Nel campo in rapida evoluzione delle neuroscienze, la stimolazione cerebrale non invasiva rappresenta una nuova speranza per comprendere e trattare una miriade di condizioni neurologiche e psichiatriche senza intervento chirurgico o impianti.
I ricercatori, guidati da Friedhelm Hummel, titolare della cattedra Defitchech di Neuroingegneria Clinica presso la Scuola di Scienze della Vita dell’EPFL, e dal postdoc Pierre Vassiliadis, stanno sperimentando un nuovo approccio nel campo, aprendo frontiere nel trattamento di condizioni come la dipendenza e la depressione.
Lo studio è stato pubblicato su Nature Human Behavior
Stimolazione cerebrale profonda: la nuova frontiera per la cura delle sofferenze mentali
I disturbi neurologici, come la dipendenza, la depressione e il disturbo ossessivo-compulsivo (DOC), colpiscono milioni di persone in tutto il mondo e sono spesso caratterizzati da patologie complesse che coinvolgono più regioni e circuiti cerebrali. Queste condizioni sono notoriamente difficili da trattare a causa della natura complessa e poco compresa delle funzioni cerebrali e della difficoltà di fornire terapie alle strutture cerebrali profonde senza procedure invasive.
La ricerca, sfruttando la Stimolazione cerebrale elettrica di interferenza temporale transcranica (tTIS), mira specificamente alle regioni profonde del cervello che sono i centri di controllo di diverse importanti funzioni cognitive e coinvolte in diverse patologie neurologiche e psichiatriche.
Lo studio evidenzia l’ approccio interdisciplinare che integra medicina, neuroscienza, informatica e ingegneria per migliorare la nostra comprensione del cervello e sviluppare terapie potenzialmente in grado di cambiare la vita.
“La stimolazione cerebrale profonda invasiva (DBS) è già stata applicata con successo ai centri di controllo neurale profondamente ubicati per frenare la dipendenza e curare il Parkinson, il disturbo ossessivo compulsivo o la depressione”, afferma Hummel. “La differenza fondamentale con il nostro approccio è che non è invasivo, il che significa che utilizziamo una stimolazione elettrica di basso livello sul cuoio capelluto per colpire queste regioni”.
Vassiliadis, autore principale dell’articolo, un medico con un dottorato di ricerca congiunto, descrive la tTIS come l’utilizzo di due paia di elettrodi attaccati al cuoio capelluto per applicare deboli campi elettrici all’interno del cervello.
“Fino ad ora, non potevamo colpire specificamente queste regioni con tecniche non invasive, poiché i campi elettrici di basso livello stimolerebbero tutte le regioni tra il cranio e le zone più profonde, rendendo inefficace qualsiasi trattamento. La stimolazione cerebrale ci consente di agire selettivamente stimolano le regioni profonde del cervello che sono importanti nei disturbi neuropsichiatrici”, spiega.
La tecnica innovativa si basa sul concetto di interferenza temporale, inizialmente esplorato in modelli di roditori e ora tradotto con successo in applicazioni umane dal team dell’EPFL. In questo esperimento, una coppia di elettrodi è impostata su una frequenza di 2.000 Hz, mentre l’altra è impostata su 2.080 Hz.
Grazie a modelli computazionali dettagliati della struttura cerebrale, gli elettrodi sono posizionati specificamente sul cuoio capelluto per garantire che i loro segnali si intersechino nella regione target.
È in questo frangente che avviene la magia dell’interferenza: la leggera disparità di frequenza di 80 Hz tra le due correnti diventa la frequenza di stimolazione effettiva all’interno della zona target. La brillantezza di questo metodo risiede nella sua selettività; le frequenze di base elevate (ad esempio, 2.000 Hz) non stimolano direttamente l’attività neurale, lasciando inalterato il tessuto cerebrale intermedio e concentrando l’effetto esclusivamente sulla regione bersaglio.
Il focus di questa ultima ricerca è lo striato umano, un attore chiave nei meccanismi di ricompensa e rinforzo. “Stiamo esaminando come l’apprendimento per rinforzo , essenzialmente il modo in cui apprendiamo attraverso le ricompense, può essere influenzato prendendo di mira specifiche frequenze cerebrali”, afferma Vassiliadis. Applicando la stimolazione cerebrale dello striato a 80 Hz, il team ha scoperto che potevano interromperne il normale funzionamento, influenzando direttamente il processo di apprendimento.
Il potenziale terapeutico della stimolazione cerebrale è immenso, in particolare per condizioni come la dipendenza, l’apatia e la depressione, dove i meccanismi di ricompensa svolgono un ruolo cruciale.
“Inoltre, ad esempio, le persone tendono ad avvicinarsi eccessivamente alle ricompense. La stimolazione cerebrale potrebbe aiutare a ridurre questa eccessiva enfasi patologica”, sottolinea Vassiliadis, che è anche ricercatore presso l’Istituto di Neuroscienze dell’UCLouvain.
Inoltre, il team sta esplorando come diversi modelli di stimolazione cerebrale possano non solo disturbare ma anche potenzialmente migliorare le funzioni cerebrali. “Il primo passo è stato quello di dimostrare l’ipotesi che gli 80 Hz incidano sullo striato, e lo abbiamo fatto interrompendone il funzionamento.
La nostra ricerca si dimostra promettente anche nel miglioramento del comportamento motorio e nell’aumento dell’attività dello striato, in particolare negli anziani con ridotte capacità di apprendimento,” Vassiliadis aggiunge.
Hummel, un neurologo esperto, vede lq stimolazione cerebrale come l’inizio di un nuovo capitolo nella stimolazione cerebrale, offrendo un trattamento personalizzato con metodi meno invasivi. “Stiamo esaminando un approccio non invasivo che ci permetta di sperimentare e personalizzare il trattamento per la stimolazione cerebrale profonda nelle fasi iniziali”, afferma.
Un altro vantaggio chiave della stimolazione cerebrale sono i suoi effetti collaterali minimi. La maggior parte dei partecipanti ai loro studi ha riferito solo lievi sensazioni sulla pelle, rendendolo un approccio altamente tollerabile e favorevole al paziente.
Hummel e Vassiliadis sono ottimisti riguardo all’impatto della loro ricerca. Immaginano un futuro in cui le terapie di neuromodulazione non invasive potrebbero essere prontamente disponibili negli ospedali, offrendo un ambito di trattamento economicamente vantaggioso ed espansivo.
La stimolazione cerebrale senza intervento chirurgico potrebbe fornire un nuovo trattamento per la demenza
Gli scienziati dell’Imperial College di Londra sono alla guida dello sviluppo e della sperimentazione di un nuovo metodo di stimolazione cerebrale, che potrebbe fornire un trattamento alternativo per le malattie cerebrali come l’Alzheimer e la perdita di memoria ad essa associata.
Conosciuto come interferenza temporale (TI), il metodo non invasivo di stimolazione cerebrale funziona fornendo campi elettrici al cervello attraverso elettrodi posizionati sul cuoio capelluto e sulla testa del paziente.
Prendendo di mira i campi elettrici sovrapposti i ricercatori sono stati in grado di stimolare un’area profonda del cervello chiamata ippocampo, senza influenzare le aree circostanti, una procedura che fino ad ora richiedeva un intervento chirurgico per impiantare gli elettrodi nel cervello.
La stimolazione cerebrale è stata sperimentata con successo per la prima volta con 20 volontari sani da un team dell’UK Dementia Research Institute (UK DRI) dell’Imperial e dell’Università del Surrey.
I loro risultati iniziali, pubblicati sulla rivista Nature Neuroscience , mostrano che quando gli adulti sani eseguono un compito di memoria mentre ricevono la stimolazione TI, ciò aiuta a migliorare la funzione della memoria.
Il team sta ora conducendo una sperimentazione clinica su persone con malattia di Alzheimer in stadio iniziale, nella speranza che la TI possa essere utilizzata per migliorare i sintomi della perdita di memoria.
Il dottor Nir Grossman, del Dipartimento di Scienze del cervello dell’Imperial College di Londra, che ha guidato il lavoro, ha dichiarato: “Fino ad ora, se volevamo stimolare elettricamente le strutture profonde all’interno del cervello, dovevamo impiantare chirurgicamente degli elettrodi che ovviamente comportano rischi di il paziente e può portare a complicazioni.
“Con la nostra nuova tecnica abbiamo dimostrato per la prima volta che è possibile la stimolazione cerebrale a distanza specifiche regioni profonde del cervello umano senza la necessità di un intervento chirurgico. Ciò apre una strada completamente nuova di trattamento per le malattie cerebrali come l’Alzheimer che colpiscono in profondità strutture cerebrali.”
Il TI è stato descritto per la prima volta dal team dell’Imperial College di Londra nel 2017 e ha dimostrato di funzionare in linea di principio nei topi.
Quest’ultimo lavoro mostra per la prima volta che la stimolazione cerebrale è efficace nello stimolare le regioni profonde del cervello umano. Secondo i ricercatori, questo potrebbe avere ampie applicazioni e consentirà agli scienziati di stimolare diverse regioni profonde del cervello per scoprire di più sui loro ruoli funzionali, accelerando la scoperta di nuovi bersagli terapeutici.
Nello studio, i ricercatori hanno prima utilizzato misurazioni cerebrali post mortem per verificare che i campi elettrici potessero essere focalizzati a distanza sull’ippocampo, una struttura curva nella profondità del cervello che svolge un ruolo fondamentale nella memoria e nell’apprendimento.
Il team ha poi applicato la stimolazione cerebrale a volontari sani mentre memorizzavano coppie di volti e nomi, un processo fortemente dipendente dall’ippocampo. Utilizzando la risonanza magnetica funzionale (fMRI), i ricercatori hanno dimostrato che la TI influenza selettivamente l’attività dell’ippocampo evocata dal compito di memoria.
Infine, i ricercatori hanno ripetuto la stimolazione cerebrale per un periodo più lungo di 30 minuti. Ciò ha dimostrato che la stimolazione TI durante l’attività porta a una migliore precisione della memoria.
La Dott.ssa Ines Violante, dell’Università del Surrey e ricercatrice onoraria presso l’Imperial, e prima autrice dello studio, ha affermato: “La capacità di colpire selettivamente le aree profonde del cervello utilizzando un approccio non invasivo è molto entusiasmante in quanto fornisce uno strumento per indagare come funziona il cervello umano e apre possibilità per applicazioni cliniche.”
“La combinazione di imaging non invasivo e stimolazione cerebrale ci aiuterà a svelare i processi che supportano le nostre funzioni cognitive, come la memoria e l’apprendimento. La conoscenza di questi processi e di come possono essere alterati è essenziale per sviluppare strategie individualizzate migliori per trattare o ritardare l’insorgenza di malattie”.
Il dottor Grossman ha aggiunto: “Ci auguriamo che questo lavoro contribuisca ad aumentare la disponibilità di terapie di stimolazione cerebrale profonda riducendo drasticamente costi e rischi”.
“Stiamo ora testando se il trattamento ripetuto con la stimolazione nel corso di un certo numero di giorni potrebbe portare benefici alle persone nelle prime fasi dell’Alzheimer. Ci auguriamo che questo ripristinerà la normale attività cerebrale nelle aree colpite, il che potrebbe migliorare i sintomi di deterioramento della memoria .”
Questo studio è pubblicato contemporaneamente a un secondo articolo condotto da ricercatori dell’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) in Svizzera, che ha convalidato in modo indipendente la tecnologia.
Nello studio dell’EPFL, pubblicato anch’esso su Nature Neuroscience , i ricercatori hanno utilizzato la tecnologia TI per stimolare focalizzatamente una diversa area profonda del cervello chiamata striato e migliorare la funzione della memoria motoria in volontari sani.