia di strumenti
alternativi non invasivi e che non provocano effetti collaterali di rilievo nell'indurre sonnolenza e
modificare il sonno in termini quantitativi o qualitativi, nella finale aspettativa di identificare un
trattamento elettrofisiologico efficace per le insonnie così frequenti e costose in termini sanitari e
sociali.
Nel Capitolo 1 verrà offerta una panoramica sul fenomeno dell'addormentamento e le sue
caratteristiche elettroencefalografiche, verranno inoltre descritte le peculiarità del fenomeno di
transizione veglia-sonno.
Nel Capitolo 2 verrà introdotta la tecnica di stimolazione utilizzata nella ricerca, ovvero la
stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS), verranno spiegate le sue modalità di
funzionamento, i suoi campi di efficacia, le potenzialità ed i limiti ad essa collegati, con un
approfondimento storico del suo utilizzo; si farà poi particolare riferimento alla letteratura che ne
descrive gli effetti su specifiche funzioni cognitive.
Nel Capitolo 3 si descriveranno più dettagliatamente i suoi effetti sull'EEG a riposo, su
specifiche performance cognitive e comportamentali, sul sonno e l'attività onirica.
Nel Capitolo 4 verrà infine presentata la ricerca vera e propria ed il protocollo utilizzato con la
descrizione del metodo, della procedura, degli strumenti utilizzati, e mostrata la tipologia di
analisi dei dati adottata; in ultimo saranno presentati i risultati ottenuti e alcune considerazioni
sul quadro dei risultati riportato.
Capitolo 1. Neurobiologia della fase di addormentamento
1.1 Fenomenologia EEG della fase di addormentamento
La fase dell’addormentamento contrassegna il passaggio dallo stato di veglia allo stato di sonno.
Tale passaggio non avviene in maniera immediata e definita, piuttosto, esso può essere descritto
come un processo graduale, nel quale sono riscontrabili componenti, elettroencefalografiche e
comportamentali, tipiche sia della veglia che del sonno. Risulta, dunque, arduo definire con
criteri standard il momento esatto in cui il sonno fa il suo effettivo esordio, dal momento che
molte sue componenti confluiscono e si fondono con quelle di altri stadi. Per altro, esso ha una
durata variabile in quanto differenze individuali determinano latenze di addormentamento
diverse da persona a persona. In alcuni casi, al fine di descrivere questo particolare processo,
vengono presi in considerazione gli aspetti comportamentali, in altri vengono invece analizzati i
dati delle registrazioni elettroencefalografiche. Ma anche all’interno di queste due metodologie,
non si è comunque giunti a risultati unanimi. A livello elettroencefalografico, durante il processo
di addormentamento si verifica una graduale riduzione dell’arousal (Davis et al., 1937; Dement
e Kleitman, 1957) la quale è caratterizzata da una de-attivazione talamica (Maquet, 2000). Si
verifica inoltre un decremento del ritmo alfa e beta a favore dell’insorgenza del ritmo theta, e
l’inizio dell’attività di sincronizzazione. Infatti, durante la veglia è possibile riscontrare due tipi
di attività: l’attività alpha e l’attività beta. La prima caratterizza la veglia rilassata, è quindi
presente quando i soggetti sono svegli ma a riposo ed in genere ad occhi chiusi; l’attività beta è
invece presente quando si è svegli ed impegnati in elaborazioni di informazioni o in compiti
cognitivi, o comunque quando si è vigili ed attenti; in questo caso avremo un EEG attivato,
dunque una de-sincronizzazione. Per quanto concerne il sonno, esso è invece caratterizzato
prevalentemente da attività theta (in fase di addormentamento e sonno leggero), e attività delta
(sonno profondo); in questo caso l’EEG mostra un’attività di sincronizzazione (Rechtschaffen e
Kales, 1968). L’addormentamento può poi essere descritto anche in base alle variazioni
comportamentali, con una progressiva diminuzione della reattività agli stimoli sensoriali esterni,
in particolare agli stimoli uditivi, fino ad una completa cessazione della stessa (Ogilvie at al.,
2001; Casagrande at al., 1995) ed una diminuzione dei movimenti spontanei; questi fenomeni si
verificano, in genere, all’inizio dello stadio 2. Ulteriori fenomeni che caratterizzano questa
transizione sono l’abbassamento del tono muscolare (Hauri e Good, 1975), il rallentamento e la
regolarizzazione della frequenza cardiaca (Burgess et al., 1999); per quanto riguarda i movimenti
degli occhi, si verifica la scomparsa degli ammiccamenti spontanei e delle saccadi (Santamaria e
Chiappa, 1987), che vengono sostituite dai movimenti oculari lenti (De Gennaro et al., 2000). Si
riscontrano, inoltre, variazioni nell’attività del potenziale elettrico della pelle (Hori, 1982), e
cambiamenti nel ritmo respiratorio (Ogilvie et al., 1989). Infine, si riscontra l’abbassamento
della temperatura corporea (Van Den Heuvel et al., 1998), e variazioni emodinamiche
intercerebrali (Spielman et al., 2000). Il metodo più utilizzato per descrivere le differenze tra la
veglia ed il sonno è l'elettroencefalogramma anche se non sempre vi è accordo su quale stadio
assumere come segnale inequivocabile dell’avvenuto addormentamento. Infatti, tale segnale
viene da alcuni stabilito con l’insorgere dello stadio 1 (Rechtschaffen e Kales, 1968), o dopo
almeno un minuto continuativo dello stesso (Carskadon at al., 1986), altri ritengono opportuno
attendere l’apparizione, nelle registrazioni EEG, di fusi del sonno o di complessi K (Johnson,
1975; Webb, 1979; Wright at al., 1995), che avvengono generalmente con l’inizio dello stadio 2.
Infine, il processo di addormentamento non si contraddistingue per caratteristiche uniche e
specifiche, ma presenta anche alcuni elementi caratteristici della veglia e di altri stadi del sonno
REM e NREM e della veglia, essendo un momento di passaggio e di congiunzione tra essi.
1.2 Differenze regionali dell’EEG nell’addormentamento
Ci sono molte evidenze del fatto che il sonno non sia un fenomeno che si verifica
contemporaneamente in tutte le aree cerebrali ed allo stesso modo in ciascuna di esse, piuttosto
esso sarebbe un processo locale (Krueger e Obal, 1993; Krueger et al., 1999), ovvero
apparirebbe nelle diverse regioni del cervello con potenza e tempi differenti. Il sonno, dunque, si
sviluppa in maniera asincrona nelle diverse aree cerebrali (Pigarev at al., 1997) e questo si
ripercuote anche sulla fase di transizione veglia-sonno, in quanto ciò comporta che alcune di esse
vanno incontro al processo di sincronizzazione, tipico dell’addormentamento, prima di altre. Le
principali differenze riguardano soprattutto l’asse antero-posteriore, essendo la principale sede
dei cambiamenti topografici in fase di addormentamento (Werth at al., 1996, 1997; Landolt e
Borbely, 2001). Infatti esso presenta variazioni di rilievo tra le regioni centro-frontali e quelle
occipitali, ovvero tra l’area anteriore e quella posteriore dello scalpo. Dalle analisi
elettroencefalografiche mediante le quali sono stati indagati i cambiamenti spaziali e temporali
dell'attività EEG durante la fase di transizione veglia-sonno (Marzano et al., 2013), è emerso che
il cambiamento più rappresentativo è dato dalla frontalizzazione dell'attività ad onde lente,
ovvero da una prevalenza delle onde delta e theta nelle nella regioni centro-frontali e delle onde
sigma in quelle centro-parietali. Nei minuti precedenti l’insorgenza del sonno e in quelli
successivi all'addormentamento, dunque, le onde lente sono presenti in maniera predominante
nelle regioni centrali e frontali del cervello, che quindi sincronizzano prima di quelle occipitali
confermando che non tutte le aree del cervello “si addormentano” simultaneamente. Altro
fenomeno di rilievo emerso dalle analisi EEG è il processo di anteriorizzazione del ritmo alfa,
ovvero esso sembra diffondersi dalle aree più occipitali verso quelle anteriori. In effetti, prima
che si verifichi l’addormentamento, le frequenze alpha registrano una prevalenza nelle zone
occipitali, la quale però decresce gradualmente durante la transizione veglia-sonno fino a cessare
del tutto con l’insorgenza di sonno, per poi avere un nuovo successivo incremento. Quando il
ritmo alfa decresce, esso viene sostituito dalle oscillazioni theta che mostrano una diffusione
temporo-occipitale. L' EEG dopo l'addormentamento è, inoltre, caratterizzato da un generale
decremento dell'attività beta su quasi tutte le aree dello scalpo, soprattutto in quelle temporali e
ciò conferma precedenti evidenze di una diminuzione progressiva dell'attività delle frequenze
veloci durante questa fase (De Gennaro, Ferrara, Bertini, 2001; Merica, Gaillard, 1992).
In definitiva, il sonno non si sviluppa in modo uniforme nel cervello e ha tempi differenti nelle
diverse aree cerebrali in cui, durante l'addormentamento, coesiste un'attività elettrica tipica della
veglia e tipica del sonno.
1.3 Variazioni antero-posteriori nel flusso di informazione EEG
Durante il sonno l'EEG mostra differenze topografiche lungo l'asse cerebrale antero-posteriore
(Ferrara et al., 2002; Finelli et al., 2001; Werth et al., 1997), coerente con l'ipotesi del sonno
come "processo locale" (Krueger e Obal, 2003). Tali cambiamenti regionali sembrano interessare
anche la fase di addormentamento, difatti, il sonno si propaga in modo asincrono nelle diverse
aree cerebrali, manifestandosi prima nelle aree frontali e parietali ed infine in quelle occipitali
(De Gennaro et al., 2001b).
A partire da tali premesse, è stato ipotizzo che al momento dell'insorgenza del sonno la
connessione funzionale corticale tra le aree frontali e quelle occipitali ed il flusso di
informazione tra esse abbiano una direzione in prevalenza antero-posteriore. Attraverso lo studio
delle registrazioni EEG di sonno mediante l'analisi della coerenza spettrale, che misura
l'accoppiamento funzionale tra due segnali, e la Directed Transfer Function (DTF) che fornisce
una stima della direzione del flusso di informazione sottostante l'accoppiamento funzionale
cortico-corticale, è stato possibile confermare tali ipotesi (De Gennaro et al., 2004). Difatti si è
osservato che, se durante la fase precedente all'addormentamento vi è una prevalenza del flusso
di informazione dalle aree occipitali a quelle parieto-frontali, al momento dell'insorgenza del
sonno il flusso di informazione va dalle aree frontali a quelle parieto-occipitali. Quando il sonno
ha inizio si osserva, quindi, un'inversione della direzione dell'accoppiamento funzionale
ottenendo così una variazione antero-posteriore del flusso di informazione elettroencefalografica.
Tale inversione avviene in anticipo quando la pressione al sonno viene incrementata a seguito di
una deprivazione selettiva di sonno ad onde lente (De Gennaro et al., 2005). Utilizzando, infatti,
nuovamente la DTF si osserva che la direzione antero-posteriore dell'accoppiamento funzionale
corticale fa la sua comparsa, durante la notte di recupero in soggetti deprivati selettivamente di
sonno ad onde lente, già nella fase precedente all'addormentamento e non soltanto durante la
transizione veglia-sonno. Ciò permette di inferire che tale deprivazione provoca un anticipo
dell'inversione della direzione dell'accoppiamento funzionale in senso antero-posteriore,
probabilmente come conseguenza di una aumentata pressione omeostatica al sonno.
Questi dati forniscono ulteriori conferme della propagazione antero-posteriore del sonno
mostrando, inoltre, che il processo di addormentamento è favorito dal coordinamento funzionale
del network corticale antero-posteriore. Infine,essi sostengono l'idea che la diffusione dei segnali
di sincronizzazione dalle aree prefrontali associative a quelle posteriori hanno un ruolo
importante nella transizione veglia-sonno.
Capitolo 2. La stimolazione transcranica a corrente diretta
2.1 La tecnica e i protocolli di ricerca
La stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) è una tecnica di neuro-stimolazione non
invasiva in grado di produrre una selettiva modulazione nell'eccitabilità neuronale attraverso
l'erogazione di corrente elettrica di bassa intensità per mezzo di elettrodi posizionati sullo scalpo.
Gli effetti ottenuti variano in base all'intensità della corrente e alla polarità utilizzata, al
posizionamento degli elettrodi e alla durata della stimolazione (Nitsche e Paulus, 2000, 2001;
Nitsche et al., 2003) e perdurano anche per alcuni minuti dopo la sua somministrazione, sebbene
siano lievi e transitori. In genere per dieci minuti di stimolazione si ottengono effetti che
persistono per circa un'ora (Priori et al., 2002).
Per poter comprendere il modo in cui la tDCS è in grado di produrre stimolazioni cerebrali, è
opportuno descrivere cosa accade ai neuroni quando si utilizza questa tecnica. L’interno dei
neuroni è caricato negativamente rispetto all’esterno, tale carica elettrica negativa è il potenziale
di membrana; quando un neurone riceve una scarica positiva avviene una depolarizzazione,
ovvero viene sottratta una parte della carica elettrica negativa riducendo il potenziale di
membrana, caricando così positivamente l’interno della cellula, il che aumenta l'eccitabilità
neuronale. Quando invece il neurone riceve una scarica negativa, si verifica
un’iperpolarizzazione del potenziale di membrana, che riduce l’eccitabilità dei neuroni. Quindi la
tDCS, con la trasmissione di cariche positive o negative, agisce sui potenziali di membrana dei
neuroni, provocando rispettivamente depolarizzazione o iperpolarizzazione (Bindman et al.,
1964; Purpura and McMurtry, 1965). Infatti in base alla polarità utilizzata si ottengono effetti
differenti: attraverso una stimolazione anodica (elettrodo caricato positivamente) è possibile
ottenere un incremento dell'eccitabilità neuronale, mentre con una stimolazione catodica
(elettrodo caricato negativamente) si ottiene l'effetto opposto ovvero un decremento
dell'eccitabilità neuronale (Bindman et al., 1962; Purpura e McMurtry, 1965). Tuttavia la tDCS
non ha l'effetto di eccitare un neurone a riposo, quindi di produrre un potenziale d’azione, ma
può solo agire sulla modulazione dell’attività della cellula, provocando un aumento o una
diminuzione della scarica spontanea del neurone. In altre parole, la corrente continua non è in
grado di provocare eccitabilità in una cellula neuronale inattiva ma può efficacemente modulare
il suo spontaneo eccitamento.
Per stimare gli effetti della tDCS viene attualmente utilizzata la stimolazione magnetica
transcranica (TMS) che testa l'eccitabilità della corteccia in modo diretto, non invasivo e
indolore. In questo modo si può stimare l'ampiezza dei potenziali motori evocati (MEP) che
rappresenta il livello di eccitabilità della corteccia motoria (Nitsche, 2000).
L’effetto della tDCS di modulare l' eccitabilità corticale è stata ampiamente documentata in molti
studi e ricerche: in particolare, molta attenzione è stata data all’influenza della stimolazione sulla
corteccia motoria (Priori et al., 1998) e sul sistema vestibolare (Day et al.,1997); da queste
sperimentazioni è emerso che, anche con impulsi brevi e di bassa intensità, la corrente continua è
in grado di attraversare il cranio e di rimanere abbastanza forte da stimolare il sistema
vestibolare. Anche gli studi che hanno testato gli effetti della corrente continua sull’eccitabilità
della corteccia cerebrale, hanno dimostrato che impulsi anodici e catodici influenzano le risposte
motorie agendo effettivamente su di essa. (Priori et al.,1998). Anche diversi studi di Nitsche e
Paulus (2000) si sono concentrati sull'effetto della tDCS sulla corteccia motoria registrando un
incremento dell'eccitabilità della corteccia motoria con la stimolazione anodica ed una pari
diminuzione con quella catodica. Da questi e successivi studi emerge come questa metodica sia
promettente per la ricerca ed i campi di applicazione che fanno riferimento alla neuro-plasticità,
essendo una tecnica non dolorosa, non invasiva, non dannosa, reversibile e selettiva di
modulazione cerebrale; sono tuttavia necessari ulteriori studi per chiarirne i meccanismi d'azione
e per prolungare ed intensificare gli effetti dopo la stimolazione.
La tecnica viene inoltre ritenuta capace di incrementare alcune funzioni cognitive e
comportamentali; tuttavia uno studio di Horvath et al. (2014) solleva alcuni nodi problematici in
merito, mettendo in evidenza il fatto che spesso i risultati ottenuti da tali studi che ne declamano
l'efficacia non sono ancora conclusivi e affronta alcune questioni rimaste aperte, spesso
trascurate o sottostimate durante le sperimentazioni. In particolare emergono cinque aspetti
cruciali, quali: la variabilità degli effetti della stimolazione tra e all'interno di gruppi di persone
diverse, l' affidabilità delle risposte da parte degli stessi soggetti a distanza di tempo, la necessità
di confrontare gli effetti della tDCS con condizioni di controllo e di effettuare esperimenti in
cieco, le interferenze di attività motorie e cognitive effettuate durante o subito dopo la
stimolazione sui suoi effetti, e l'influenza di alcune variabili che influenzano il flusso e la densità
della corrente elettrica erogata.
In effetti in diversi studi (Fricke et al., 2011; Nitsche et al, 2004; Nitche e Paulus, 2011) con
l'utilizzo della tDCS si è ottenuta una variazione negli effetti tra gruppi di persone diverse ed
anche all'interno di gruppi di persone con caratteristiche simili; infatti, all'interno e tra differenti
gruppi sottoposti al medesimo protocollo sono scaturiti effetti differenti. Le possibili cause di
tali variazioni sono riconducibili sia al non corretto posizionamento della bobina per la TMS
(stimolazione magnetica transcranica) per la rilevazione degli effetti della tDCS durante gli
esperimenti (Herwig et al., 2001; Sparing et al., 2008; Ahdab et al., 2010) sia alle differenze
individuali, per cui ogni soggetto risponde in modo diversificato alla stimolazione in base alle
proprie caratteristiche neurofisiologiche, anatomiche e psicologiche che di fatto modificano il
flusso e la densità di corrente (Datta et al., 2012; Truong et al., 2013).
Per altro, non è stato ancora dimostrato che i soggetti rispondono in modo simile e prevedibile a
sessioni di tDCS ripetute a distanza di tempo. Fin ora pochi studi dai risultati contrastanti sono
stati effettuati a tal proposito; è probabile che queste variazioni nel tempo avvengano a causa
dell'influenza dei ritmi circadiani, metabolici ed ormonali sugli effetti della stimolazione, oltre
che a causa del mancato riferimento puntuale alle linea guida per il posizionamento della bobina
per la TMS già citato precedentemente.
Fondamentale risulta l'utilizzo di appropriate condizioni di controllo durante le sperimentazioni,
come ad esempio la stimolazione sham, per poter differenziare le naturali modificazioni
neuronali dagli effetti indotti dalla tDCS. Per la validità dei risultati è anche importante svolgere
esperimenti in cieco, sebbene sia una condizione spesso difficile da ottenere.
Un altro aspetto controverso riguardante le sperimentazioni sulla tDCS, è che qualsiasi attività
motoria e/o cognitiva sottoposta durante o subito dopo la stimolazione può interferire
negativamente o addirittura contrastare del tutto i suoi effetti, come confermato da molti studi
(Quartarone et al., 2004; Antal et al., 2007; Milyaguchi et al., 2013).
Infine, esistono diverse variabili in grado di influenzare la densità ed il flusso di corrente elettrica
da considerare quali la densità di corrente, il posizionamento degli elettrodi, la durata della
stimolazione, lo spessore dei capelli ed il sudore (Dawson et al., 2001). Infine, gli stessi
strumenti con cui è effettuato il montaggio delle elettrodi possono esercitare un'influenza sulla
corrente. Per quanto riguarda il montaggio elettrodi ancora oggi si cerca di capire quale possa
essere considerato il più efficace e quale debba essere la misura dell'elettrodo ed il suo preciso
posizionamento. Fare luce su questi aspetti è di fondamentale importanza se si considera che la
posizione degli elettrodi di stimolazione determina il flusso di corrente attraverso il corpo e i
campi elettrici indotti nel cervello, pertanto da essa dipendono variazioni nei risultati delle
sperimentazioni (Bikson et al., 2008). I criteri di montaggio elettrodi più semplicistici
considerano soltanto la regione di aumentata eccitabilità sotto l'elettrodo anodico e quella di
diminuita eccitabilità sotto quello catodico; questo modello però non considera altre variabili,
quali: che la densità di corrente è più alta sotto la punta dell'elettrodo (Nitsche et al., 2007;
Miranda et al., 2006, 2009), le differenze individuali (Madhavan e Stinear, 2010), che vi è un
significativo flusso di corrente anche nelle regioni intermedie (Datta et al., 2009), i montaggi per
la modulazione unidirezionale (Rossini et al., 1985; Saypol et al., 1991; Datta et al., 2008) e la
posizione del relativo elettrodo, inclusa la distanza tra gli elettrodi (Stecker, 2005; Datta et al.,
2008) e l'uso di elettrodi extracefalici (Accornero et al., 2007; Ferrucci et al., 2008; Baker et al.,
2010).
In particolare, Moliadze e colleghi (2010) hanno studiato il ruolo dell'elettrodo di riferimento
nell'influenzare la neuro-modulazione dell'elettrodo attivo trovando che in effetti la posizione
della referenza può influenzare la neuro-modulazione e, pertanto, i due elettrodi non possono
essere considerati separatamente visto che la posizione di entrambi influenza la distribuzione del
flusso di corrente attraverso la corteccia che, inoltre, è anche fortemente influenzata dalla diversa
conduttività elettrica dei tessuti su cui vengono applicati gli elettrodi. Data tale complessità nel
flusso della corrente appaiono evidenti i limiti degli schemi di montaggio elettrodi troppo
semplicistici.
Alcuni ricercatori hanno cercato di predire il flusso di corrente attraverso il cervello utilizzando
simulazioni al computer (Bickson et al., 2010); in particolare sono stati analizzati tre diversi
schemi di montaggio in cui la misura e la posizione dell'elettrodo attivo sulla corteccia motoria
rimaneva invariato, mentre quelli della referenza venivano cambiati. Da questi studi è emerso
che la posizione e la misura dell'elettrodo di ritorno influenza la distribuzione del campo elettrico
attraverso l'intera corteccia e che cambiandone la posizione viene modificata la distribuzione del
campo elettrico direttamente sotto l'elettrodo attivo. Questi modelli di simulazione confermano
quanto trovato da Moliadze e colleghi, ovvero che l'azione dell'elettrodo di riferimento è mitigata
dalla sua posizione e misura e che influenza il percorso della corrente proveniente dall'elettrodo
attivo attraverso il cervello. Da qui la considerazione che le regioni coinvolte nella modulazione
cerebrale non sono solo quelle immediatamente sotto l'elettrodo attivo (Lang et al., 2005; Datta
et al., 2009; Sadleir et al., 2010) e l'importanza di seguire procedure di montaggio elettrodi
standardizzate nei protocolli di ricerca.
Moliadze e colleghi (2010) hanno anche condotto degli studi per valutare l'importanza della
distanza tra gli elettrodi, in diversi montaggi, sulla capacità della tDCS e della stimolazione
random noise (tRNS) di indurre cambiamenti prolungati nell'eccitabilità corticale. La tRNS è
un'altra tecnica di stimolazione elettrica transcranica, che è in grado di produrre un incremento
dell'eccitabilità neuronale utilizzando una corrente alternata a frequenze random. L'intento dei
ricercatori era di capire se la distanza tra gli elettrodi potesse influenzare la durata e l'ampiezza
degli effetti a lungo termine indotti da queste due tecniche di stimolazione. Hanno quindi
confrontato gli effetti di queste tecniche quando l'elettrodo di stimolazione e quello di
riferimento erano entrambi applicati sullo scalpo dei soggetti e quando invece veniva utilizzata
una referenza extracefalica. Dai risultati emerge che gli effetti che perdurano dopo la
stimolazione effettuata con entrambe le tecniche sono paragonabili, e che aumentando la distanza
tra gli elettrodi è necessaria una più elevata intensità di stimolazione per ottenere gli stessi effetti;
ovvero quando si usano elettrodi di riferimento extracefalici con le tecniche di stimolazione
elettrica, l'intensità della stimolazione deve essere adattata per tener conto della distanza tra gli
elettrodi, che infatti risulta essere collegata negativamente con la durata e con l'ampiezza degli
effetti e che pertanto va tenuta in considerazione nelle ricerche. La necessità di utilizzare
elettrodi extracefalici risiede nel fatto che quando la referenza è anch'essa posizionata sullo
scalpo controlateralmente all'elettrodo di stimolazione, viene prodotto un indesiderato
cambiamento di eccitabilità anche al di sotto di esso; per ovviare a ciò, può essere usato un
elettrodo di riferimento più grande in modo da ridurre la densità della corrente che eroga
(Nitsche et al., 2007), o utilizzare per l'appunto referenze extracefaliche posizionate o sul braccio
(Cogiamanian et al., 2007; Priori et al., 2008) o sulla gamba (Lippold e Redfearn, 1964; MeyerSchwickerath e Magun, 1951).
Sempre in riferimento al montaggio, secondo alcuni ricercatori (Nitsche et al., 2007) uno degli
aspetti problematici della tDCS è il fatto che i suoi effetti risultano talvolta poco selettivi a causa
della larghezza dell'elettrodo di stimolazione che provoca effetti non soltanto nell'area di
interesse ma anche in quelle adiacenti; in più l'elettrodo di riferimento, quando localizzato sullo
scalpo, esercita anch'esso un effetto, contrario a quello di stimolazione, sulle sottostanti aree
corticali complicando ulteriormente l'interpretazione dei risultati delle sperimentazioni o
causando effetti controproducenti in ambito clinico quando invece sarebbe necessario un
cambiamento omogeneo dell'eccitabilità corticale. Per rendere l'azione della tDCS più
circoscritta ed evitare gli effetti inversi sotto l'elettrodo di riferimento, si potrebbe ridurre la
grandezza dell'elettrodo di stimolazione, mantenendone costante la densità di corrente, oppure
aumentare la grandezza di quello di riferimento, in modo da ridurne la densità di corrente.
Nitsche e colleghi (2007) hanno verificato tali ipotesi e dai risultati ottenuti si evince che
riducendo del 10% la grandezza dell'elettrodo di stimolazione viene ridotta l'estensione spaziale
dell'area che viene stimolata ma viene mantenuta inalterata la sua efficacia; inoltre aumentando
la misura dell'elettrodo di riferimento, esso diventa inattivo senza alterare però gli effetti indotti
da quello di stimolazione. In questo modo si è perciò ottenuta una maggiore selettività della
stimolazione della corteccia motoria. Stesse considerazioni sono valide per gli effetti che
perdurano anche dopo la fine della stimolazione. Una soluzione che sembrerebbe ancor più
efficace e semplice per arginare gli effetti indesiderati dell'elettrodo di riferimento sembrerebbe a
prima vista quella di non applicarlo sullo scalpo, ma su un'altra zona del corpo in modo da
evitarne l'influenza nelle aree corticali; tuttavia questa non è la soluzione più adeguata in quanto
la capacità della tDCS di indurre cambiamenti nell'eccitabilità corticale dipende anche dal
posizionamento della referenza data l'interdipendenza tra la direzione del flusso della corrente e
l'orientamento dei neuroni (Nitsche e Paulus, 2000; Purpura e McMurtry, 1965). Inoltre,
posizionare la referenza in altre zone del corpo potrebbe causare la stimolazione del tronco
encefalico con conseguenze pericolose per i soggetti (Lippold et al., 1964). Seguendo questi
accorgimenti si aumenta l'applicabilità della tecnica e se ne limitano gli effetti indesiderati, dal
momento che i cambiamenti indotti dalla tDCS vengono limitati all'area sotto l'elettrodo di
stimolazione e non alle aree adiacenti e vengono eliminate le ambiguità date dalla referenza
(Miranda et al., 2006).
Alcuni ricercatori (Merzagora et al., 2010) hanno poi cercato di fare luce su quali siano i
meccanismi di funzionamento della tDCS in parte ancora oggi non del tutto chiari. Partendo
dall'ipotesi che l'attività corticale potrebbe essere causata da variazioni nel flusso e nel
metabolismo del sangue nella zona della stimolazione (Roy e Sherrington, 1890), essi hanno
misurato tali variazioni con la spettroscopia funzionale prossima all' infrarosso (fNIRS) che è
uno strumento che permette di misurare in maniera non invasiva lo stato di ossigenazione del
sangue nel tessuto corticale. Sono stati dunque analizzati con questa tecnica i cambiamenti nello
stato di ossigenazione del sangue in relazione all'utilizzo della tDCS , dopo la stimolazione attiva
e dopo quella sham per poterne comprendere gli effetti. La fNIRS permette di stimare il livello di
ossigenazione dell'emoglobina nei tessuti (Chance et al., 1993; Edwards et al., 1993; Paulus,
2004), e di monitorare le variazioni delle concentrazioni locali di ossimoemoglobina (HbO2) e
deossiemoglobina (HHb) indotte dall’attivazione cerebrale, senza l'invasività e la scomodità di
altre tecniche tradizionali; i cambiamenti nel HbO2 e HHB possono essere considerati un buon
indice delle variazioni nel rCBS e la fNIRS può fornire queste informazioni metaboliche
rilevando anche piccoli cambiamenti nell'emodinamica cerebrale (Obrig et al., 1996). Per
indagare la relazione tra l'rCBS e l'attività neuronale modulata dalla tDCS, gli elettrodi di
stimolazione sono stati posizionati sulla corteccia prefrontale per indurre un cambiamento
nell'attività neuronale di quest'area, in particolare è stata effettuata una stimolazione anodica
sulla parte sinistra della corteccia prefrontale, mentre quella anodica sulla destra in modo tale da
poter valutare contemporaneamente gli effetti di entrambi i tipi di stimolazione, che sono stati
poi confrontati con la condizione sham.
Da quanto emerso, la stimolazione anodica produce un incremento locale della concentrazione di
HbO2 nel tessuto cerebrale sottostante, mentre con la sham non si verifica nessun effetto, mentre
la stimolazione catodica ha effetti trascurabili. I meccanismi attraverso cui la tDCS anodica può
incrementare la disponibilità di ossigeno dopo la fine della stimolazione non sono ancora del
tutto chiari. Una prima ipotesi è che la tDCS anodica incrementando l'eccitabilità neuronale
faccia sì che le cellule abbiano bisogno di una maggiore disponibilità di ossigeno; una seconda
ipotesi è che la tDCS oltre ad influenzare le proprietà elettriche dei neuroni, influenzerebbe
anche le proprietà elettriche degli astrociti, importanti per la regolazione dell rCBF (Gordon et
al., 2008; Koehler et al., 2009).
La possibilità di indurre cambiamenti emodinamici nel cervello usando la tDCS e la possibilità
di monitorare tali effetti con la fNIRS può avere interessanti applicazioni cliniche e scientifiche,
ad esempio la tDCS potrebbe essere utilizzata in pazienti con ictus o disturbi degenerativi per
aumentare la disponibilità di ossigeno, in modo da facilitare l'eliminazione delle sostanze
neurotossiche.
Da quanto emerso fin ora, appare chiaro che c'è ancora molto da capire sui meccanismi di
funzionamento, sull'efficacia e sull' affidabilità di tali tecniche prima che esse possano essere
utilizzate efficacemente in ambito clinico.
Ad ogni modo la tDCS non è una tecnica scoperta recentemente, infatti da più di due secoli ci
sono esempi di utilizzo della corrente elettrica trasmessa sullo scalpo di esseri umani per la cura
di malattie mediche e disturbi mentali. Nonostante ciò, solo negli ultimi anni sono stati condotti
studi per verificarne l'effettiva efficacia sugli esseri umani. In Italia, nel Settecento, gli scienziati
i cui lavori per primi hanno maggiormente contribuito alla comprensione e all'utilizzo
dell'elettrofisiologia furono Galvani e Volta, grazie ai quali si diffuse l'utilizzo dell'elettricità in
medicina. Infatti, a partire da questo momento, moltissimi studi e sperimentazioni furono
effettuati in questa direzione. In seguito, grazie ad Aldini (1804) l'utilizzo di corrente elettrica
iniziò ad essere utilizzata per il trattamento dei disturbi mentali, in particolare per la depressione,
riportando risultati incoraggianti. Studi successivi, però, non riportano gli stessi esiti e sembrò
che la corrente continua non avesse alcun effetto significativo; questo accadde probabilmente a
causa di una mancanza di una procedura precisa e standardizzata. Per tale ragione questa
metodologia fu messa da parte, anche a causa della concomitante scoperta della terapia
elettroconvulsiva (TEC) ad opera di Bini e Cerletti (1940) che mise in ombra ogni altra tecnica.
La TEC è però molto diversa dalla stimolazione a corrente continua: infatti la prima induce
un'attività convulsiva, mentre la seconda produce cambiamenti fisiologici influenzando la
normale attività neuronale (Terzuolo e Bullock, 1956), senza produrre alcuna crisi convulsiva e
senza portare a effetti collaterali, quali perdita di memoria e perdita di coscienza, né richiede la
sedazione dei pazienti o la somministrazione di farmaci mio-rilassanti.
Per quanto riguarda la sicurezza di questa tecnica, sebbene sia non dolorosa e priva di effetti
collaterali gravi per i soggetti che vi si sottopongono, è necessario seguire alcuni parametri
standard affinché possa essere eseguita in totale sicurezza. I fattori da considerare per eseguire la
tDCS senza arrecare danni ai soggetti sono l'intensità della corrente, la durata della stimolazione
e la grandezza dell'elettrodo (Agnew e McCreery, 1987). Trattandosi di una stimolazione
transcranica non vi è un contatto diretto degli elettrodi con il tessuto cerebrale, quindi i criteri da
monitorare si riferiscono ai possibili danni della pelle quando questa è in contatto con gli
elettrodi (Agnew e McCreery, 1987); pertanto andrebbero utilizzati elettrodi di gomma
conduttiva non metallici e ricoperti di spugna imbevuta di soluzione salina (Nitsche e Paulus,
2000). I protocolli, inoltre, seguono anche parametri che garantiscano che i cambiamenti indotti
nell'eccitabilità corticale siano lievi e non dannosi per il tessuto cerebrale, per cui deve essere
mantenuta costante la densità di corrente. Inoltre comporta conseguenze dannose la stimolazione
del tronco cerebrale e del nervo cardiaco (Lippold e Redfearn ,1964) che dunque andrebbe
evitata. Altri criteri di sicurezza fanno riferimento al fatto che la durata della stimolazione non
dovrebbe durare più di un'ora e i cambiamenti a lungo termine nell'eccitabilità corticale non
andrebbero indotti per più di una volta a settimana.
Ci sono, comunque, alcuni effetti collaterali minori che possono essere percepiti dalla persona
durante la ricezione della stimolazione quali nausea, cefalea, vertigini e prurito sotto l'elettrodo.
Ad ogni modo, quando viene applicata seguendo i protocolli di sicurezza, essa è considerata una
metodologia sicura di stimolazione cerebrale, che non provoca danni evidenti a breve termine.
Alcuni ricercatori (Davis at al., 2013), tuttavia, non concordando con la definizione della
stimolazione transcranica, sia a corrente diretta (tDCS) che alternata (tACS), come una metodica
non invasiva, dal momento che così facendo se ne trascurano i possibili effetti collaterali ed
effetti a lungo termine, desiderabili o meno, che ne possono derivare. Infatti essi ritengono che
nessuna procedura di neuro-stimolazione possa essere considerata totalmente sicura, e che una
tecnica possa essere ritenuta invasiva anche se non contempla l'incisione o l'applicazione di
dispositivi nel corpo. In linea generale sono considerate non-invasive le tecniche che non
"entrano" nel corpo direttamente, come invece accade per altre tecniche definite invasive come la
stimolazione cerebrale profonda (DBS) (Butson et al., 2006), ma anche se questo non avviene,
esse possono produrre dei cambiamenti neuronali in zone cerebrali più ampie di quelle previste
(Miranda et al., 2006) e portare a cambiamenti a lungo termine. Infatti, la stimolazione erogata in
una specifica area cerebrale tende a propagarsi anche nelle aree circostanti bel oltre il punto dove
è applicato l'elettrodo, e questo è già di per sé un elemento che ne contraddice la non-invasività.
Inoltre possibili rischi derivanti dall'uso di questa tecnica, dipendono dagli effetti che possono
derivare da sessioni ripetute di stimolazione. Queste osservazioni non dovrebbero scoraggiarne
l'utilizzo, in quanto sicura se applicata seguendo correttamente i parametri di sicurezza, ma
andrebbe denominata non più come non-invasiva, ma semplicemente come "stimolazione
cerebrale", per scongiurare una sottovalutazione dei suoi effetti, e risultare fuorviante per i non
addetti ai lavori. Per fare chiarezza su alcune perplessità ancora presenti in merito alla sua
sicurezza, Nitsche e colleghi (2004) si sono preoccupati proprio di indagare se la tDCS applicata
sulla corteccia motoria e prefrontale potesse provocare ai soggetti cui viene somministrata danni
come edema cerebrale, disturbi alla barriera emato-encefalica o alterazioni strutturali al cervello,
servendosi dell'imaging a risonanza magnetica (RMI) effettuata prima e dopo la tDCS. Il
confronto della MRI effettuata prima e dopo una stimolazione di 10 minuti non ha evidenziato
alcun danno né i soggetti hanno riportato sintomi o disturbi.
2.2 Effetti della stimolazione tDCS su specifiche funzioni cognitive
La stimolazione transcranica, essendo una tecnica in grado di indurre modificazioni
nell’eccitabilità cerebrale persistenti anche dopo la sua applicazione, potrebbe utilmente trovare
impiego in tutte quelle condizioni patologiche caratterizzate da un’alterazione (in eccesso o in
difetto) dell’eccitabilità neuronale, come ad esempio l'emicrania, l'epilessia o il morbo di
Parkinson (Nitsche et al., 2004), in cui è necessario raggiungere un livello più stabile di attività.
Per questa ragione, negli anni molti autori hanno condotto studi e sperimentazioni per testare gli
effetti della tDCS su specifiche funzioni cognitive ed in diverse situazioni cliniche. In particolare
molti studi sono stati condotti per testare l'utilità della tDCS per il trattamento della depressione.
Già a partire dal 1960 si cominciò a ipotizzare che la stimolazione transcranica potesse essere
utilizzare per ridurre i sintomi della depressione e, dai primi studi condotti in questa direzione,
emerse che in seguito alla stimolazione anodica si riscontrava nei soggetti sperimentali un
aumento della vigilanza e un miglioramento del tono dell'umore , viceversa dopo la stimolazione
catodica, essi divenivano più silenziosi, lievemente rallentati e ritirati su di sè (Lippold e
Redfearn, 1964). Negli anni seguenti ulteriori studi (Costain et al., 1964; Redfearn et al., 1964;
Baker, 1970; Carney et al., 1970; Herjanic e Moss-Herjanic, 1967; Nias e Shapiro, 1974;
Ramsay e Schlagenhauf, 1966; Arfai et al., 1970; Koenigs et al., 2009; Sheffield e Mowbray,
1968) vennero condotti ma i risultati ottenuti furono molto contrastanti tra loro. Una causa
possibile di tale varietà nei risultati è da ritenersi l'ampiezza ridotta e l'ampia variabilità nel
campione di pazienti presa in esame, e l'assenza di protocolli standard per il montaggio degli
elettrodi. Negli anni '70 e '80 gli studi sulla tDCS si fermarono per questi motivi ed anche a
causa della crescente diffusione degli psicofarmaci antidepressivi. Tuttavia, di recente, c'è stato
un rinnovato interesse per questa procedura, considerata promettente nel modificare l'eccitabilità
corticale (Nitsche e Paulus, 2000, 2001; Nitsche et al., 2003a). Ad esempio, Nitsche e colleghi
(2009) hanno studiato il ruolo della stimolazione transcranica nel trattamento della depressione
maggiore: essendo in genere caratterizzata da alterazioni dell'attività e dell'eccitabilità corticale
soprattutto nelle aree prefrontali, la tDCS potrebbe agire modulando tale eccitabilità in maniera
stabile per alcune ore dopo la sua somministrazione. Che la tDCS possa efficacemente
influenzare l'attività prefrontale, coinvolta nei disturbi depressivi, emerge da più studi: se
applicata sulla corteccia prefrontale dorsolaterale essa influenza la memoria di lavoro, i processi
decisionali, il comportamento di assunzione del rischio, l'impulsività e le emozioni in risposta a
materiali visivi (Beeli et al., 2008; Boggio et al., 2008; Fecteau et al., 2007a,b; Fregni et al.,
2005); applicata sulla corteccia fronto-polare ha influenza sui compiti di apprendimento (Kincses
et al., 2004). Nonostante ciò vi è tutt'oggi una mancanza di prove empiriche di quali sia il
collegamento tra anomalie neurofisiologiche ed i sintomi clinici della depressione e, pertanto, ci
si muove ancora esclusivamente su basi ipotetiche.
Tuttavia è di fondamentale importanza proseguire nello studio di questa tecnica per il trattamento
dei disturbi depressivi se si considera che essi sono molto diffusi e comportano un ampio costo
in termini socio-economici (Kessler et al., 2003). Per altro non sempre i farmaci antidepressivi,
che comportano spesso pesanti effetti collaterali, risultano efficaci (Rush et al., 2006) e le altre
tecniche fin ora utilizzate per i pazienti farmaco-resistenti sono spesso molto invasive o non
selettive negli effetti indotti, come ad esempio la terapia elettroconvulsiva (TEC) (Pagnin et al.,
2004) o la stimolazione magnetica transcranica (TMS), la stimolazione del nervo vago (VNS) e
la stimolazione cerebrale profonda (Kennedy e Giacobbe, 2007).
Infatti, gli effetti della TMS hanno una durata molto breve, la VNS è una tecnica invasiva e porta
a benefici spesso lievi, la TEC, anch'essa invasiva, provoca indesiderati effetti collaterali
(Wagner et al., 2007). La tDCS rappresenterebbe dunque un' alternativa non invasiva, indolore,
con effetti piuttosto durevoli (Wagner et al., 2007). Pochi minuti di stimolazione provocano
cambiamenti dell'eccitabilità corticale che possono perdurare per un'ora o più (Antal et al., 2004;
Nitsche e Paulus, 2000, 2001; Nitsche et al., 2003a); questi effetti prolungati sembrano dovuti a
cambiamenti neuro-chimici: in particolare dipenderebbero dalle modificazioni indotte nel
recettore NMDA il quale, se inibito da sostanze antagoniste provocherebbe il blocco degli effetti
a lungo termine della tDCS, viceversa sostanze agoniste ne provocherebbero un prolungamento
(Liebetanz et al., 2002; Nitsche et al., 2003b, 2004a). Anche la concentrazione del calcio a
livello interneurale avrebbe un ruolo in questo senso, in quanto gli antagonisti del canale del
calcio impedirebbero l'aumento dell'eccitabilità indotti dalla stimolazione anodica (Nitsche et al.,
2003b).
Gli studi più recenti che hanno analizzato questi effetti della tDCS sulla depressione differiscono
dai primi per densità di corrente utilizzata, posizione degli elettrodi e durata della stimolazione e
la loro efficacia è stata analizzata e provata a livello neurofisiologico. In particolare, in uno
studio piuttosto recente (Fregni et al., 2006) la sua applicazione, per 5 giorni per la durata di 20
minuti ad una intensità di 1 Ampere, in pazienti con depressione maggiore ha portato ad una
riduzione dei sintomi in confronto alla stimolazione sham. Anche altri studi (Boggio et al. 2009),
con l'applicazione della tDCS sulla corteccia prefrontale per 10 giorni con un'intensità di 2
Ampere, hanno dato risultati incoraggianti, che perduravano per circa 30 giorni. Rigonatti e
colleghi (2008) hanno, inoltre, confrontato gli effetti del trattamento con tDCS con quelli di un
farmaco antidepressivo, la fluoxetina. Dai risultati emerge che l'utilizzo della fluoxetina e della
tDCS ha portato ad una riduzione dei sintomi, mentre lo stesso effetto non si è ottenuto nella
condizione sham. Se è vero che gli effetti del farmaco sono risultati simili a quelli della
stimolazione, mentre la fluoxetina comincia a raggiungere la sua massima efficacia dopo 6
settimane dopo l'inizio della sua assunzione, la tDCS ha invece effetti immediati che perdurano
per settimane. Pertanto la tDCS sulla corteccia prefrontale sembra avere effetti clinicamente
rilevanti come l'utilizzo di antidepressivi, senza però provocare effetti collaterali, agendo
immediatamente e con risultati che perdurano per diverse settimane dopo la fine della
stimolazione. Tutte queste evidenze rendono la tDCS una tecnica molto promettente per il
trattamento della depressione, e potrebbe essere usata nelle prime settimane di assunzione dei
farmaci nel lasso di tempo in cui essi ancora non esercitano la loro efficacia. Tuttavia, sono
necessari ulteriori studi con campioni molto ampi, prima che il suo utilizzo possa avvenire in
ambito clinico. A tale proposito è necessario infatti analizzare alcuni aspetti importanti: ad
esempio non è ancora chiaro su quale specifica area della corteccia prefrontale dovrebbe essere
applicata la stimolazione affinché risulti più efficace e se anche altre aree cerebrali possono
essere considerate valide alternative per ottenere un'ottimale riduzione dei sintomi; similmente,
non è chiaro quale sia il protocollo di stimolazione ottimale per ottenere la massima stabilità
degli effetti antidepressivi: ad esempio definire il numero di stimolazioni al giorno ed il numero
di sessioni, valutare quando effettuare nuovamente ulteriori sedute di rinforzo, una volta svaniti
gli effetti; è inoltre importate effettuare follow-up a distanza di tempo per valutare la stabilità
degli effetti dopo le 4 settimane successive alla stimolazione. Inoltre gli studi citati sono stati
coinvolti pazienti con diagnosi recente di depressione e sintomi lievi, mentre sarebbe interessante
valutarne l'efficacia anche in pazienti con una lunga storia di depressione e con sintomi più gravi.
In più, tali studi sono stati condotti coinvolgendo pazienti che non assumevano farmaci
antidepressivi, ma poiché gli effetti della tDCS sono influenzati da neuromodulatori quali
dopamina e acetilcolina (Kuo et al., 2007, 2008), è fondamentale capire se essa può funzionare
anche in coloro che ne fanno uso. Infine, sono ancora poco chiari i meccanismi di azione della
tDCS e la relazione tra la neuromodulazione frontale e gli effetti antidepressivi visibili a livello
clinico. I risultati fin ora ottenuti quindi, pur essendo promettenti e giustificando ricerche future,
sono ancora insufficienti per poter inserire la tecnica tra i rimedi antidepressivi, affiancandola ai
farmaci e a trattamenti psicoterapeutici.
La tDCS, oltre che potenzialmente efficace per il trattamento della depressione, viene anche
ritenuta in grado di modificare le prestazioni in numerosi compiti cognitivi, pertanto è stato
studiato il suo effetto su specifiche funzioni cognitive. In particolare, Mengarelli e colleghi
(2013) si sono concentrati sulla sua azione nei meccanismi cerebrali che si attivano quando gli
individui modificano le loro preferenze in base alle scelte che hanno effettuato in precedenza, in
modo che si allineino maggiormente ad esse. Infatti, secondo la Teoria della Dissonanza
Cognitiva (Festinger, 1957), quando le persone operano una scelta tra due alternative ugualmente
desiderabili, subito dopo tendono a modificare le proprie preferenze ed atteggiamenti verso le
due opzioni, in modo da considerare come meno desiderabile di prima quella scartata mentre
quella scelta viene considerata migliore e pertanto diviene maggiormente in linea con i
comportamenti agiti (Brehm, 1956; Harmon-Jones e Harmon-Jones, 2002). Questo cambiamento
di preferenze avviene affinché possa essere ridotto lo stato di dissonanza cognitiva derivante dal
fatto di aver preso una decisione in cui entrambe le alternative erano state valutate come positive
ma dove solo una di questa è stata scelta. Tale dissonanza cognitiva crea, infatti, uno stato di
attivazione emozionale spiacevole che può essere ridotto solo se viene risolto lo stato di
incongruenza che lo ha provocato. Questo fenomeno, noto nelle sue implicazioni
comportamentali, rimane invece poco conosciuto rispetto ai meccanismi neuronali ad esso
sottesi. Da alcuni studi (Qin et al., 2011; Harmon-Jones, Harmon-Jones, et al., 2008) (Botvinick
et al., 2001, 2004; Harmon-Jones, Gerdjikov, et al., 2008; Jarcho et al., 2010; Izuma et al., 2010)
è emerso che ad essere implicata in questo processo di cambiamento di atteggiamento è la
corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC), regione cerebrale coinvolta nei processi di controllo
e risoluzione dei conflitti (Botvinick et al., 2001, 2004); dunque essa svolgerebbe un ruolo
importante nella risoluzione dei conflitti tra i comportamenti e gli atteggiamenti rendendo questi
ultimi coerenti con i comportamenti avuti precedentemente. Per tale ragione, Mengarelli e
colleghi (2013) hanno condotto una sperimentazione per studiare il coinvolgimento di questa
regione in tale processo, utilizzando la stimolazione transcranica a corrente diretta catodica;
essendo la tDCS una tecnica di neuro-modulazione selettiva, ha permesso di stimolare in modo
mirato l'area della DLPFC sinistra e destra. Infatti, poiché la dissonanza cognitiva implica una
certa quota di razionalizzazione e autocontrollo (Brehm, 1956; Festinger ,1957; Aronson et al.,
1995; Harmon-Jones and Harmon-Jones, 2002; Harmon-Jones, Harmon-Jones, et al., 2008; van
Veen et al., 2009; Izuma et al., 2010; Jarcho et al., 2010; Qin et al.,2011) ed essendo l'emisfero
sinistro particolarmente coinvolto in questo processo (Ramachandran , 1995, 1996; Gazzaniga et
al., 1996; Tomarkenand e Keener, 1998; Boggio et al., 2008; Ochsner e Gross, 2008; Berkman e
Lieberman, 2009), l'ipotesi della ricerca era che l'area sinistra della corteccia (e non la destra)
fosse implicata in questo processo. Pertanto l'ipotesi dello studio era che i soggetti a cui veniva
somministrata la stimolazione sham o la stimolazione catodica sulla corteccia destra, avrebbero
mostrano i tipici cambiamenti di atteggiamento in base alla decisione presa, mentre in coloro a
cui veniva somministrata la stimolazione catodica sulla corteccia sinistra questo processo non si
sarebbe verificato, poiché essa lo avrebbe inibito; tali ipotesi sono state convalidate dai risultati
ottenuti. L'aspetto importante di questo studio è che grazie alla stimolazione tDCS si è potuto
stimolare selettivamente un'area specifica e determinare il ruolo cruciale della corteccia
prefrontale dorsolaterale sinistra e non di quella destra nel processo di cambiamento delle
preferenze indotte dalle scelte fatte.
Un altro esempio di applicazione della tDCS nello studio di specifiche funzioni cognitive è
rappresentato dalla ricerca di Fumagalli e colleghi (2010), il quale ha utilizzato questa tecnica
per analizzarne i meccanismi d'azione sui comportamenti utilitaristici, ovvero quei
comportamenti messi in atto quando si agisce in base al proprio guadagno a discapito degli altri.
In questo caso la tDCS è stata applicata sulla corteccia prefrontale ventrale (VPC) e sulla
corteccia occipitale (OC), in quanto la VPC sembra essere coinvolta nei processi decisionali
(Greene et al., 2004; Anderson et al., 1999; Ciaramelli et al., 2007; Damasio et al., 1994; Greene
et al., 2002; Greene et al., 2001; Koenigs et al., 2008; Moll et al., 2007). Dunque la tDCS è stata
applicata sulla VPC per indagare se influenzando l'eccitabilità corticale di questa area
avvenissero cambiamenti nei giudizi utilitaristici e se le diverse risposte degli uomini e delle
donne alla stimolazione fossero alla base delle differenze di genere nel pensiero utilitaristico. Dal
confronto dei test di giudizio morale eseguiti dai soggetti prima e dopo la stimolazione, emerge
che sui maschi la stimolazione sia anodica che catodica applicata sulla VPC non induce nessun
cambiamento e che se applicata sulla OC essa lascia i giudizi utilitaristici invariati in entrambi i
sessi; invece nelle donne la tDCS catodica sulla VPC fa decrescere anche se non notevolmente le
risposte utilitaristiche mentre quella anodica le incrementa significativamente. Inoltre negli
uomini e nelle donne i tempi di reazione per le risposte utilitaristiche diminuivano dopo la
stimolazione catodica sulla VPC ma non dopo quella anodica. Si può quindi concludere che la
tDCS, anodica e catodica, applicata sulla VPC ha effetti sulle risposte utilitaristiche a dilemmi
morali delle donne ma non degli uomini mentre la stimolazione sulla OC invece non provoca
effetti di rilievo e la stimolazione catodica altera il tempo per il ragionamento utilitaristico in
entrambi i sessi. Questa differenza negli effetti negli uomini e nelle donne fa ipotizzare che la
VPC controlli in maniera differenziata il ragionamento utilitaristico nei due sessi.
Un'altra importante funzione cognitiva di cui la tDCS può aiutare a capire i meccanismi cerebrali
è la vigilanza. Le regioni che sembrano essere particolarmente coinvolte in questo
comportamento sono quelle frontali (Parasuraman et al., 1998): diversi studi (Berman e
Weinberger, 1990; Buchsbaum et al.,1990; Cohen et al., 1988; Cohen et al., 1992; Coull,
Frackowiak, e Frith, 1998; Deutsch et al., 1988; Lewin et al., 1996; Pardo et al., 1991; Reivich e
Gur, 1985) hanno dimostrato che nelle prove di vigilanza si verifica un'attivazione del lobo
frontale, ed in particolare della corteccia prefrontale destra. In uno studio di Nelson e colleghi
(2012) è stata dunque applicata la tDCS sulla corteccia prefrontale dorsolaterale per determinare
il ruolo di quest'area nelle prove di vigilanza e per determinare se la sua modulazione in
momenti diversi della prova potesse influenzare la perfomance o l'emodinamica cerebrale.
L'ipotesi guida era che tale stimolazione potesse rallentare il processo di diminuzione della
vigilanza in maniera diversa in base al momento in cui veniva applicata: la tDCS prima della
prova avrebbe dovuto portare ad una riduzione del decremento della vigilanza, applicata più tardi
durante la prova, dopo che il processo di decremento della vigilanza aveva già avuto inizio,
avrebbe dovuto riportare la performance ai livelli iniziali della prova. Gli effetti della
stimolazione sono stati valutati esaminando le variazioni nel comportamento nelle prove, la
velocità del flusso del sangue emisferico utilizzando il Doppler transcranico (TCD) e
l'ossigenazione del sangue locale attraverso un ossimetro. I risultati sono stati poi confrontati con
la stimolazione sham. Sulla corteccia frontale dorsolaterale sinistra (dlPFC) è stata effettuata la
stimolazione anodica, mentre su quella destra la catodica. Dai risultati emerge che con la
stimolazione la velocità del flusso del sangue subisce un minor decremento mentre
l'ossigenazione cerebrale aumenta e a livello comportamentale si verifica un miglioramento nelle
prove. Nella condizione di controllo, invece, il tempo per l'esecuzione della prova è maggiore e
si verifica un calo nella performance, i tempi di reazione si allungano e si registra una
diminuzione della velocità del flusso sanguigno; tutto ciò indica un decremento della vigilanza.
La vigilanza è molto importante nella vita quotidiana di ciascuno ed in particolare per coloro che
svolgono lavori che richiedono un alto livello di attenzione per lungo tempo e per il trattamento
di quei disturbi neurologici o psichiatrici che coinvolgono l'attenzione prolungata. Sarebbe
quindi molto utile avere a disposizione uno strumento in grado di contrastare il decremento della
vigilanza e questo studio dà alcune speranze che la tDCS possa diventarlo, tuttavia ulteriori studi
si rendono necessari soprattutto perché ancora non si conoscono i possibili rischi nell'indurre la
stimolazione per tempi prolungati, come settimane o mesi.
Ci sono, infine, evidenze del fatto che sessioni ripetute di tDCS durante l'apprendimento di
abilità visuomotorie possa portare anche ad un notevole incremento nell'acquisizione di queste
abilità (Reis et al., 2009; Zimerman et al., 2013). La possibilità di poter incrementare le abilità
motorie attraverso l'utilizzo della tDCS appare interessante se si pensa a quanta importanza
queste abbiano nella vita di tutti i giorni e che, se esse subiscono un impoverimento a causa di
lesioni cerebrali o malattie, si ha una netta diminuzione della qualità di vita e dell'autonomia e
prolungati e costosi percorsi di riabilitazione si rendono necessari. Uno studio recente (Reis et
al., 2013) ha quindi indagato se il consolidamento di queste abilità potesse effettivamente essere
incrementato dalla tDCS e se questo dipendesse dal trascorrere del tempo o dal sonno effettuato
in una notte. A tal fine, è stata applicata la tDCS anodica e la sham sulla corteccia motoria
sinistra, controlateralmente alla mano impegnata nella prova. Ciò che si è ottenuto è che la tDCS
anodica insieme ad allenamenti motori ripetuti aiuta il consolidamento delle abilità in complesse
prove visuo-motorie, impedendo il manifestarsi della perdita dell'abilità a distanza di giorni.
Inoltre, è risultato evidente che la perdita di abilità in seguito alla stimolazione sham e la loro
acquisizione in seguito al quella anodica dipendono dal passare del tempo dopo l'addestramento
ma non dal sonno. Dunque la tDCS sembra possa interagire direttamente con il processo di
consolidamento fisiologico di queste competenze. Tuttavia, se essa viene effettuata dopo
l'addestramento non si ottengono gli stessi risultati, ciò significa che è importante somministrarla
durante l'addestramento, dal momento che il consolidamento avviene già durante questa fase. In
definitiva la tDCS anodica è in grado di sostenere vari aspetti dell'apprendimento motorio (Reis
et al., 2009; Galea et al., 2011; Kantak et al., 2012) che può tradursi in miglioramenti stabili nella
performance per alcuni mesi (Reis et al., 2009).
I meccanismi esatti attraverso cui la tDCS è in grado di produrre gli effetti presi in esame negli
studi presentati in questa sede non sono ancora del tutto chiari. Una ipotesi di funzionamento
viene avanzata da Polania e colleghi (2010) secondo i quali gli effetti della stimolazione
potrebbero essere dovuti dalla modificazione delle connessioni della rete corticale funzionale da
essa indotta. Evidenze in merito sono emerse da un loro studio in cui hanno analizzato l'impatto
della tDCS sull'attività della rete corticale. La corteccia cerebrale umana mostra specifici pattern
di interconnessione funzionale che collegano tutte le regione del cervello (Salin e Bullier, 1995).
Nel loro studio, dunque, è stata utilizzata una metodologia chiamata probabilità di
sincronizzazione (SL) per misura sia le interdipendenze lineari che quelle non lineari tra i sistemi
dinamici (Stam e Dijk, 2002) per studiare la connettività funzionale. La rappresentazione delle
reti cerebrali del cervello umano è stata ottenuta grazie all'utilizzo della teoria dei grafi
(Micheloyannis et al., 2006; Sporns e Zwi, 2004; Stam et al., 2007, 2009). Questo approccio
consente di esaminare i pattern di connettività funzionale tra le aree del cervello, utile per avere
informazioni rispetto alla loro organizzazione e capacità di integrazione e trasferimento di
informazioni all'interno e tra differenti regioni cerebrali. Lo studio di Polania indaga, dunque, se
la tDCS può essere in grado di provocare cambiamenti diffusi nella connettività funzionale del
cervello mediante l'analisi dei grafi basata sulla registrazione di 62 canali EEG prima e dopo la
stimolazione anodica sulla corteccia motoria primaria con il catodo applicato sull'orbita
controlaterale, durante uno stato di riposo e durante l'esecuzione di una prova motoria. Si è visto
che dopo la stimolazione attiva, ma non dopo la sham, vi è un aumento della sincronizzazione
non solo della corteccia motoria, ovvero dell'area stimolata, ma anche di quella pre-motoria e
senso-motoria cioè di tutte quelle coinvolte nella prove. Inoltre, la tDCS porterebbe a
modificazioni nel collegamento intraemisferico ed interemisferico. In definitiva, la tDCS porta a
cambiamenti nella sincronizzazione cerebrale e nell'architettura corticale funzionale. Un aspetto
importante di tali effetti benefici della tDCS su questi parametri potrebbe essere il potenziamento
delle connessioni sinaptiche collegate all'apprendimento poiché in questo modo essa potrebbe
incrementare il collegamento funzionale tra le aree cerebrali coinvolte nelle prove.
Da precedenti studi (Stam et al., 2007) era stato riscontrato che le disfunzioni cognitive causate
dall'Alzheimer potessero essere parzialmente spiegate da una disconnessione funzionale tra aree
del cervello lontane. A questo proposito, la tDCS anodica è sembrata capace di incrementare le
performance nelle prove di memoria in questi pazienti (Boggio et al., 2009). Questo rappresenta
un'ulteriore evidenza del fatto che la tDCS possa agire sulla connettività corticale funzionale.
Futuri studi in questo ambito sono importanti per testare l'applicazione della tDCS
nell'incremento del collegamento neuronale funzionale ed nell'induzione di cambiamenti nella
sincronizzazione in quei soggetti con patologie che hanno provocato la distruzione delle reti
corticali, come ad esempio l'Alzheimer, l'ictus e la sclerosi multipla (Kotini et al., 2007),
utilizzando l'analisi dei grafi per tracciare in modo non invasivo la guarigione della connettività
funzionale.
Capitolo 3. Effetti della stimolazione tDCS sull’elettrofisiologia spontanea
3.1 Effetti sull’EEG a riposo
La stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) offre nuove prospettive di intervento
nell'ambito delle neuroscienze cognitive e della neuropsicologia sia nei contesti di ricerca che in
quelli terapeutici. Come visto in precedenza, in molti studi essa è stata impiegata con successo
per la modulazione dell'eccitabilità corticale, esercitando di volta in volta i suoi effetti su diverse
funzioni senso-motorie e cognitive in soggetti sani o affetti da patologie (Antal, Paulus, Nitsche,
2011; Jacobson, Koslowsky, Lavidor, 2012; Nitsche e Paulus, 2011; Utz, Dimova, Oppenlander,
Kerkhoff, 2010; Vallar e Bolognini, 2011). I risultati ottenuti hanno incoraggiato l'utilizzo di
questa tecnica per la riabilitazione neurologica, dal momento che essa è risultata in grado di
indurre non soltanto effetti durante la sua applicazione (effetti on-line) sull'attività neuronale
spontanea, ma anche effetti a lungo termine dopo la fine della stimolazione (effetti off-line)
attraverso meccanismi di potenziamento e depressione sinaptica a lungo termine (Liebetanz,
Nitsche, Tergau, Paulus, 2002; Nitsche, Fricke et al., 2003, 2008; Stagg et al., 2009). In
particolare, si è dimostrata efficace nella riabilitazione di pazienti con disturbi neuropsichiatrici e
neurologici quali l'epilessia (Fregni, Thome-Souza et al., 2006; Nitsche e Paulus, 2009), il morbo
di Parkinson (Fregni et al., 2006), l'Alzheimer (Ferrucci et al., 2008), il dolore cronico
(O'Connell et al., 2011; Bolognini, Olgiati, Maravita, Ferraro, Fregni, 2013), l'emicrania (Antal
et al., 2008; Dasilva et al., 2012), la depressione maggiore (Boggio et al., 2008; Ferrucci et al.,
2009; Brunoni et al., 2011; Nitsche, Boggio, Fregni, Pascual-Leone, 2009), i deficit cognitivi e
motori nei pazienti con disturbi cerebrovascolari (Bolognini, Pascual-Leone, Fregni, 2009;
Gomez et al., 2013; Kandel, Beis, Le Chapelain, Guesdon, Paysant, 2012; Monti et al., 2012;
Mylius et al., 2012). Inoltre, è risultata più sicura rispetto alle tecniche di stimolazione cerebrale
invasive e meno costosa e più semplice nell'utilizzo rispetto alla stimolazione magnetica
transcranica (TMS); nonostante ciò, ancora non si conoscono i suoi esatti meccanismi di
funzionamento. Come illustrato precedentemente, a livello neuronale la tDCS modula
l'eccitabilità corticale modificando il potenziale di membrana a riposo dei neuroni,
incrementandone o diminuendone il livello di eccitazione spontanea in base alla polarità
utilizzata. Gli effetti a lungo termine e dipendenti dalla polarità della tDCS sono stati esplorati
per la prima volta in soggetti umani attraverso la stimolazione della corteccia motoria, misurando
il livello di eccitabilità corticale mediante la stima dell'ampiezza dei potenziali motori evocati
(MEP) con la TMS (Nitsche e Paulus, 2001; Nitsche et al., 2005; Priori, Berardelli, Rona,
Accornero, Manfredi, 1998). Gli effetti eccitatori e inibitori sono stati accertati nelle aree
sensoriali e motorie, sia a livello fisiologico che comportamentale, mentre risultati più
controversi sono stati ottenuti per le attività mentali di più alto livello (Jacobson et al., 2012).
L'origine degli effetti on-line della stimolazione potrebbero avere origine dai meccanismi
cellulari che coinvolgono la polarizzazione della membrana, mentre quelli off-line potrebbero
dipendere da meccanismi di potenziamento e depressione a lungo termine mediati dai recettori
del neurotrasmettitore NMDA e dall'alterazione dell'attività GABA-ergica e della concentrazione
intracellulare di calcio (Liebetanz et al., 2002; Nitsche, Fricke et al., 2003; Stagg et al., 2009).
Dunque, gli effetti a lungo termine della stimolazione anodica verrebbero prolungati dagli
agonisti NMDA (Nitsche, Jaussi et al., 2004), ridotti dai suoi antagonisti (Nitsche et al., 2004) e
annullati, indipendentemente dalla polarità, dal destrometorfano, un antagonista NMDA.
Gli effetti a lungo termine della stimolazione coinvolgerebbero anche meccanismi non sinaptici
che originano dai cambiamenti del pH e delle proteine transmembrana che altererebbero l'attività
della membrana neuronale (Ardolino, Bossi, Barbieri, Priori, 2005). Tuttavia, oltre ai
cambiamenti nell'eccitabilità corticale nell'area sotto gli elettrodi di stimolazione, la tDCS
sarebbe in grado di influenzare anche la connettività corticale attraverso la modulazione
dell'attività di aree cerebrali lontane, connesse funzionalmente o strutturalmente all'area
stimolata (Romero Lauro et al., 2014). Tuttavia, ad oggi, gli esatti meccanismi neurofisiologici
della tDCS e come essi si diffondano attraverso le reti corticali non è ancora del tutto chiaro
(Brunoni et al., 2011). A tal proposito, l'uso combinato di tecniche di neuroimaging e tDCS può
essere determinante per raggiungere maggiori conoscenze rispetto a questi meccanismi. Per tale
ragione, Romero Lauro e colleghi (2014) hanno condotto uno studio in cui hanno utilizzato in
maniera congiunta la stimolazione magnetica transcranica (TMS) e l'elettroencefalografia (EEG)
per esplorare la modulazione dell'eccitabilità corticale locale e globale durante e dopo la tDCS
attiva e sham. Il vantaggio principale dell'utilizzo congiunto di queste tecniche è rappresentato
dalla possibilità di ottenere informazioni dirette ed in tempo reale sulla reattività corticale,
attraverso la registrazione e l'analisi dei potenziali evocati della TMS (TEP) in modo da far luce
sui meccanismi d'azione della tDCS ancora poco chiari. In particolare, in questo studio è stato
utilizzato un sistema integrato di TMS ed elettroencefalografia (TMS-EEG) per esplorare gli
effetti della tDCS anodica della corteccia parietale posteriore (PPC), che sembra avere un ruolo
cruciale in molte attività senso-motorie e cognitive (Andersen e Cui, 2009; Critchley, 1953;
Fogassi e Luppino, 2005; Ikkai e Curtis, 2011; Shomstein et al., 2012); difatti precedentemente
la tDCS è stata applicata efficacemente su quest'area per modulare processi sensoriali
(Bolognini, Fregni, Casati, Olgiati e Vallar, 2010; Bolognini, Olgiati, Rossetti, e Maravita, 2010;
Bolognini, Olgiati, Maravita, Ferraro, e Fregni, 2013; Convento, Vallar, Galantini e Bolognini,
2013; Mancini, Bolognini, Haggard e Vallar, 2012) e cognitivi (Berryhill,Wencil, Branch Coslett
e Olson, 2010; Sparing et al., 2009; Stone e Tesche, 2009) in soggetti sani. In questo caso, è stata
analizzata l'eccitabilità globale e locale durante la stimolazione e dopo 15 minuti dalla sua fine,
la TMS e l'EEG sono state applicate sulla corteccia parietale posteriore sinistra (PPC) prima,
durante e dopo 15 minuti dall'erogazione della tDCS sulla PPC destra. Gli indici di eccitabilità
globale sono stati ottenuti dalle registrazioni di tutti gli elettrodi EEG, mentre quelli locali sono
stati calcolati in 6 gruppi di elettrodi: nelle aree frontali, parietali e temporali. I risultati ottenuti
mostrano che l'eccitabilità corticale globale viene incrementata sia durante che dopo la tDCS
attiva; quella locale incrementa dopo la fine della stimolazione bilateralmente nei gruppi di
elettrodi frontali e parietali, mentre nessuna differenza è stata riscontrata in quelli temporali. Ciò
indica che gli effetti della tDCS anodica sono diffusi e che si estendono anche sulle regioni
corticali lontane dall' emisfero stimolato e che quindi non sono ristretti all'area sotto l'elettrodo di
stimolazione. Pertanto, la tDCS sarebbe in grado di modulare l'attività corticale sia nelle regioni
direttamente sotto l'elettrodo sia in quelle anatomicamente collegate se pur distanti a livello
spaziale.
Nonostante la possibilità di utilizzare efficacemente la registrazione EEG congiuntamente alla
tDCS sia stata provata in precedenza (Faria, Fregni, Sebastiao, Dias, e Leal, 2012; Schestatsky et
al., 2013; Wirth et al., 2011), per impedire che la tDCS potesse indurre artefatti nel tracciato
EEG, durante la ricerca gli elettrodi di stimolazione ed il gel conduttivo non sono mai entrati in
contatto con i cavi EEG circostanti e sono stati tenuti lontani dalla terra e dalla referenza. Con le
dovute accortezze, la combinazione di tDCS e TMS-EEG come approccio multimodale sembra,
quindi, promettente (Miniussi, Brignani e Pellicciari, 2012). Combinando la TMS e EEG si
riescono infatti ad esplorare i cambiamenti indotti dalla tDCS sull'area stimolata attraverso i
TEP, che sono considerati una misura affidabile dello stato di attivazione del cervello (Miniussi
eThut, 2010); inoltre, l'EEG permette di indagare lo stato delle reti corticali più estese rilevando
come l'attivazione si diffonda alle aree interconnesse. Inoltre, l'assenza di cambiamenti
riscontrati a seguito della condizione di stimolazione sham, rispetto a quella attiva, consente di
escludere l'intervento di effetti non specifici quali noia o stanchezza, confermando ulteriormente
l'affidabilità dell'approccio TMS-EEG. Ad ogni modo, l'interpretazione dei dati ottenuti dagli
studi di neuroimaging che tracciano gli effetti neurofisiologici della tDCS deve essere svolta con
cautela, dal momento che potrebbero verificarsi delle interferenze vicino al campo magnetico
dovute al flusso di corrente della tDCS, che potrebbero confondere i risultati (Antal et al., 2012).
Un altro studio recente in cui è stato utilizzato un approccio multimodale per esplorare la
modulazione corticale indotta dalla tDCS è quello di Pellicciari e colleghi (2013). Gli autori
hanno esplorato la modulazione dell'eccitabilità del sistema motorio indotta dalla stimolazione
utilizzando congiuntamente la TMS e l'EEG. In genere la modulazione corticale del sistema
motorio viene inferita dai cambiamenti nell'ampiezza dei potenziali motori evocati (MEP) (Lang
et al., 2011; Nitsche e Paulus, 2000; Nitsche e Paulus, 2001; Nitsche et al., 2005; Priori et al.,
1998); per superare i limiti di questo approccio indiretto, molti studi si sono focalizzati sulle
misurazioni neurofisiologiche come indicatori sostitutivi degli effetti neuromodulatori indotti
dalla stimolazione (Brunoni et al., 2011). Rispetto a questi, l'uso di tecniche di neuroimaging,
come la risonanza magnetica funzionale (Baudewig et al., 2001; Jang et al., 2009; Kwon et al.,
2008; Polania et al., 2012; Stagg et al., 2009a), la tomografia ad emissione di positroni (Lang et
al., 2005; Paquette et al., 2011), la flussimetria laser doppler (Wachter et al., 2011) e
l'elettroencefalografia (EEG) (Ardolino et al., 2005; Polania et al., 2010a), hanno fornito ulteriori
evidenze dei cambiamenti nell'attività neuronale indotti dalla tDCS. In questo studio, invece,
l'eccitabilità corticospinale e la reattività corticale sono state esplorate misurando rispettivamente
l'ampiezza dei MEP e dei TEP, mentre lo stato corticale è stato analizzato attraverso la
registrazione dell'attività EEG durante uno stato di riposo e durante una prova motoria, in cui
sono stati raccolti anche i tempi di reazione per stimarne gli effetti sulle performance
comportamentali. Tutte le misurazioni sono avvenute prima della tDCS anodica e catodica e
sono stati confrontati gli effetti a breve termine subito dopo la stimolazione e quelli a lungo
termine a 30 minuti dalla sua fine. Dai risultati emerge che la tDCS anodica sulla corteccia
motoria primaria sinistra induce un incremento di eccitabilità corticospinale e di reattività
corticale, mentre quella catodica produce una loro riduzione e tali effetti persistono anche dopo
la stimolazione, sebbene in misura minore. Se l'incremento dell'eccitabilità dopo la tDCS anodica
di verifica su entrambi gli emisferi, quella catodica induce effetti opposti sui due emisferi,
inducendo una riduzione dell'eccitabilità su quello stimolato e una facilitazione su quello
controlaterale. Quanto riscontrato supporta l'ipotesi della diffusione interemisferica
dell'attivazione corticale indotta dalla stimolazione anodica, suggerendo una complessa
distribuzione spaziale dell'azione della tDCS. Quest'ultima, applicata sulla corteccia motoria
primaria, sembra quindi in grado di modulare la reattività corticale motoria in rapporto alla
polarità e di indurre effetti neuromodulatori nell'eccitabilità corticospinale, inducendo un
complesso modello di attivazioni e inibizioni corticali dirette e indirette delle reti connesse al
sistema motorio. Infine, è stato anche osservato un incremento nella densità di corrente nelle
frequenze alfa e theta su tutto lo scalpo per entrambe le polarità di stimolazione, mentre nessun
effetto significativo è stato riscontrato nell'attività oscillatoria del cervello e sulle performance
motorie.
E' comunque probabile che la tDCS non abbia un effetto diretto di tipo eccitatorio o inibitorio,
ma piuttosto un ruolo di modulazione che probabilmente si esprime come cambiamento
nell'eccitabilità dei circuiti corticali. I risultati di questi studi che sostengono che la tDCS possa
influenzare l'interazione interemisferica suggeriscono, quindi, che i benefici comportamentali
ottenuti durante la stimolazione siano indotti non semplicemente da una modulazione locale
nell'area stimolata, ma anche da effetti in aree omologhe dell'emisfero controlaterale, attraverso
una modulazione fisiologica trans-callosa. Queste evidenze neurofisiologiche di un effetto
diffuso della tDCS potrebbero sembrare in contrasto con una serie di dati che mostrano la
selettività degli effetti della stimolazione sul comportamento. Ad ogni modo tale specificità della
stimolazione sul comportamento (Vallar e Bolognini, 2011; Nitsche e Paulus, 2011) potrebbe
dipendere dallo stato base di riferimento dell'area corticale stimolata. Infatti, in uno studio
recente (Polania et al., 2011) sono stati tracciati i cambiamenti nelle reti corticali motorie indotte
dalla tDCS anodica sulla corteccia motoria, confrontando i cambiamenti nello stato di riposo con
i cambiamenti avvenuti durante l'esecuzione di prove; è emerso che l'attività sinaptica indotta
dall'esercizio, rispetto alla stato di riposo, rappresenta un prerequisito per il verificarsi dei
benefici comportamentali indotti dalla stimolazione (Fritsch et al., 2010) e pertanto gli effetti
della tDCS potrebbero verosimilmente variare in base all'attività comportamentale eseguita
durante la sua applicazione.
Per indagare ulteriormente gli effetti della tDCS sui ritmi endogeni del cervello, è stata utilizzata
la TMS per analizzare i cambiamenti nell'eccitabilità della corteccia motoria durante la
stimolazione transcranica a corrente diretta anodica a oscillazioni lente (so-tDCS), in confronto
con quelli ottenuti dalla tDCS a corrente costante (c-tDCS) (Bergmann et al., 2009). Nella tDCS
tradizionale l'intensità della corrente è mantenuta costante (c-tDCS), mentre la so-tDCS induce
fluttuazioni oscillatorie nella corrente indotta nei tessuti. Tale stimolazione transcranica
oscillatoria può modellare in modo non invasivo i ritmi corticali endogeni in modo da modificare
i processi interni del cervello, ma i meccanismi neuronali ad essa sottostanti sono ancora in parte
sconosciuti. Un aspetto che, infatti, è ancora da capire è se la corrente oscillatoria esercita i suoi
effetti direttamente sulla membrana dei neuroni corticali, come accade nella tDCS costante. La
stimolazione transcranica oscillatoria potrebbe influenzare i ritmi endogeni modificando
ripetutamente e con modalità oscillatoria il potenziale di membrana dei neuroni. In questo studio
sono stati indagati i suoi effetti on-line e off-line sull'eccitabilità della corteccia motoria primaria
sinistra confrontandoli con quelli della c-tDCS anodica, stimando l'ampiezza dei MEP dei
muscoli della mano controlaterale. Dai risultati emerge che sia la so-tDCS anodica che la c-tDCS
anodica, sono allo stesso modo in grado di indurre un incremento dell'eccitabilità nella corteccia
motoria sia durante (effetti on-line) che oltre il tempo della stimolazione (effetti off-line).
Gli effetti della so-tDCS sui parametri EEG e sulle performance cognitive sono stati
ulteriormente esplorati in uno studio di von Mengden e colleghi (2011) in cui la so-tDCS è stata
applicata sulle aree fronto-laterali. In precedenti sperimentazioni (Kirov,Weiss, Siebner, Born,
Marshall, 2009) era stato riscontrato che la stimolazione transcranica a oscillazioni lente sulle
aree fronto-laterali di soggetti in stato di veglia influenzava la potenza delle oscillazioni EEG e le
performance di memoria e portava ad un incremento della potenza nelle bande di frequenza beta
e theta. Dallo studio di von Mengden non è emerso invece un miglioramento di rilievo nelle
performance cognitive dopo la stimolazione attiva rispetto alla sham, tuttavia sono state
riscontrate differenze nella potenza delle bande di frequenza beta e theta, indicando che la sotDCS sulle aree fronto-laterali indurrebbe cambiamenti nelle potenze EEG ma nessun effetto
significativo nelle performance cognitive.
La capacità della tDCS di modulare l'attività neuronale e l'EEG a riposo è stata provata anche da
Kaeser e colleghi (2011) che hanno applicato la tDCS anodica sulla corteccia prefrontale
dorsolaterale (DLPFC) sinistra e quella catodica sulla regione sopraorbitale controlaterale per
esplorarne gli effetti sull'attività elettrica neuronale mediante l'analisi degli spettri di potenza
effettuata con l'EEG e mediante la misurazione dell'attività elettrica neuronale effettuata con la
tomografia standardizzata a bassa risoluzione (sLORETA). L'EEG è stato registrato dopo la
stimolazione durante uno stato di riposo, e successivamente è stata eseguita dai soggetti
sperimentali una prova di memoria di lavoro. I risultati ottenuti hanno mostrato una riduzione
dell'attività delta frontale sinistra durante la stimolazione attiva con una riduzione significativa
della densità di corrente per le bande delta nella PFC subgenuale sinistra, nel cingolo anteriore e
nel giro frontale mediale sinistro. Per quanto riguarda i risultati dei test della memoria di lavoro,
nelle performance dei soggetti sono stati riscontrati miglioramenti in seguito alla tDCS
prefrontale sulla percentuale di errori, sull'accuratezza e sui tempi di reazione. Ciò suggerisce
che la tDCS anodica sulla DLPFG sinistra e la tDCS catodica sulla regione sopraorbitale
controlaterale è in grado di modulare l'attività elettrica regionale nella corteccia prefrontale e
cingolata anteriore sia in superficie (EEG) che in profondità nei lobi frontali (sLORETA) e
incrementare le performance nella memoria di lavoro. Infatti, mediante la stimolazione anodica
si ottiene un incremento dell'attivazione neuronale, come si evince dai risultati EEG che
mostrano un decremento dell'attività delta e theta ed un incremento di quella beta, che risulta
associata ad un maggior stato di allerta (Barry et al., 2009; Kilner et al., 2005) e ad un'aumentata
connettività funzionale (Hlinka et al., 2010). Tale dinamica sarebbe alla base dell'ampio range di
effetti comportamentali indotti dalla stimolazione già riscontrato in studi precedenti dove la
tDCS sulla corteccia prefrontale dorsolaterale sinistra (DLPCF) aveva portato ad un incremento
nella memoria di lavoro e ad un miglioramento in altri ambiti cognitivi (Boggio et al., 2006;
Dockery et al., 2009; Elmer et al., 2009; Ferrucci et al., 2008; Fertonani et al., 2010; Fiori et al.,
2010; Fregni et al., 2005; Kincses et al., 2004; Marshall et al., 2004; Ohn et al., 2008). Inoltre, la
tDCS prefrontale sembra anche in grado di modulare la percezione del dolore (Boggio et al.,
2009, 2008b), di influenzare il comportamento sociale (Knoch et al., 2008) avere un'influenza
sull'assunzione di comportamenti a rischio (Beeli et al., 2008a,b; Fecteau et al., 2007a,b);
influenzare il desiderio di determinati cibi (Fregni et al., 2008) ed il tempo di reazione per
mentire (Priori et al., 2008). Inoltre alcuni studi (Boggio et al., 2007, 2008a; Ferrucci et al.,
2009; Fregni et al., 2006; Rigonatti et al., 2008) mostrano risultati promettenti della tDCS
prefrontale nei soggetti depressi, suggerendo un sua azione terapeutica. Pertanto, poiché la tDCS
prefrontale sembra esercitare un'influenza su un'ampia gamma di disturbi e comportamenti
(Boggio et al., 2006; Jo et al., 2009), è di fondamentale importanza indagarne i sottostanti
meccanismi di funzionamento dal momento che la distribuzione, la direzione e l'estensione dei
suoi effetti sulla fisiologia cerebrale ancora non sono stati totalmente chiariti. Per far luce su
questi effetti della stimolazione prefrontale sulla connettività funzionale, un ulteriore studio di
Kaeser e colleghi (2011) ha indagato l'efficacia della stimolazione transcranica applicata sulla
DLPFC sinistra sulla connettività delle reti neuronali allo stato di riposo (RSN) misurati
mediante la risonanza magnetica funzionale (fMRI). In questo modo sono state analizzate le
variazioni nella connettività funzionale delle reti neuronali allo stato di riposo (RSN) che
comprendono le aree all'interno della corteccia prefrontale, come il Default Mode Network (
DMN) ed il network fronto-parietale (FPN) così come nelle aree sottostanti o vicino agli
elettrodi di stimolazione. La connettività delle reti corticali osservata con la fMRI prima e dopo
la stimolazione ha mostrato significativi cambiamenti in seguito all'effettiva stimolazione
rispetto alla sham, il che dimostra che la tDCS prefrontale modula in modo diffuso la
connettività di diverse reti funzionali a riposo del cervello umano, provocando variazioni nella
connettività funzionale nelle aree vicino l'elettrodo anodico e catodico, ma anche in aree
cerebrali più distanti. In particolare questi effetti sono rintracciabili in tre network corticali a
riposo, quale la porzione frontale del DMN, la FPN sinistra e destra e la corteccia cingolata
posteriore destra (PPC), che coinvolgono le regioni cerebrali implicate in attività cognitive
superiori (Raichle e Gusnard, 2002; Greicius et al., 2003; Damoiseaux et al., 2006; Laufs, 2008;
van den Heuvel et al., 2009). Date queste co-attivazioni frontoparietali si ipotizza che la tDCS
possa incrementare la connettività all'interno di queste aree, che sono coinvolte nei processi
attentivi (Laufs et al., 2003; Greicius e Menon, 2004; Fox et al., 2005; Fransson, 2005; van de
Ven et al., 2008); difatti un incremento dell'attivazione delle regioni frontali e parietali è
associato alla modulazione dell'attenzione e della memoria di lavoro (Corbetta e Shulman, 2002).
Diversi studi mostrano poi un'incrementata attivazione delle aree frontoparietali destra e sinistra
durante l'impegno cognitivo (D’Esposito et al., 1995; Braver et al., 1997; He et al., 2007; Kelly
et al., 2008; Volle et al., 2008). Pertanto, la tDCS incrementando l'attivazione nei DMN e FPN
potrebbe incrementare lo stato di attenzione e le attività cognitive ad esso associate. In definitiva,
poiché ci sono sempre maggiori evidenze rispetto al fatto che l'integrità e la forza della
connettività funzionale spontanea siano importanti per molti compiti comportamentali e cognitivi
(Massimini et al., 2005; Hampsonet al., 2006; Heet al., 2007; Schacter et al., 2007; Kelly et al.,
2008; Schilbach et al., 2008; Lewis et al., 2009; Ferrarelli et al., 2010; Wirth et al., 2011), i
risultati ottenuti in questo studio spiegano perché un' ampia gamma di ambiti cognitivi viene con
successo modulata dalla tDCS prefrontale (Wassermann e Grafman, 2005; Sparing et al., 2008;
Cerruti e Schlaug, 2009; Dockery et al., 2009; Elmer et al., 2009; Fertonani et al., 2010; Hecht et
al., 2010; Ambrus et al., 2011; Fiori et al., 2011).
Tutti gli effetti della tDCS sulla modulazione cerebrale qui presentati sembrerebbero dipendere
dal sottostante stato corticale. Per indagare quest'aspetto, Schutter e Hortensius (2011) hanno
condotto un doppio studio per isolare e manipolare i ritmi cerebrali associati all'eccitabilità
corticale. Nel primo dei due esperimenti è stata utilizzata l'elettroencefalografia (EEG) e la
stimolazione magnetica transcranica (TMS) applicata sulla corteccia motoria per esplorare le
associazioni tra lo stato cerebrale e l'eccitabilità corticale. Sono state quindi registrate
simultaneamente le oscillazioni cerebrali dello scalpo mediante l'EEG e l'ampiezza dei MEP
mediante la TMS sulla corteccia motoria primaria durante contrazioni isometriche della mano. I
risultati ottenuti sono stati usati in un secondo esperimento per modulare selettivamente i livelli
di eccitabilità corticale in modo dipendente dalla frequenza mediante la stimolazione
transcranica a corrente alternata (tACS).
I risultati mostrano che l'ampiezza dei MEP possono essere modulati dalle oscillazioni theta e
beta sulla corteccia motoria sinistra e destra, infatti incrementi significativi nell'eccitabilità
corticale sono stati riscontrati dopo la tACS theta e beta in confronto alla tACS di riferimento
alfa. Questi risultati suggeriscono che in aggiunta alla generale attivazione del tratto
corticospinale, le reti corticali formate dalla corteccia motoria sinistra e destra che oscillano nel
range di frequenza theta e beta sembrano contribuire ai livelli locali dell'eccitabilità corticale.
L'attività ritmica del cervello riflette la sincronizzazione delle oscillazioni di ampi gruppi
neuronali in un particolare range di frequenza e costituisce un importante principio organizzativo
dell'attività cerebrale (Thut e Miniussi, 2009). Questo studio fornisce ulteriori evidenze che le
oscillazioni corticali rappresentano un correlato elettrofisiologico dell'eccitabilità corticale, come
precedentemente riscontrato in altri studi in cui era stata dimostrata una connessione tra le
oscillazioni spontanee nell'attività elettrica del cervello e l'eccitabilità corticale (Ma¨ki e
Ilmoniemi, 2010). Sembra, quindi, che i circuiti corticali intra- e inter-emisferici che entrano in
risonanza a frequenze diverse contribuiscano ad incrementare l'eccitabilità locale e ciò potrebbe
rappresentare un approccio alternativo per la modulazione corticale, imitando i ritmi naturali del
cervello mediante la corrente elettrica oscillatoria. Tali risultati possono infine contribuire allo
sviluppo di protocolli di stimolazione EEG per lo studio della fisiologia corticale e per il
trattamento di disturbi psichiatrici attraverso l'utilizzo della corrente elettrica alternata.
3.1.1 Variazioni nelle performance
La stimolazione transcranica a corrente diretta modulando l'attività corticale è in grado di
esercitare un'influenza su molteplici comportamenti e abilità cognitive. Infatti, ci sono sempre
maggiori evidenze sull'efficacia di questa tecnica non solo nello studio delle attività corticali o in
ambito terapeutico, ma anche nell'incrementare abilità cognitive in soggetti sani (McKinley et
al., 2012). Tale aspetto è di fondamentale importanza se si considerano i progressi tecnologici
avvenuti a cui non ha fatto seguito un medesimo sviluppo delle capacità umane. Parasurman e
Rizzo (2008) sono stati tra i primi ricercatori a valutare l'utilizzo delle tecniche provenienti dalle
neuroscienze per il miglioramento delle performance umane al fine di sopperire a questo
progresso impari. Tale area di ricerca è nota come "neuro-ergonomia" e mira a risolvere almeno
in parte questo disallineamento modificando la neurofisiologia e l'attività corticale mediante
stimolazioni cerebrali non invasive. L'utilizzo di queste tecniche sarebbe particolarmente
rilevante in quegli ambiti lavorativi dove abilità cognitive quali ricerca visiva, memoria,
apprendimento, attenzione, vigilanza e riconoscimento di pericoli sono fondamentali per
salvaguardare vite umane, come ad esempio in ambito militare. Tuttavia, limiti al loro utilizzo
sono la bassa selettività d'azione della corrente erogata (Sadleir et al., 2010) e la breve durata
degli effetti. Comunque la tDCS si è dimostrata in grado di migliorare diverse performance
cognitive quali i processi di decision-making ed il comportamento di assunzione del rischio
(Zelazo e Muller, 2002), la memoria (Fregni et al, 2005), i tempi di reazione vocale in prove di
denominazione di immagini (Fertonani et al., 2010), l' apprendimento implicito probabilistico
(Kinces et al., 2004), l' individuazione di pericoli (Clark et al., 2010), le performance di ricerca
visiva (Bolognini et al., 2010), la coordinazione visuo-spaziale (Antal et al., 2004a),
l'acquisizione di nuovi vocaboli (Flöel et al., 2008; Sparing et al., 2008), e di abilità motorie
(Reis, et al., 2009), la fluidità verbale (Wassermann e Grafman, 2005) ed il ragionamento
analogico (Boroojerdi et al., 2001). Ciò nonostante, sono necessari ulteriori studi su più ampia
scala finalizzati esclusivamente a valutare l'efficacia della tecnica nell'incrementare in tempo
reale determinate abilità cognitive e per meglio comprendere i meccanismi d'azione sottostanti e
gli effetti a lungo termine di ripetute applicazioni di stimolazione; è inoltre necessario rendere la
stimolazione più selettiva, circoscritta e meno fastidiosa per i soggetti (Datta, et al., 2008); gli
elettrodi andrebbero a loro volta perfezionati in modo da essere facilmente applicabili, resistenti,
sicuri e discreti poter essere utilizzanti in contesti pratici e senza la presenza di ricercatori; inoltre
andrebbero sviluppate metodologie per attivazioni intelligenti del dispositivo di stimolazione
solo quando necessario per il mantenimento ottimale della performance degli operatori ed,
infine, andrebbero valutate le conseguenze etiche ed i costi-benefici (Hamilton et al., 2011).
Un ambito specifico in cui la tDCS può trovare un utile impiego pratico è nell'incremento della
vigilanza; infatti molti lavori richiedono ai soggetti che li svolgono una veglia prolungata che
può avere un impatto negativo sull'umore e sulle performance. Infatti, una ripetuta deprivazione
di sonno può causare atteggiamenti di ostilità e rabbia (Hart, Buchsbaum, Wade, Hamer,
Kwentus,1987), un allungamento dei tempi di reazione, una minor accuratezza ed un calo
dell'attenzione (Krueger, 1989). Uno dei rimedi comunemente utilizzati per combattere la
stanchezza e mantenere elevato lo stato di vigilanza è la caffeina (Anderson, 2009), tuttavia, i
suoi benefici diminuiscono con l'utilizzo cronico (Miller, Matsangas, Shattuck, 2007) ed i suoi
effetti hanno una breve durata (McLeelan, Kamimori, Voss, Bell, Cole, Johnson, 2005). Inoltre,
se è vero che questa sostanza può aumentare la capacità di rimanere svegli, essa non aiuta
necessariamente a prendere buone decisioni (Killgore, Balkin, Wesensten, 2006) così come non
sono ancora chiari i suoi effetti sull'umore. Pertanto, per valutare se la tDCS potrebbe
rappresentare una valida alternativa, sono stati confrontati i suoi gli effetti con quelli della
caffeina sulla vigilanza e sulle performance cognitive durante uno stato di veglia prolungata
(McIntire et al., 2014). In particolare, la stimolazione è stata applicata sulla corteccia prefrontale
in soggetti deprivati di sonno e ne sono stati esaminati gli effetti sull'attenzione prolungata, sulla
memoria di lavoro e sulle performance psico-motorie, da cui è emersa la sua effettiva capacità di
migliorare tali performance in misura maggiore rispetto alla caffeina, causando minori effetti
collaterali e portando anche ad una migliore valutazione soggettiva della stanchezza e della
sonnolenza, così come dell'energia e dell'umore. La tDCS può essere, quindi, una tecnica
potenzialmente utile per fronteggiare i sintomi della sonnolenza con un'efficacia superiore alla
caffeina e con effetti più durevoli, anche se resta da chiarire se un suo utilizzo cronico può
causarne un affievolimento dell'efficacia.
La tDCS è stata anche testata per il potenziamento dell'intelligenza fluida (Gf) in soggetti sani
mediante l'erogazione di corrente alternata (tACS) nella banda di frequenza gamma sul giro
frontale sinistro (MFG) (Santarnecchi et al., 2013). La risoluzione di problemi richiede la
capacità di andare oltre alle conoscenze e alle esperienze che già si possiedono per codificare e
manipolare nuove informazioni, questo è possibile grazie all'intelligenza fluida (Horn e Cattell,
1966). Le performance che coinvolgono la Gf, come il ragionamento logico ed astratto,
dipendono dalle regioni frontali (Liu, Zhang, Jou, Wu, Li e Qiu, 2012) ed in particolare dal giro
frontale sinistro (Krawczyk, McClelland e Donovan, 2011). In seguito alla stimolazione a bande
gamma su quest'area è stato riscontrato, infatti, un incremento nella Gf . Questi risultati
suggeriscono un coinvolgimento causale dell'attività oscillatoria gamma nei processi sottostanti
la cognizione umana di livello superiore, poiché esse incrementano selettivamente le
performance solo nelle prove più complesse che coinvolgono il ragionamento
logico/condizionale.
Un altro ambito in cui sono stati indagati gli effetti della tDCS è quello legato alla percezione dei
movimenti bistabili (Struber et al., 2013). Quando osserviamo degli stimoli ambigui, la
percezione cosciente alterna spontaneamente interpretazioni concorrenti delle informazioni; uno
dei possibili meccanismi neuronali sottostanti a questi cambiamenti percettivi è la modificazione
dinamica da parte dei neuroni dei loro pattern di attività oscillatoria sincronizzata nella banda
gamma (30-80 Hz) (Engel et al., 2001). Pertanto, è stato verificato il ruolo funzionale delle
oscillazioni nelle bande gamma nella percezione cosciente, applicando la tACS a 40 Hz sulle
aree occipito-parietali di entrambi gli emisferi durante la presentazione di stimoli bistabili. Da
quanto emerso, è stato riscontrato un incremento della coerenza interemisferica e nelle bande di
frequenza gamma e un'influenza sull'esperienza soggettiva dei movimenti bistabili. I risultati
ottenuti sono specifici per la frequenza gamma, come dimostrato dal confronto con l'applicazione
della tACS a 6 Hz, in seguito alla quale non si è riscontrato alcun effetto sul comportamento o
sulla coerenza interemisferica.
La tDCS può trovare utile impiego anche nel potenziamento della memoria. La formazione della
memoria a lungo termine comprende le fasi di codifica e consolidamento, processi che sono
collegati a stati diversi del cervello. Infatti, mentre la fase di codifica si verifica durante la veglia
e, per la memoria dichiarativa ippocampo-dipendente, è associata all'incremento dell'attività
theta (Sarnthein, Petsche, Rappelsberger, Shaw, von SA, 1998; Mo¨lle, Marshall, Fehm, Born,
2002; Sederberg, Kahana, Howard, Donner, Madsen, 2003; Sauseng et al., 2004; Kahana, 2006;
Osipova et al., 2006; Caplan e Glaholt, 2007), quella di consolidamento si verifica durante il
sonno ad onde lente (SWS) (Walker e Stickgold, 2006; Marshall e Born, 2007; Rasch e Born,
2007). Pertanto, la stimolazione transcranica a oscillazioni lente (tSOS) erogando sullo scalpo
una corrente elettrica con una frequenza ed un'ampiezza in accordo con quella delle oscillazioni
lente endogene (0.75 Hz) (Steriade et al., 1993, 1996; Molle et al., 2002), è in grado di
incrementare l'attività ad onde lente (SWA) (Marshall et al., 2006; Kirov et al., 2009), che
caratterizza il sonno ad onde lente (SWS) e che gioca un ruolo importante nel consolidamento
delle memorie dichiarative (Marshall et al., 2006). Ciò avviene probabilmente attraverso un
meccanismo di ridistribuzione delle memorie dipendenti dall'ippocampo appena codificate verso
aree neocorticali deputate alla conservazione della memoria a lungo termine (Diekelmann e
Born, 2010; Born e Wilhelm, 2011); oltre a questo processo, l'attività ad onde lente sembra
facilitare anche la decodifica di nuove informazioni durante il periodo di veglia successivo ad
esso (McDermott et al., 2003; Yoo et al., 2007; Mander et al., 2011). Date tali evidenze, molti
ricercatori hanno esplorato gli effetti della tSOS nei processi di consolidamento e decodifica dei
ricordi. In particolare, Marshall e colleghi (2004) hanno misurato la ritenzione in memoria
dichiarativa e procedurale prima e dopo l'applicazione della tDCS anodica applicata
bilateralmente sulle aree frontocorticali, sia durante la fase di sonno ad onde lente che durante
uno stato di veglia. Dai risultati ottenuti si osserva che la stimolazione anodica, quando applicata
durante il sonno ad onde lente, porta ad un miglioramento nelle performance di memoria
dichiarativa, quando invece è applicata durante la veglia non esercita alcun effetto sulle
performance, sottolineando la dipendenza degli effetti della stimolazione dallo stato del cervello.
Per quanto riguarda la memoria procedurale essa non viene incrementata né a seguito della
stimolazione in veglia né di quella durante il sonno NREM, infatti, essa sembra trarre beneficio
maggiormente dal sonno REM (Smith, 2001; Mednick et al., 2003). Inoltre, la stimolazione
incrementa la profondità del sonno potenziando l'attività oscillatoria lenta e riducendo la potenza
nelle bande di frequenza più rapide (theta, alfa e beta). Il sonno facilita il consolidamento della
memoria probabilmente attraverso una riattivazione protetta delle informazioni codificate da
poco (Maquet, 2001; Pennartz et al., 2002; McNaughton et al., 2003); in particolare, riguardo
alla memoria dichiarativa il SWS fornirebbe uno stato durante il quale le rappresentazioni
acquisite di recente, temporaneamente immagazzinate nell'ippocampo, vengono trasferite nella
neocorteccia per l'integrazione nella memoria a lungo termine (Buzsaki, 1989; Hasselmo, 1999;
McNaughton et al., 2003).
Nel 2005 gli stessi autori hanno poi testato la capacità della tDCS anodica e catodica, applicata
sulla corteccia prefrontale laterale, di modulare l'attività delle reti corticali implicate nella
memoria di lavoro. Nelle operazioni della memoria di lavoro sono coinvolti diversi sottosistemi
(Goldman e Rakic, 1996), tra cui l'attività neuronale della corteccia prefrontale e parietale
(Miniussi e Rossini, 2004; Passingham e Sakai, 2004). Si è trovato che la stimolazione in
entrambe le polarità compromette i processi nervosi centrali collegati alla scelta e alla
preparazione della risposta nelle prove di recupero rallentando i tempi di reazione senza però
interferire con le operazioni della memoria di lavoro. Questo risultato è attribuibile all'influenza
della tDCS sull'attività oscillatoria corticale coinvolta nella prova dal momento che entrambe le
polarità di stimolazione causano cambiamenti nei potenziali di membrana dei neuroni corticali.
In effetti, le operazioni collegate alla memoria di lavoro sono associate alla modulazione
dell'attività oscillatoria, in particolare dell'attività theta (Gevins, Smith, McEvoy, Yu, 1997;
Sarnthein, Petsche, Rappelsberger, Shaw, von Stein, 1998; Jensen e Tesche, 2002; Schack, Vath,
Petsche, Geissler, Moller, 2002) e, poiché la tDCS ha la capacità di influenzarla (Marshall,
Mölle, Hallschmid, Born, 2004; Antal, Varga, Kincses, Nitsche, Paulus, 2004), è probabile che
la sua azione sulle oscillazioni theta comporti un effetto dannoso sugli strati corticali superiori
(Bikson, Inoue, Akiyama, Deans, Fox, Miyakawa, Jefferys, 2004; Mechawar, Cozzari,
Descarries, 2000; Blatow, Rozov, Katona, Hormuzdi, Meyer, Whittington, Caputi, Monyer,
2003).
Ci sono quindi numerose evidenze del fatto che il sonno contribuisce al consolidamento della
memoria (Stickgold, 2005) e che tale funzione sia collegata principalmente alle oscillazioni
lente. Il ruolo delle oscillazioni lente nel consolidamento della memoria è dato probabilmente
dalla loro influenza sulla sincronizzazione dell'attività neuronale nella neocorteccia e per la loro
azione sul circuito talamico e ippocampale (Steriade e Timofeev, 2003; Buzsa'ki,1998; Mo¨lle,
Marshall, Gais, Born, 2004; Mo¨lle, Yeshenko, Marshall, Sara, Born, 2006; Wolansky, Clement,
Peters, Palczak, Dickson, 2006). Per verificarlo, esse sono state indotte attraverso l'applicazione
di potenziali oscillatori durante il sonno NREM in seguito ad una fase di apprendimento
(Marshall et al., 2006). Dalla valutazione della memoria dichiarativa e procedurale prima e dopo
il sonno, si è visto che oscillazioni lente indotte attraverso la stimolazione incrementano il
consolidamento della memoria dichiarativa ippocampo-dipendente in misura maggiore rispetto al
sonno post-sham; anche la memoria procedurale è risultata incrementa dopo il sonno ma senza
mostrare differenze significative tra la stimolazione a oscillazioni lente e quella di controllo. Ciò
conferma il ruolo causale delle oscillazioni lente nel consolidamento della memoria e la capacità
della stimolazione di incrementarle. Inoltre, questi risultati sono coerenti con le evidenze
secondo cui la memoria ippocampo-dipendente beneficia principalmente del SWS mentre quella
procedurale dal sonno REM (Stickgold, 2005; Gais e Born, 2004; Peigneux et al, 2004).
L'efficacia della polarizzazione sulla corteccia prefrontale sottolinea, infine, l'importanza di
questa area corticale per la comunicazione tra ippocampo e neocorteccia, che si ritiene essere alla
base del consolidamento della memoria ippocampo-dipendente (Wiltgen, Brown, Talton, Silva,
2004).
Ulteriori evidenze a sostegno di questi risultati sono date dall'esplorazione degli effetti della
tDCS ad una frequenza di 5 Hz, cioè all'interno del range di frequenza theta (theta-tDCS)
(Marshall et al., 2011), tipico del sonno REM (Cantero, Atienza, Stickgold, Kahana, Madsen et
al., 2003; Mitchell, McNaughton, Flanagan, Kirk, 2008). Dalla sua applicazione bilaterale sulle
aree frontali è stato riscontrato che la theta-tDCS durante il sonno NREM produce un globale
decremento dell'attività oscillatoria lenta congiuntamente ad una riduzione locale della potenza
dei fusi EEG frontali e ad un decremento del consolidamento della memoria dichiarativa, mentre
durante il sonno REM essa incrementa l'attività gamma generale; questi risultati, complementari
a quelli osservati precedentemente, sottolineano che gli effetti della theta-tDCS sull'attività
elettrica del cervello e sul consolidamento della memoria sono fortemente dipendenti dallo stato
del cervello. Il diffuso incremento nell'attività corticale nelle bande gamma con la stimolazione
theta supporta, inoltre, l'idea di un accoppiamento funzionale tra questi ritmi (Schack, Vath,
Petsche, Geissler, Moller, 2002; Jensen e Colgin, 2007; Sauseng, Klimesch, Heise, Gruber, Holz
et al., 2009).
In successivi, la tSOS è stata applicata anche durante un sonnellino pomeridiano per testarne l'
efficacia nell'incrementare l'attività ad onde lente e la codifica delle informazioni nel successivo
stato di veglia studi (Antonenko et al., 2013). Anche in questo caso tali ipotesi sono state
confermate nelle prove dichiarative ma non in quelle procedurali. Gli effetti del potenziamento
dati dal sonno sulla successiva codifica di informazioni durante lo stato di veglia viene spiegato
degli autori con la teoria del downscaling sinaptico (Tononi e Cirelli, 2003, 2006; Huber et al.,
2007; Massimini et al., 2009). L'idea di base è che le connessioni sinaptiche vengano potenziate,
in alcuni casi diventando prossime alla saturazione, durante la codifica delle informazioni in
veglia e, quindi, la seguente attività ad onde lente durante il sonno NREM servirebbe a
depotenziare e far diminuire l'intensità di tali connessioni sinaptiche, in modo da rinnovare la
loro capacità di codificare nuove informazioni durante il successivo stato di veglia (Czarnecki et
al., 2007).
Gli effetti della tSOS sono stati indagati anche quando applicata durante uno stato di veglia
(Kirov e colleghi, 2009). Anche in questo caso, essa è risultata in grado di incrementare l'attività
oscillatoria lenta e la codifica della memoria dichiarativa, seppur in maniera più ristretta a livello
topografico. In particolare, la tSOS durante la veglia produce un incremento, ristretto all'area
sotto l'elettrodo, delle oscillazioni lente ed un più diffuso incremento nelle attività theta e beta; la
sua efficacia nel potenziamento della codifica della memoria si verifica durante lo stato di
apprendimento ma non a seguito di esso, sottolineando ancora una volta la dipendenza dei suoi
effetti dallo stato del cervello, ed è causato probabilmente dal generale incremento delle
oscillazioni theta che essa induce e che ha origine da una sorgente di corrente prefrontale
(Mizuhara e Yamaguchi , 2007) dove è localizzata la stimolazione. Tale associazione tra le
oscillazioni lente e quelle theta potrebbe riflettere una relazione funzionale tra le reti corticali
sottostanti queste frequenze oscillatorie. I risultati forniscono anche una prova del ruolo causale
delle oscillazioni theta nella codifica della memoria ippocampo-dipendente.
La capacità della stimolazione transcranica a oscillazioni lente di incrementare il consolidamento
della memoria è stata indagata anche nei roditori (Binder et al., 2014). Essa è stata quindi
applicata sulle cortecce frontali di ratti durante il sonno NREM e sono stati analizzati i suoi
effetti sul consolidamento della memoria. Anche in questo caso, l'analisi EEG ha mostrato un
incremento di attività ad onde lente e nel consolidamento della memoria dichiarativa a seguito
della stimolazione, replicando ed estendendo sui ratti i risultati ottenuti con soggetti umani.
3.2 Effetti sulla struttura e microstruttura del sonno
Dagli studi presentati finora emerge la capacità della stimolazione elettrica transcranica di
modulare l'eccitabilità corticale e di potenziare diverse funzioni cognitive. I suoi effetti sono stati
indagati anche in riferimento al sonno quando, come visto precedentemente, sono stati esplorati
gli effetti della tDCS sul potenziamento della memoria (Marshall et al., 2004; 2005; 2006; 2011;
Kirov et al., 2011; Antonenko et al., 2013), dal momento che il processo di consolidamento delle
memorie è associato al sonno ad onde lente (Walker e Stickgold, 2006; Marshall e Born, 2007;
Rasch e Born, 2007).
Grazie a questi studi sono stati osservati gli effetti della stimolazione sui ritmi EEG di sonno e,
conseguentemente, ciò che queste modificazioni del sonno provocano alla memoria.
Avendo presentato i risultati sulle performance di memoria nel precedente paragrafo, in questa
sede si farà riferimento specificatamente agli effetti della stimolazione sul sonno e la sua
struttura.
In uno studio del 2004, Marshall e collaboratori hanno esplorato gli esiti della tDCS anodica sul
sonno applicandola bilateralmente sulle aree frontocorticali durante il sonno ad onde lente. Dalle
analisi EEG si è riscontrato che a seguito della stimolazione, in confronto con la condizione
sham, non si verificano cambiamenti rispetto alla quantità totale di sonno effettuata dai soggetti,
né rispetto alla durata dei diversi stadi, così come non si osservano differenze nella latenza di
addormentamento. Ciò che emerge è, invece, una differenza nella profondità del sonno che
risulta incrementata verso la fine della stimolazione attiva e nei 15 minuti successivi ad essa;
inoltre, a seguito della tDCS anodica si osserva una riduzione della potenza nelle bande di
frequenza alfa, beta e theta. L'applicazione della stimolazione transcranica sembra, quindi, in
grado di incrementare la profondità del sonno potenziando l'attività oscillatoria lenta nelle aree
frontali, e riducendo la potenza nelle bande di frequenza più rapide.
In un ulteriore studio (Marshall et al., 2006) sono stati valutati i suoi effetti sulle oscillazioni
lente, caratterizzanti il sonno ad onde lente; a tale scopo, sono stati indotti potenziali oscillatori
sulle aree frontolaterali durante il sonno NREM mediante una stimolazione con frequenza
oscillatoria lenta (so-tDCS). Nella tDCS tradizionale l'intensità della corrente è mantenuta
costante (c-tDCS), mentre la so-tDCS induce fluttuazioni oscillatorie nella corrente indotta nei
tessuti (Bergmann et al., 2009). Tale stimolazione transcranica oscillatoria può modellare in
modo non invasivo i ritmi corticali endogeni in modo da modificare i processi interni del
cervello, ma i meccanismi neuronali ad essa sottostanti sono ancora in parte sconosciuti. Un
aspetto che, infatti, è ancora da capire è se la corrente oscillatoria esercita i suoi effetti
direttamente sulla membrana dei neuroni corticali, come accade nella tDCS costante. La
stimolazione transcranica oscillatoria potrebbe influenzare i ritmi endogeni modificando
ripetutamente e con modalità oscillatoria il potenziale di membrana dei neuroni. Ad ogni modo,
in questo studio, in seguito alla sua applicazione si osserva un aumento della durata del sonno ad
onde lente rispetto alla condizione sham, ed un incremento della potenza nelle bande di
frequenza lente e della potenza dei fusi nell'area frontale; non si osservano invece variazioni
significative nella durata degli altri stadi del sonno. La stimolazione oscillatoria lenta sembra,
quindi, in grado di potenziare l'attività oscillatoria lenta endogena e conseguentemente il sonno
ad onde lente.
Ulteriori evidenze a sostegno di questi risultati sono date dall'esplorazione degli effetti della
tDCS ad una frequenza di 5 Hz, cioè all'interno del range di frequenza theta (theta-tDCS)
(Marshall et al., 2011), tipico del sonno REM (Cantero, Atienza, Stickgold, Kahana, Madsen et
al., 2003; Mitchell, McNaughton, Flanagan, Kirk, 2008). Dalla sua applicazione bilaterale sulle
aree frontali emerge che la theta-tDCS applicata durante il sonno NREM, porta ad un
alleggerimento del sonno; si può infatti osservare una riduzione della durata del sonno ad onde
lente ed una maggiore durata dello stadio 2 del sonno, in confronto alla condizione sham; inoltre
essa provoca una maggiore latenza per l'insorgenza del sonno ad onde lente. In linea con queste
osservazioni, l'attività EEG a seguito della theta-tDCS mostra un globale decremento dell'attività
oscillatoria lenta congiuntamente ad una riduzione locale della potenza dei fusi EEG frontali.
Quando la theta-tDCS viene invece applicata durante il sonno REM, non modifica in modo
significativo la durata degli stadi del stadi rispetto alla sham, ma incrementa l'attività gamma
generale. Questi risultati risultano complementari a quelli osservati precedentemente in cui la
tDCS a oscillazioni lente (<1 Hz) provoca un incremento del sonno ad onde lente e dell'attività
dei fusi, e sottolineano che gli effetti della theta-tDCS sull'attività elettrica del cervello sono
fortemente dipendenti dallo stato del cervello e dalla frequenza di stimolazione. Il diffuso
incremento nell'attività corticale nelle bande gamma con la stimolazione theta supporta, inoltre,
l'idea di un accoppiamento funzionale tra questi ritmi, dove quello theta avrebbe la funzione di
facilitare la sincronizzazione dell'attività delle bande gamma che si verifica in aree cerebrali
distanti e/o di incrementare la sua coerenza. (Schack, Vath, Petsche, Geissler, Moller, 2002;
Jensen e Colgin, 2007; Sauseng, Klimesch, Heise, Gruber, Holz et al., 2009).
Gli effetti della stimolazione transcranica a oscillazioni lente (tSOS) sono stati indagati anche in
seguito all' applicazione durante uno stato di veglia (Kirov e colleghi, 2009). Essa, erogata
bilateramente sulle aree frontocorticali, provoca anche in questo caso un incremento dell'attività
oscillatoria lenta, seppur in maniera più ristretta a livello topografico. In particolare, la tSOS
durante la veglia rilassata produce un incremento, ristretto all'area sotto l'elettrodo, delle
oscillazioni lente ed un più diffuso incremento nelle attività theta e beta. Tale associazione tra le
oscillazioni lente e quelle theta potrebbe riflettere una relazione funzionale tra le reti corticali
sottostanti queste frequenze oscillatorie.
La tSOS è stata applicata anche durante un sonnellino pomeridiano per testarne l' efficacia
nell'incrementare l'attività ad onde lente (Antonenko et al., 2013). Anche in questo caso i risultati
sono in linea con quelli ottenuti mediante l'applicazione della stimolazione durante il sonno
notturno; difatti, in confronto alla sham, la stimolazione transcranica a oscillazioni lente
erogando sullo scalpo una corrente elettrica con una frequenza ed un'ampiezza in accordo con
quella delle oscillazioni lente endogene (Steriade et al., 1993), è risultata in grado di
incrementare l'attività ad onde lente, l'attività dei fusi a livello frontale e la profondità del sonno
NREM, senza tuttavia modificare la quantità di sonno totale effettuata dai soggetti.
3.3 Influenza sull’attività onirica
La tDCS è stata utilizzata anche per l'esplorazione dell'attività onirica ed un particolare tipo di
sogno notturno, quello "lucido", dove il dormiente realizza di stare sognando e spesso è in grado
di controllare la trama dei suoi sogni (LaBerge, 1985). Questo fenomeno si verifica
principalmente nel sonno REM (LaBerge, 1990) e più raramente in quello NREM (Stumbrys e
Erlacher, 2012). Applicando la tDCS anodica sulla corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC)
durante il sonno REM i soggetti riportano, infatti, una maggiore consapevolezza nei sogni
(Stumbrys et al., 2013), ma tali effetti appaiono deboli e si verificano prevalentemente negli
abituali "sognatori lucidi"; pertanto, è probabile che essi siano dovuti ad una attivazione
fisiologica generale indotta dalla tDCS.
A livello neurofisiologico, analisi EEG (Voss, Holzmann, Tuin, Hobson, 2009) e studi con la
risonanza magnetica funzionale (Dresler et al., 2012) hanno dimostrato che i sogni lucidi sono
accompagnati da una elevata attività nelle bande di frequenza gamma intorno ai 40 Hz
soprattutto nelle aree frontali (Voss, Holzmann, Tuin, Hobson, 2009; Dresler et al., 2012) e
temporali (Dresler et al., 2012). Pertanto, sono stati indagati gli effetti della tACS a diverse
frequenze riscontrando che, se applicata sulle aree fronto-temporali durante il sonno REM, essa è
in grado di incrementare il livello di consapevolezza nei sogni esclusivamente quando utilizzata
alle frequenze di 40 e 25 Hz (Voss et al., 2014), confermando il coinvolgimento dell'attività
gamma nei sogni lucidi.
Gli effetti della tDCS sono stati esplorati anche sui sogni visivi (Jakobson et al., 2012)
riportando, a seguito della stimolazione catodica frontale e anodica parietale, una maggiore
frequenza di sogni visivi rispetto alla condizione sham. Ad ogni modo, gli effetti documentati
non sono di grande ampiezza, suggerendo ancora una volta un effetto non specifico della tDCS,
ma dovuto probabilmente ad una generale stimolazione del cervello.
Capitolo 4. La ricerca
4.1 Introduzione
La stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) è una tecnica di stimolazione corticale non
invasiva, non dolorosa, reversibile e selettiva in grado di indurre modificazioni nell'attività
cerebrale per un tempo abbastanza lungo e senza rilevanti effetti collaterali. Tali modificazioni
elettroencefalografiche vengono indotte da un apparecchio che eroga una corrente a basso
voltaggio mediante elettrodi posizionati sull' area dello scalpo che si intende stimolare. La
corrente erogata può essere anodica (positiva) o catodica (negativa) provocando rispettivamente
una depolarizzazione (aumento dell'eccitabilità neuronale) o un'iperpolarizzazione (decremento
dell'eccitabilità neuronale). La stimolazione sham rappresenta la condizione di controllo dal
momento che, all'insaputa del soggetto, essa non rilascia alcuna corrente durante la sua
applicazione.
Le potenzialità della stimolazione elettrica cerebrale sono note da tempo, difatti la scoperta degli
effetti della corrente sugli esseri umani è avvenuta da più di due secoli. In passato essa è stata
lungamente utilizzata per il trattamento di alcuni disturbi psichiatrici, quali ad esempio la
depressione (cfr., par. 2.1). Nonostante si fosse dimostrata efficace su più versanti, a causa di
alcuni risultati contrastanti e poco chiari, il suo utilizzo fu abbandonato per poi essere ripreso
solo in tempi relativamente recenti. Negli ultimi anni, infatti, diversi studi sono stati condotti per
valutare gli effetti della tDCS, ed essa si è dimostrata in grado di influenzare gli stati cerebrali
modulando l'attività spontanea dei neuroni (cfr., par. 2.1; 3.1); in particolare essa si è dimostrata
efficace nell'incrementare specifiche funzioni cognitive e comportamentali in soggetti sani (cfr.,
par. 3.1.1), e dimostrandosi promettente anche nell'offrire nuove possibilità di intervento nei
campi d'applicazione che fanno riferimento alla neuro-plasticità, alla riabilitazione neurologica
ed in ambito clinico in quelle condizioni patologiche caratterizzate da un'alterazione (in eccesso
o in difetto) dell'eccitabilità neuronale in cui è necessario raggiungere un livello più stabile di
attività (cfr., par. 2.2).
Le aree di applicazione fin ora elencate fanno riferimento all'utilizzo della stimolazione in
soggetti in stato di veglia, tuttavia sono stati indagati i suoi effetti anche quando applicata
durante il sonno (cfr., par. 3.2). In particolare, la tDCS durante il sonno ad onde lente è risultata
in grado di potenziare la memoria dichiarativa; infatti, il consolidamento della memoria
ippocampo-dipendente è associato al sonno ad onde lente e la tDCS, incrementando l'attività ad
onde lente caratterizzante questo stadio del sonno, sembrerebbe in grado di potenziarla (cfr., par.
3.1.1).
Uno degli ambiti di ricerca in cui viene ampiamente utilizzata questa metodica con risultati
incoraggianti, indaga proprio la possibilità di incrementare l'attività oscillatoria lenta ed indurre
sincronizzazione corticale, ovvero uno stato cerebrale compatibile con l'addormentamento (cfr.,
par. 3.2).
Lo studio qui presentato fa proprio riferimento alla valutazione degli effetti della stimolazione
tACS (stimolazione transcranica a corrente alternata) sull'EEG di veglia e di sonno nell'ipotesi
che essa sia in grado di incrementare la sonnolenza e indurre modificazioni EEG coerenti con
l'addormentamento.
Più precisamente, i soggetti partecipanti alla sperimentazione sono stati sottoposti ad una
sessione di stimolazione attiva e ad una sessione di stimolazione sham (condizione di controllo)
con l'obiettivo di valutarne gli effetti sulla sonnolenza; questi sono stati indagati sia con
strumenti oggettivi mediante il confronto tra le registrazioni EEG di veglia pre- e poststimolazione di entrambe le condizioni, sia con metodi soggettivi mediante questionari sulla
sonnolenza auto-percepita somministrati prima e dopo la stimolazione in entrambe le condizioni.
Inoltre, è stato permesso ai medesimi soggetti di addormentarsi a seguito della stimolazione in
modo da indagarne gli effetti anche sull'EEG di sonno, anche in questo caso in ambedue le
condizioni.
4.2 Metodo
4.2.1 Soggetti
Lo studio ha previsto la partecipazione di 26 soggetti sperimentali sani, di cui 15 maschi e 11
femmine, di età compresa tra i 18 ed i 35 anni. Si tratta di volontari che hanno accettato e firmato
il consenso informato prima dell'esperimento e che hanno ricevuto una retribuzione a termine
dello stesso. I requisiti per la loro selezione sono stati: buona salute, abitudine a sonnellini
pomeridiani, assenza di malattie, di disturbi del sonno e di epilessia e di altri disturbi neurologici
o psichiatrici personali o presenti nella loro storia familiare. Il loro ritmo sonno-veglia è stato
indagato mediante un diario del sonno nella settimana precedente alle sessioni sperimentali.
4.2.2 Procedura
Ogni soggetto è stato sottoposto a due sessioni sperimentali (attiva e sham) in giorni differenti a
distanza di una settimana ma durante la medesima fase circadiana, ovvero intorno alle ore 14:30.
L'ordine di queste due condizioni è stato controbilanciato in maniera casuale nei diversi soggetti.
La prova attiva consisteva in una stimolazione bilaterale a corrente alternata sulle regioni
temporali della durata di 10 minuti ad un'intensità compresa tra 0 e 600 microA e con una
frequenza a 5 Hz.
Nella stimolazione sham l'erogazione della stimolazione veniva interrotta dopo 10 secondi
all'insaputa dei soggetti. Questa procedura di controllo è stata possibile dal momento che la
stimolazione attiva è avvertita dai soggetti solamente all'accensione dell'apparecchio, pertanto
ciò impedisce di distinguere tra le due condizioni sperimentali.
Ogni prova iniziava alle 13:30 con il montaggio degli elettrodi di registrazione EEG e di
stimolazione.
Alle 14:30 iniziava il protocollo sperimentale di veglia con la somministrazione di un
questionario per la valutazione soggettiva della sonnolenza, ovvero il Karolinska Sleepiness
Scale (KSS) (Akerstedt e Gillberg, 1990) ed una Scala Visuo-Analogica (VAS) (Monk, 1987).
Successivamente ogni soggetto era sottoposto ad una sessione di registrazione EEG di veglia
pre-stimolazione ad occhi chiusi della durata di 5 minuti, seguita da una sessione di tACS della
durata di 10 minuti secondo condizione (Attiva o Sham) e poi nuovamente da una sessione di
registrazione EEG di veglia post-stimolazione ad occhi chiusi della durata di 5 minuti.
Infine, ai soggetti veniva chiesto di compilare nuovamente il questionario e la scala ai fini della
valutazione della sonnolenza soggettiva.
Durante tutta la procedura i soggetti erano disposti in una stanza insonorizzata a temperatura
costante.
A seguito di questo protocollo veniva permesso ai soggetti di effettuare un sonnellino
pomeridiano (nap). Salvo risvegli spontanei, i soggetti venivano svegliati dopo 2 ore
dall'addormentamento, definito dalla comparsa dello stadio 2 e con la comparsa del primo
complesso K.
4.2.3 Registrazione EEG
Per la disposizione degli elettrodi sullo scalpo per la registrazione EEG si è fatto riferimento al
sistema internazionale "10-20" (Jasper, 1958), pertanto sono stati utilizzati 28 derivazioni
corticali con referenza sui mastoidi ( A1 e A2).
E' stata effettuata anche la registrazione elettrooculografica (EOG) mediante un montaggio
bipolare di due elettrodi peri-oculari, e la registrazione elettromiografica (EMG) mediante
montaggio bipolare di due elettrodi sotto-mentonieri.
Tutti i segnali bioelettrici ( EEG, EMG, EOG) sono stati acquisiti da un poligrafo a 32 canali
(BrainAmp).
Successivamente, i tracciati ottenuti sono stati siglati da uno sperimentatore esperto che ha
selezionato le epoche di tracciato che sono state poi sottoposte ad analisi successive, ad
esclusione di quelle con artefatti.
4.2.4 Stimolazione tACS
La metodica si è basata sull'uso di uno stimolatore elettrico alimentato a batterie (BrainStim) in
grado di erogare corrente elettrica sullo scalpo dei soggetti mediante elettrodi rivestiti da una
spugna sintetica imbevuta di soluzione salina al fine di aumentarne la conduttività.
Tale stimolazione risulta non invasiva, non dolorosa e non dannosa per i soggetti che vi si
sottopongono.
Gli elettrodi di stimolazione sono stati collocati sulle regioni temporali corrispondenti alla
posizione T7- T8 del sistema internazionale "10-20", mentre l'elettrodo di referenza è stato
posizionato sui mastoidi (A1-A2).
I parametri di stimolazione hanno previsto una durata di 10 minuti con un'intensità compresa tra
0 e 600 microA e frequenza oscillatoria a 5 Hz.
Nella condizione sham lo stimolatore è stato attivato per dieci secondi per poi essere spento.
4.2.5 Analisi dei dati
EEG di veglia
L'analisi dei dati relativa all'EEG di veglia ha previsto innanzitutto la selezione di epoche di 2
secondi di tracciato dell'attività elettroencefalografica dei soggetti con la rimozione degli
artefatti, ovvero l'eliminazione di tutte le attività spurie rispetto a quella elettroencefalografica,
per cui le contaminazioni nell'attività EEG di origine elettromiografica ed elettrooculografica.
Successivamente, sono state calcolate le potenze spettrali delle 28 derivazioni corticali attraverso
una routine di Fast Fourier Transform nella gamma di frequenza 1-29 Hz e con una frequenza di
risoluzione di 1 Hz.
Le successive analisi statistiche dei dati sono state eseguite con MatLab.
I valori delle potenze spettrali sono stati raggruppati nelle seguenti bande di frequenza: delta (1-4
Hz) theta (5-7 Hz), alfa (8-12 Hz), beta1 (13-15 Hz) e beta2 (16-24 Hz).
Per analizzare gli effetti della stimolazione sono stati, dunque, confrontati i cambiamenti delle
potenze spettrali EEG nelle due condizioni (attiva e sham) pre- e post-stimolazione calcolati per
ogni derivazione corticale e per ogni banda di frequenza. In Figura 1, le mappe topografiche di
questi effetti descrittivi, rappresentati su scala cromatica.
Per indagare anche gli effetti frequenza-specifici della stimolazione, la medesima procedura è
stata applicata sulle potenze spettrali dei singoli bin da 1 Hz nel range 1-24 Hz (Figura 2).
I confronti statistici tra i cambiamenti delle potenze EEG nelle due condizioni sono stati eseguiti
mediante t-test appaiati per ogni derivazione corticale in ciascuna banda e, dato l'elevato numero
di confronti multipli eseguiti (n:140), i livelli di significatività sono stati corretti mediante
metodo di Bonferroni. In Figura 3 sono rappresentate le mappe topografiche dei confronti
statistici codificati su scala cromatica.
EEG di sonno
Rispetto all'analisi dei dati dell'EEG di sonno sono state selezionate epoche di 20 secondi per la
rimozione di artefatti e per la selezione degli stadi del sonno.
Sono state calcolate le potenze spettrali delle 28 derivazioni corticali attraverso una routine di
Fast Fourier Transform nella gamma di frequenza 0.5-29.75 Hz e con una frequenza di
risoluzione di 0.25 Hz per il primo ciclo di sonno NREM.
Anche in questo caso le analisi statistiche sono state eseguite con MatLab.
I valori delle potenze spettrali sono stati raggruppati nelle seguenti bande di frequenza: delta (14.75 Hz), theta (5-7.75 Hz), alpha (8-11.75 Hz), sigma (12-15.75 Hz) e beta (16-24.75 Hz). In
Figura 4 sono riportate le potenze spettrali nelle diverse bande delle singole derivazioni.
Dalle analisi finali sono stati esclusi 3 soggetti sperimentali a causa dell'eccessiva
frammentarietà del sonno che ha reso impossibile la definizione di un primo ciclo NREM.
Le potenze spettrali di ogni banda ottenute per ogni derivazione nelle due condizioni sono state
confrontate tramite t-test per campioni appaiati (attiva vs. sham). In Figura 5 sono presentate le
mappe topografiche di tali confronti statistici.
Dal momento che gli effetti attesi dall'utilizzo di questo protocollo di stimolazione tACS fanno
riferimento non solo ai cambiamenti topografici quantitativi delle potenze spettrali, ma anche a
variazioni nella fase di addormentamento, sono stati analizzati i cambiamenti delle potenze
spettrali di ogni banda di frequenza EEG nel primo ciclo di sonno NREM. Per poter confrontare
nap di durata differente dei diversi soggetti, il primo ciclo di sonno NREM di ogni nap è stato
suddiviso in 20 intervalli di tempo equivalenti. In tal modo, è stato possibile l'allineamento
temporale del periodo di sonno tra i soggetti e quindi la confrontabilità dei timecourse
individuali. Per ogni intervallo sono state, quindi, calcolate le potenze spettrali nella bande di
frequenza per ciascuna delle 28 derivazioni e confrontati intervalli temporalmente corrispondenti
nelle due condizioni (attiva vs. sham) mediante t- test appaiati.
Per quanto riguarda la valutazione della sonnolenza soggettiva, i punteggi ottenuti dalle due
scale per la valutazione della sonnolenza auto-percepita sono stati sottoposti ad un'Analisi della
Varianza (ANOVA) per misure ripetute 2x2: Tipo di stimolazione (attiva vs. sham) x Fase (pre
vs. post).
4.3 Risultati
Effetti del protocollo di stimolazione tACS sull’EEG di veglia
A livello descrittivo, i risultati ottenuti sull'EEG di veglia a seguito della stimolazione tACS
nella condizione sham, non mostrano effetti di rilievo ad esclusione di un lieve incremento
centrale e posteriore del delta (< 5%) ed una riduzione del ritmo alpha.
A seguito invece della stimolazione tACS nella condizione attiva, l'EEG di veglia mostra un
incremento maggiore dei ritmi lenti dell'EEG (delta e theta); in particolare rispetto al ritmo delta
si può notare un incremento bilaterale (10-12 %) che si diffonde dalle aree temporali (siti di
stimolazione) a quelle centrali e posteriori, mentre rispetto al ritmo theta, si può osservare un suo
incremento (15%) nelle aree occipitali. Si registra, infine, un lieve incremento centrale (5%) del
ritmo alpha. In Figura 1 sono riportati in forma grafica, i dati relativi alla topografia degli effetti
della stimolazione nelle due condizioni (attiva e sham) sull'EEG di veglia.
I cambiamenti relativi delle potenze spettrali EEG nelle due condizioni sperimentali sono stati
definiti come rapporto post-/pre-stimolazione delle potenze spettrali e calcolati per ogni
derivazione corticale e per ogni banda di frequenza.
Figura 1: Mappe topografiche dei cambiamenti relativi delle potenze spettrali dell’EEG di veglia
(5min) nelle bande di frequenza delta (1-4 Hz), theta (5-7 Hz), alpha (8-12 Hz), beta1 (13-15 Hz) e
beta2 (16-24 Hz) corrispondenti alle due sessioni sperimentali (Sham e tACS).
Al fine di indagare eventuali effetti frequenza-specifici della stimolazione è stata, inoltre,
applicata la medesima procedura sulle potenze spettrali dei singoli bin da 1 Hz nel range 1-24 Hz
(Figura 2).
Da questa analisi emerge che gli effetti dei due protocolli nei diversi bin di frequenza hanno una
topografia simile, ma una diversa intensità che risulta infatti amplificata nella condizione di
stimolazione attiva selettivamente per i bin corrispondenti alle bande di frequenza più bassa
(delta, theta e alpha).
In particolare, nella condizione sham, si osserva un decremento diffuso nell’attività a 8-9 Hz;
sempre all’interno della banda alpha è possibile notare un lieve incremento centrale della potenza
spettrale a 11 Hz. Per quanto concerne l’attività a frequenza più lenta, il lieve incremento
osservato nel delta, risulta attribuibile a deboli aumenti di attività nelle aree centrali e occipitali
tra 1 e 5 Hz con picco a livello occipitale a 3 Hz.
Nella condizione attiva, questi effetti risultato amplificati. Nei bin corrispondenti alla banda del
delta, i cambiamenti maggiori si ritrovano ancora una volta a 3Hz. Tuttavia, gli effetti appaiono
più ampi rispetto alla sham in tutti i bin (1-4 Hz) e, diversamente dalla condizione di controllo,
risultano centrati sulle regioni centrali con diffusione bilaterale a livello temporale,
coerentemente con i siti di stimolazione. Nonostante siano presenti incrementi di attività a livello
occipitale anche in questi bin, le aree posteriori mostrano un picco di incremento, rispetto alla
condizione sham, spostato nella banda del theta in corrispondenza del bin a 5 Hz, ovvero della
frequenza di stimolazione. Anche nella banda dell’alpha, si ritrova un’amplificazione di quanto
emerso nella sham, in termini di un aumento di attività nel bin a 11 Hz, ma con entità maggiore e
maggiore diffusione a livello temporale e occipitale rispetto alla condizione di controllo.
Figura 2: Mappe topografiche dei cambiamenti relativi delle potenze spettrali dell’EEG di veglia
(5 min) in bin di frequenza da 1 Hz nell’intervallo 1-24 Hz nelle due sessioni sperimentali (Sham e
tACS).
Rispetto alle analisi statistiche, sono stati effettuali confronti statistici tramite t-test effettuati per
campioni appaiati ( attiva vs. sham) del rapporto post vs. pre-stimolazione delle potenze spettrali
nelle diverse bande di frequenza (Figura 3). E' stata applicata la procedura di correzione di
Bonferroni del livello di significatività dei coefficienti t di Student al fine di aggiustare il valore
di α critico per l’elevato numero di confronti multipli eseguiti (n:140), pertanto il livello di
rigetto dell'ipotesi nulla era t=3.81 (p.0.0007); con tali livelli per il rifiuto dell'ipotesi nulla, dai
confronti effettuati non emergono differenze significative per nessun elettrodo in nessuna banda.
Tuttavia, l'utilizzo di una procedura di correzione molto conservativa come quella di Bonferroni,
può non aver lasciato apprezzare gli effetti più lievi della stimolazione e aver comportato il fatto
che nessuna delle differenze espresse dai valori riportati raggiunge la significatività. Infatti, dai
confronti effettuati con l' α critico classico a 0.05, possiamo invece osservare differenze più
rilevanti e vicine alla significatività in termini di un lieve incremento del ritmo theta a livello
temporo-parietale e dell'alpha nelle regioni centro-frontali.
Figura 3: Mappe topografiche dei confronti statistici tramite t di Student per campioni appaiati
Attiva vs. Sham dei rapporti Post- vs. Pre-Stimolazione delle potenze spettrali dell’EEG di veglia (5
min) nelle bande di frequnza delta (1-4 Hz), theta (5-7 Hz), alpha (8-12 Hz), beta1 (13-15 Hz) e
beta2 (16-24 Hz).
Effetti del protocollo di stimolazione tACS sull'EEG di sonno
Per quanto riguarda gli effetti della stimolazione sul sonno, a livello descrittivo non sono state
riscontrate differenze tra la condizione post-stimolazione attiva e post-sham né in termini di
entità delle potenze spettrali né in termini di distribuzione topografica delle stesse.
In Figura 4 sono riportate le mappe topografiche medie per banda relative al primo ciclo di
sonno NREM del nap pomeridiano successivo ai due protocolli di stimolazione.
Figura 4: Mappe topografiche delle potenze spettrali dell’EEG del primo ciclo di sonno NREM
nelle bande di frequenza delta (1-4.75 Hz), theta (5-7.75 Hz), alpha (8-11.75 Hz), sigma (12-15.75
Hz) e beta (16-24.75 Hz) corrispondenti alle due sessioni sperimentali (Sham e tACS)
Rispetto ai timecourse delle potenze spettrali nelle diverse bande di frequenza, non emergono
differenze significative nelle due condizioni di stimolazione né a livello descrittivo né a livello
statistico, escludendo un effetto della stimolazione sulle caratteristiche temporali
dell'addormentamento.
Per quel che riguarda le analisi statistiche, le potenze spettrali nelle diverse bande di frequenza
del NREM (delta, theta, alpha, sigma e beta2) sono state confrontate tramite t-test per campioni
appaiati (post-attiva vs. post-sham) per ogni singola derivazione. Tali confronti statistici, le cui
rappresentazioni topografiche sono riportate in Figura 5, non mostrano differenze significative
tra le due condizioni, sebbene si possa osservare una lieve riduzione della banda alpha nelle
regioni parieto-occipitali e del theta nella regione parietale destra, che tuttavia non raggiungono
una significatività statistica.
Figura 5: Mappe topografiche dei confronti statistici tramite t-test delle potenze spettrali del
NREM post-tACS vs. post-Sham nelle bande di frequenza delta (1-4.75 Hz), theta (5-7.75 Hz), alpha
(8-11.75 Hz), sigma (12-15.75 Hz) e beta (16-24.75 Hz).
Infine, riguardo alla valutazione della sonnolenza soggettiva, i risultati dei questionari della
sonnolenza auto-percepita mostrano un aumento notevole della stessa a seguito della
stimolazione in entrambe le condizioni attiva e sham.
Infatti i risultati di entrambe le scale evidenziano un effetto principale per la fase statisticamente
rilevante, indicatore di un aumento della sonnolenza soggettiva post-stimolazione.
In Tabella 1 sono riportati i risultati dell'analisi della varianza (ANOVA) a due fattori (2x2),
Condizione x Fase, per i punteggi al KSS e alla VAS, nella condizione sham e tACS a 5 Hz.
Tabella 1: Risultati dell’analisi della varianza (ANOVA) 2 x 2, Condizione (Attiva vs. Sham) x Fase
(Pre vs. Post) per i punteggi ottenuti alla KSS e alla VAS.
4.4 Discussione
L'obiettivo di questo studio è stato quello di valutare la capacità di stimolazioni indotte alla
corteccia cerebrale mediante una tecnica di stimolazione con corrente alternata (tACS), di
influenzare le frequenze spontanee dell'EEG nella direzione di ritmi più lenti e pertanto
funzionalmente connessi con una maggiore sincronizzazione cerebrale; a tale scopo, sono stati
indagati i suoi effetti sia sull'EEG di veglia sia sull'EEG di sonno.
La rilevanza di una sperimentazione simile appare evidente se si considera la potenzialità di
utilizzo che potrebbe avere in futuro una tecnica in grado di indurre uno stato elettrofisiologico
cerebrale compatibile con l'addormentamento. Infatti, i disturbi legati al sonno sono molto diffusi
e hanno un notevole costo sanitario e sociale; ad oggi il trattamento più utilizzato per questi
disturbi è dato dai farmaci ipnotici che, tuttavia, comportano gravi effetti collaterali e
dipendenza, rappresentando paradossalmente la prima causa di insonnia. Pertanto, la speranza
che in futuro si possa usufruire di un metodo alternativo, non invasivo e privo di effetti
collaterali di rilievo per il trattamento dei disturbi connessi all'addormentamento, rappresenta una
forte motivazione a proseguire ed approfondire sperimentazioni di questo tipo.
Nello studio presentato in questa sede, i risultati ottenuti sull'EEG di veglia post-stimolazione,
seppure di ridotta ampiezza, lasciano apprezzare gli effetti della stimolazione tACS in direzione
di un incremento di attività ad onde lente, coerente con l'ipotesi della sua efficacia nell'indurre
stati cerebrali compatibili con l'addormentamento.
Alcune considerazioni possono essere fatte sui risultati emersi, nel loro confronto con quanto si
conosce sul fenomeno dell'addormentamento grazie a precedenti ricerche (Marzano et al., 2013).
Come osservato precedentemente (cfr., par.1.2) il sonno è un fenomeno locale che non appare
contemporaneamente in tutte le aree corticali, ma ci sono regioni che "si addormentano" prima,
ciò significa che l'EEG presenta contemporaneamente attività corticale tipica della veglia e del
sonno in diverse aree corticali durante questa fase. Dalle analisi elettroencefalografiche che
hanno indagato i cambiamenti spaziali e temporali dell'attività EEG durante la fase di transizione
veglia-sonno, sappiamo che il cambiamento più rappresentativo è dato dalla frontalizzazione
dell'attività ad onde lente, ovvero da una prevalenza delle onde delta e theta nelle nella regioni
centro-frontali e delle onde sigma in quelle centro-parietali; pertanto la progressiva
sincronizzazione dell'EEG si esprime con una incrementata prevalenza centro-frontale
dell'attività ad onde lente. Altro fenomeno di rilievo è il processo di anteriorizzazione del ritmo
alfa, ovvero esso sembra diffondersi dalle aree più occipitali verso quelle anteriori. In effetti,
prima che si verifichi l’addormentamento, le frequenze alpha registrano una prevalenza nelle
zone occipitali, la quale però decresce gradualmente durante la transizione veglia-sonno fino a
cessare del tutto con l’insorgenza di sonno, per poi avere un nuovo successivo incremento.
Quando il ritmo alfa decresce, esso viene sostituito dalle oscillazioni theta che mostrano una
diffusione temporo-occipitale.
Quanto appena descritto è ciò che si verifica normalmente durante la fase di addormentamento. I
risultati emersi dallo studio qui presentato, fanno riferimento ad una fase di addormentamento
preceduta dal protocollo di stimolazione tACS. Ciò che possiamo notare dal confronto di queste
due condizioni, è che gli effetti che induce la stimolazione attiva sull'addormentamento è di un
potenziamento della normale fenomenologia che si verifica durante la transizione veglia-sonno,
coerentemente con gli effetti descritti in letteratura della tDCS sul sonno (cfr., par. 3.2). A livello
descrittivo osserviamo, infatti, in seguito alla stimolazione un generale incremento dell' attività
ad onde lente, in particolare il delta mostra un incremento bilaterale che si diffonde dalle regioni
temporali, siti di stimolazione, verso quelle centrali e posteriori, ed un incremento del theta in
quelle occipitali, mentre il ritmo alfa presenta una lieve diffusione a livello centrale. Tali effetti
sono in parte sovrapponibili a quelli ottenuti a seguito della sham ma risultano amplificati, in
modo particolare quelli sulle frequenze più basse, ovvero proprio in quelle su cui erano attese
modifiche a seguito della tACS.
Per quanto riguarda gli effetti frequenza-specifici, si può notare ancora una volta che gli effetti
indotti dalla stimolazione attiva agiscono sulle frequenze più basse (delta, theta e alfa), e
risultano in parte simili ma di maggiore ampiezza rispetto a quelli derivanti dalla condizione di
controllo; inoltre, se nella sham l'incremento nel delta si verifica a livello centrale ed occipitale,
nell'attiva si verifica nelle aree centrali con diffusione bilaterale a livello temporale,
coerentemente con i siti di stimolazione e con i pattern del normale addormentamento.
Per quanto riguarda invece gli effetti sul sonno successivo alla stimolazione, non si rilevano
cambiamenti di rilievo a seguito della stimolazione; i confronti statistici mostrano una lieve
riduzione parieto-occipitale dell'alfa e parietale del theta, che tuttavia non raggiungono la
significatività statistica e non sono ancora in grado di sostenere l'efficacia della stimolazione per
una modificazione importante del sonno in termini qualitativi o quantitativi.
Ciononostante, va ricordato che gli effetti della stimolazione dipendono dall'intensità della
corrente, dal posizionamento degli elettrodi e dalla sua durata; è quindi possibile che nelle future
sperimentazioni, cambiando i parametri di stimolazione, si possano osservare risultati più
incoraggianti.
I risultati ottenuti dalle misure soggettive mostrano un' incrementata sonnolenza auto-percepita
sia a seguito della sham che a seguito della condizione attiva, e ciò risulta coerente con i dati
ottenuti dalle analisi EEG che mostrano modificazioni sovrapponibili a seguito delle due
condizioni; tuttavia, ricordiamo che quelle a seguito della condizione attiva sono caratterizzate
da maggiore ampiezza, la quale tuttavia risulta difficilmente discriminabile dai soggetti.
Un criterio caratterizzante la ricerca che può essere anche considerato un suo limite, risiede nella
scelta dei soggetti partecipanti alla sperimentazione. Si tratta di persone selezionate, tra le altre
cose, in base all'abitudine ad effettuare sonnellini pomeridiani, da cui ci si aspettava quindi una
maggiore predisposizione all'addormentamento in orario pomeridiano. Ciò è stato indispensabile
per poter indagare gli effetti del protocollo tACS sul sonno, ma sarebbe interessante valutare gli
effetti della stimolazione su persone che invece presentano difficoltà ad addormentarsi o insonni.
Considerazione simile può essere fatta sulla fase circadiana scelta per l'esperimento, che sfrutta
un fisiologico picco di sonnolenza che si verifica nelle prime ore del pomeriggio; ugualmente
interessante sarebbe quindi indagare gli effetti della stimolazione tACS in orari differenti.
4.5 Conclusioni generali
La ricerca presentata in questa sede rappresenta un nuovo passo per la comprensione degli effetti
della stimolazione elettrica corticale sugli stati cerebrali, con particolare riferimento a quelle
modulazioni che possono suggerire una sua efficacia per indurre modificazioni cerebrali coerenti
con l'addormentamento e con una modificazione del sonno in termini di maggiore profondità
dello stesso. Negli anni molti tentativi sono stati compiuti in questa direzione e, sebbene la strada
da percorrere per comprendere a fondo gli effetti ed i meccanismi d'azione di questa metodica sia
ancora lunga, essa rappresenta tuttavia una tecnica ricca di potenziale. Solo il proseguimento
delle sperimentazioni permetterà di verificare la reale portata dei suoi effetti e determinare in
futuro la possibilità di utilizzo in ambito clinico per i disturbi del sonno.
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