Stimolare i circuiti neurali con il magnetismo

Fonte: Slimsdizz (Wikimedia Commons)

La stimolazione cerebrale potrebbe sembrare una dimostrazione di Frankensteiniana da una fiera scientifica vittoriana. Ma in realtà, è una tecnica contemporanea che ha un enorme impatto nelle neuroscienze affrontando una lunga limitazione dei metodi tradizionali per indagare la funzione del cervello umano. Tali tecniche, come EEG e fMRI, possono essere utilizzate solo per dedurre gli effetti di uno stimolo o di un'attività sull'attività cerebrale, e non viceversa. Ad esempio, uno scienziato potrebbe usare l'EEG per studiare l'effetto di un'attività come il movimento del braccio sull'attività cerebrale, ma come si può studiare l'effetto dell'attività cerebrale sul movimento del braccio?

Oggi, tecniche di stimolazione cerebrale non invasive come la stimolazione magnetica transcranica (TMS) offrono alternative ai vecchi paradigmi. Il TMS può eccitare o sopprimere il tessuto cerebrale sottostante in modo sicuro ed etico, consentendo ai ricercatori di studiare le relazioni causali tra i circuiti cerebrali e il comportamento. Inoltre, la TMS può avere un valore terapeutico nel trattamento di disturbi cerebrali come la depressione.

Fonte: Wikimedia Commons, National Institutes of Health

Ecco come funziona. Una bobina circolare di filo è fissata sulla testa di un soggetto e la corrente nel filo induce un campo magnetico. Poiché le particelle cariche in un campo magnetico sperimentano una forza perpendicolare alla direzione del campo, il movimento degli ioni nei tessuti cerebrali sottostanti viene alterato da questo campo. Questo interrompe il licenziamento dei neuroni nel tessuto corticale, simulando una "lesione" cerebrale. Ad esempio, attivando la bobina sopra l'area di Broca, una regione del cervello necessaria per la produzione del parlato, i partecipanti a balbettare e smettere di parlare a metà frase. Tuttavia, il partecipante può ancora cantare una canzone se richiesto, dimostrando così che parlare e cantare dipendono da diversi circuiti neurali.

Come suggerisce il nome, il TMS può anche eccitare il tessuto cerebrale, a seconda della frequenza degli impulsi applicati. Usato su corteccia motoria, per esempio, il TMS può indurre contrazioni muscolari specifiche. Un esperimento particolarmente creativo che illustra questo effetto è stato eseguito dai ricercatori dell'Università di Washington a Seattle. Rajesh PN Rao ei suoi colleghi hanno usato l'output dell'EEG di un soggetto come input per la bobina TMS di un altro soggetto. Mentre il primo soggetto immaginava di flettere il suo indice destro, l'EEG registrava l'attività elettrica collegata a questo movimento immaginario dal cuoio capelluto sulla corteccia motoria. L'uscita elettrica registrata con EEG è stata quindi alimentata alla bobina TMS del secondo soggetto, fissata sulla stessa regione del cuoio capelluto, causando il secondo soggetto a contrarre effettivamente il dito!

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Fonte: 2014 Rao et al. (Licenza Creative Commons)

Il TMS può, in un senso stretto, persino far vedere di nuovo il cieco. Nelle persone che hanno perso gran parte della vista a causa di lesioni agli occhi, il TMS applicato sulla corteccia visiva induce l'esperienza visiva di forme e colori chiamati fosfeni, proprio come le forme e i colori che si possono vedere dopo aver strofinato gli occhi.

Gli usi terapeutici del TMS cercano di correggere l'attività cerebrale in una varietà di disturbi che vanno dalla depressione al disturbo ossessivo-compulsivo (DOC). Gli studi sulla TMS per la depressione mostrano sollievo dai sintomi depressivi quando la stimolazione viene applicata su una regione corticale chiamata corteccia prefrontale dorsolaterale. I risultati di questi studi sono generalmente misurati in relazione a una condizione fittizia, in cui viene utilizzata la stimolazione falsa per garantire che i risultati non siano dovuti a un effetto placebo. TMS offre nuove speranze per i pazienti depressi che non rispondono ai trattamenti farmacologici e che possono anche essere efficaci nel trattamento di altri disturbi. Ma come molti trattamenti psichiatrici, i ricercatori non sono ancora sicuri di come e perché TMS offre sollievo dai sintomi. Dato l'enorme numero di cellule e sinapsi nell'area del cervello a cui viene applicato il TMS, gli effetti di un semplice impulso magnetico sono impossibili da calcolare completamente.

Fonte: Wikimedia Commons, National Institutes of Health

Mentre l'esatto meccanismo con cui la TMS tratta la depressione è incerto, può esercitare i suoi effetti terapeutici da principi astratti simili come terapia elettroconvulsiva, o ECT, che tratta la depressione grave inducendo un attacco. Questa esperienza è diversa da un attacco epilettico, perché al paziente vengono somministrati anestesia e rilassanti muscolari dopo aver dato il proprio consenso al trattamento. Quindi perché un attacco è davvero utile? Carey Bagdassarian, Senior Lecturer di Studi interdisciplinari presso il College di William e Mary, ha ipotizzato che lo shock elettrico dato da ECT possa "spingere" il cervello fuori da uno stato di depressione, proprio come una forte spinta perturba una palla da una valle profonda. In questa analogia, il paesaggio delle valli è lo spazio matematico scandito da variabili cerebrali rilevanti come i tassi di sparo neuronali. È importante tenere a mente che questa speculazione deve ancora essere formalizzata o testata direttamente (cosa succede se la "spinta" viene data nella direzione sbagliata?). Tuttavia, i ricercatori del Regno Unito hanno scoperto che il trattamento ECT per la depressione, infatti, riduce le correlazioni tra i modelli di attività metabolica nelle regioni frontali del cervello e nel resto del cervello. Ciò suggerisce che l'ECT ​​rilascia circuiti cerebrali frontali da uno stato depressivo che potrebbe limitare le loro attività, come la valle metaforica suggerita da Bagdassarian.

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Sia giustificata o meno, la reputazione di ECT presso il pubblico è stata danneggiata da segnalazioni di perdita di memoria e accuse di abuso. TMS, tuttavia, può offrire un'alternativa più sottile e più sfumata per il riavvio del cervello, forse con un meccanismo simile. Come l'ECT, i trattamenti di TMS per la depressione sembrano alterare le correlazioni tra l'attività metabolica nella corteccia prefrontale dorsolaterale e un'altra regione del cervello nota come sottogenere cingolato. Ma a differenza dell'ECT, il TMS raramente provoca crisi convulsive se somministrato correttamente e la sua stimolazione può essere indirizzata a specifiche regioni della corteccia cerebrale, rendendo la TMS uno strumento più flessibile e versatile rispetto all'ECT.

Illustrazione della stimolazione cerebrale profonda

Fonte: Frontiers for Young Minds, Shamir et al 2014 (Licenza Creative Commons)

Oltre a TMS e ECT, la stimolazione cerebrale continua a sbocciare in una famiglia di tecniche con diversi punti di forza e applicazioni. La stimolazione cerebrale profonda, o DBS, impianta chirurgicamente gli elettrodi per stimolare le strutture cerebrali centrali che non possono essere raggiunte dal cuoio capelluto, come il talamo ei gangli della base. Mentre invasiva, la tecnica mostra una grande promessa per il trattamento del morbo di Parkinson. D'altra parte, la stimolazione transcranica in corrente continua, o tDCS, è una tecnica che ha sollevato l'allarme con numerose segnalazioni di auto-sperimentazione di stile fai-da-te da parte di dilettanti di garage (non lo consiglio). La tecnica stessa è relativamente semplice e comporta l'applicazione di una corrente debole e continua attraverso la testa. Mentre mostra una certa efficacia nel trattamento della depressione, una dimostrazione che fa riflettere in cadaveri umani all'inizio di quest'anno suggerisce che la corrente del TDC potrebbe non passare affatto attraverso il cervello, sollevando un feroce dibattito sul suo vero meccanismo d'azione.

Una persona non sceglie il cervello con cui è nato. La stimolazione cerebrale offre la speranza che possiamo sistemare circuiti in cervelli malati di pazienti con depressione altrimenti intrattabile e disturbi simili. Non tutti gli studi clinici di TMS avranno successo e le possibilità consentite da tecniche più accessibili, come il TDC, devono essere affrontate in modo responsabile. Ma indubbiamente, la stimolazione cerebrale inaugura una nuova era di controllo del cervello è un modo finora impossibile.

Riferimenti

Rao, Rajesh PN, et al. "Un'interfaccia cervello-a-cervello diretta negli umani." PloS one 9.11 (2014): e111332.

Gothe, Janna, et al. "Cambiamenti nell'eccitabilità della corteccia visiva in soggetti ciechi, come dimostrato dalla stimolazione magnetica transcranica." Brain 125.3 (2002): 479-490.

Bagdassarin, Carey, messaggio e-mail all'autore, 28 ottobre 2016.

Perrin, Jennifer S., et al. "La terapia elettroconvulsiva riduce la connettività corticale frontale nel disturbo depressivo grave." Atti della National Academy of Sciences 109.14 (2012): 5464-5468.

Fox, Michael D., et al. "L'efficacia degli obiettivi di stimolazione magnetica transcranica per la depressione è correlata alla connettività funzionale intrinseca con il cingolato sottogengolare." Psichiatria biologica 72.7 (2012): 595-603.

Alonzo, Angelo, et al. "Stimolazione della corrente continua transcranica (TDC) per la depressione: analisi della risposta utilizzando una struttura a tre fattori della scala di valutazione della depressione di Montgomery-Åsberg." Journal of affective disorders 150.1 (2013): 91-95.

Underwood, Emily. "Lo studio dei cadaveri sfida i metodi di stimolazione cerebrale". Science 352.6284 (2016): 397-397.