Tesi di Laurea: “L’effetto della stimolazione transcranica ad impulsi sulla corteccia motoria: uno studio neurofisiologico” (Sintesi)

 
Anatomia e fisiologia dell’integrazione sensorimotoria

Il movimento volontario, fondamentale per l’interazione dell’uomo con l’ambiente, rappresenta un intricato processo che coinvolge il sistema nervoso centrale (SNC), i muscoli scheletrici e le articolazioni. Esso richiede una complessa integrazione di segnali sensoriali e motori.

La corteccia cerebrale ha un’organizzazione gerarchica e alcune aree corticali svolgono funzioni integrative di ordine superiore: tali aree corticali sono oggi note come aree associative e servono ad associare l'ingresso sensoriale con l’uscita motoria, svolgendo tutti i processi mentali che hanno luogo fra l’arrivo delle informazioni sensoriali e la comparsa delle conseguenti risposte motorie. Tale fenomeno prende il nome di integrazione sensorimotoria¹.

Tecniche neurofisiologiche per lo studio dell’integrazione sensorimotoria
Stimolazione magnetica transcranica (TMS)

Tra le tecniche di neuromodulazione impiegate per lo studio dell’integrazione sensorimotoria, la TMS riveste un’importanza peculiare. La TMS è una tecnica di stimolazione della corteccia cerebrale non invasiva utilizzata per studiare la fisiologia del cervello umano. La sua capacità di evocare una risposta neuronale immediata e misurabile la rende fruibile sia in contesti di ricerca di base che in clinica².

Con la stimolazione magnetica, viene prodotto un campo magnetico ad alta intensità a partire dal passaggio di corrente in una spira realizzata con materiale conduttore, la cosiddetta bobina magnetica.

Fig. 1. Caratteristiche del MEP3.

Il campo magnetico prodotto da un impulso TMS penetra il cuoio capelluto e il cranio. Poiché si tratta di un campo magnetico variabile nel tempo, induce un campo elettrico a livello della corteccia, con un’intensità proporzionale alla variazione del campo magnetico. La forza del campo magnetico diminuisce rapidamente con la distanza dalla superficie della bobina, così che una tipica bobina a forma di “otto” attiva normalmente i neuroni fino a circa 2-3 cm dalla superficie corticale².

La misura più comune negli studi sulla TMS è il potenziale motorio evocato (MEP), che rappresenta il correlato elettromiografico (EMG) della contrazione muscolare indotta dalla TMS sulla corteccia motoria primaria (M1) controlaterale² (Fig. 1).

Metodi innovativi di neuromodulazione: le onde sonore

La nuova frontiera della neuromodulazione è l’impiego di onde sonore (i.e. stimolazione transcranica ad ultrasuoni, TUS) o onde d’urto (i.e. stimolazione ad impulsi transcranica, TPS) per stimolare aree cerebrali focali e profonde.

La TUS ha un grande potenziale come strumento di neuromodulazione non invasiva, sia negli animali che nell’uomo. Diversamente da altri metodi di stimolazione cerebrale non invasiva (NIBS), le onde ultrasoniche possono essere focalizzate sia sulla corteccia che su aree cerebrali profonde con una risoluzione spaziale di pochi millimetri cubi. Questa possibilità permette di ottenere un bersaglio preciso su piccole strutture sottocorticali, precedentemente accessibili solo da metodiche invasive, come elettrodi intracranici⁴.

Gli effetti neuromodulatori della TUS derivano probabilmente dalle interazioni cinetiche delle onde sonore con le membrane neuronali e con i canali ionici meccanosensitivi, producendo effetti a breve e lungo termine sull’eccitabilità neuronale e sulla relativa frequenza di scarica spontanea⁴.

	Fig. 2. Distribuzione della pressione nella TPS7.

La stimolazione transcranica ad impulsi

La TPS è una nuova metodica di sonificazione che è stata già applicata in ambito medico, seppur in altri contesti – i.e., la litotrissia in ambito urologico – ed utilizza impulsi ultracorti piuttosto che onde continue. Studi recenti hanno mostrato come sessioni ripetute di TPS possano determinare un beneficio clinico in varie condizioni neuropsichiatriche, come la depressione o la malattia di Alzheimer⁵.

La TPS è basata su singoli impulsi di onde d’urto ultracorti (3 μs, ripetuti ogni 200-300 ms). Con una risoluzione spaziale paragonabile alla tFUS (Transcranial focused ultrasound), la TPS permette una stimolazione cerebrale spazialmente specifica e raggiunge regioni cerebrali fino a 8 cm di profondità come il talamo (localizzato circa 5 e 6.5 cm in profondità del cuoio capelluto). 

Fig. 3. Effetto della pressione sui canali ionici meccano-sensitivi6.

Tramite neuro-navigazione, l’applicazione può essere adattata specificamente all’anatomia individuale ed essere monitorata in tempo reale⁶.

La TPS si avvale del meccanismo delle onde d’urto: in generale, le onde d’urto adoperate in Medicina sono generate nell’acqua per poi essere trasmesse al tessuto biologico target. Dal momento in cui il tessuto è prevalentemente costituito da acqua, possiede simili proprietà di trasmissione del suono. Dunque, la trasmissione dell’onda d’urto nei tessuti ha luogo senza perdite di energia significative (Fig. 2).

Effetti biologici della TPS

La meccanotrasduzione è il meccanismo di base della TPS. Trattasi di un meccanismo attraverso cui le cellule convertono lo stimolo meccanico della TPS in risposte biochimiche, innescando così alcune funzioni cellulari fondamentali, come la migrazione, proliferazione, differenziazione e apoptosi. Studi preclinici preliminari suggeriscono che la TPS può promuovere la formazione di nuovi vasi sanguigni (angiogenesi) e la rigenerazione nervosa, stimolare i fattori di crescita vascolare e il Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), oltre che migliorare il flusso sanguigno cerebrale. La TPS può influenzare i neuroni e indurre effetti neuroplastici, che aumentano la permeabilità cellulare, stimolano i canali ionici meccanosensibili e rilasciano ossido nitrico, con conseguente vasodilatazione, aumento dell'attività metabolica e angiogenesi (Fig. 3).

Studio sperimentale
Obiettivo dello studio

Osservare gli effetti della TPS sull’eccitabilità corticale delle aree sensorimotorie in soggetti sani.

Materiali e metodi

Questo studio è stato realizzato presso la Fondazione Policlinico Universitario Campus Bio-medico di Roma nel periodo compreso tra agosto 2023 e marzo 2024. Si tratta di uno studio neurofisiologico condotto su una coorte di soggetti sani arruolati tra gli studenti e i dipendenti dell’Università Campus Bio-Medico.

Nello studio sono state combinate differenti tecniche neurofisiologiche, allo scopo di osservare se fosse possibile modulare l’eccitabilità della corteccia sensorimotoria attraverso una metodica di stimolazione cerebrale non invasiva, la TPS. Tale studio è stato approvato dal Comitato Etico locale ed è conforme ai principi espressi nella dichiarazione di Helsinki sulle sperimentazioni cliniche.

Reclutamento dei soggetti

Per lo studio sono stati reclutati 12 soggetti sani, di cui 8 donne, con età media di 29 anni. Tutti i soggetti sono stati sottoposti ad una visita neurologica completa e ad un’anamnesi medica e farmacologica per escludere l’assunzione di farmaci o sostanze in grado di influenzare l’attività del sistema nervoso centrale (SNC), la presenza in storia di crisi epilettiche o di altre possibili controindicazioni all’applicazione della TMS e della TPS. Nessun soggetto presentava alterazioni anatomo-funzionali a livello degli arti superiori che potessero interferire con le procedure sperimentali. Tutti i soggetti hanno dato il loro consenso informato dopo adeguata informazione circa le procedure, le finalità dello studio e le eventuali complicanze ad esso correlate.

In breve, lo studio è consistito di due sessioni differenti e a distanza di tempo di stimolazione cerebrale con TPS, una reale e l’altra placebo (SHAM). La stimolazione ha riguardato in maniera specifica le aree sensorimotorie (M1 e S1), identificate sullo scalpo dei singoli individui attraverso l’ausilio della neuronavigazione. Prima e dopo la stimolazione con TPS, è stato eseguito uno studio per saggiare l’eccitabilità corticale con TMS.

Neuromodulazione

La TMS è stata effettuata mediante uno stimolatore Magstim 200 (Magstim Co Ltd, Whitland, South West Wales, UK).

È stata utilizzata una bobina standard a forma di otto da 70 mm (Magstim Co Ltd). I MEP sono stati registrati dal muscolo primo interosseo dorsale (FDI) della mano destra e sinistra. Sono stati registrati i seguenti parametri:
- le soglie motorie: riflettono l’intensità minima che induce una risposta motoria evocata (MEP) di ampiezza minima nel 50% dei tentativi ed è misurabile sia a riposo (Resting motor threshold, RMT) che durante una contrazione muscolare tonica (Active motor threshold, AMT);
- l’ampiezza del MEP: può essere misurata sia mediante l’ampiezza picco-picco che mediante l’area sottesa alla curva del MEP;
- Curve Input/Output (o curve di reclutamento, o curve stimolo/risposta): si tratta di una misura che lega l’intensità dello stimolo TMS con l’ampiezza della risposta motoria (MEP);
- il periodo silente (SP) rappresenta un periodo di silenzio elettrico che segue il MEP post stimolazione. La durata dipende dall’intensità dello stimolo ed è influenzata sia da meccanismi intracorticali (la porzione tardiva, 50-200 ms) che spinali (la porzione precoce, 0-50 ms)².

La TPS è stata effettuata mediante il sistema TPS® (sviluppato da NEUROLITH, Storz Medical AG, Tägerwilen, Svizzera); esso consiste in un trasduttore mobile singolo e un sistema di telecamere a infrarossi, che incorpora la neuronavigazione. Il sistema TPS può generare onde d’urto ultracorte (3 μs) con livelli di energia da 0,2 a 0,25 (mJ/mm2) e frequenze di impulsi da 2,0 a 4 Hz (impulsi al secondo). I partecipanti indossavano un sistema BodyTrack per la neuronavigazione che consiste in occhiali di tracciamento, una telecamera 3D e un hand-piece sul manipolo della TPS (Fig. 4)⁸. Il tracciamento in tempo reale della posizione del hand-piece ha consentito la visualizzazione automatica della regione cerebrale trattata, evidenziata con una scala colorimetrica nel monitor⁸.

 

Fig. 4. Sistema TPS®: il sistema BodyTrack per la neuronavigazione consiste in occhiali di tracciamento (2), una telecamera 3D (1) e un hand-piece sul manipolo della TPS (3).

 

Disegno dello studio

I parametri: RMT, AMT, SP, sono stati registrati prima e dopo l’applicazione della TPS, sia sham che real, in due momenti diversi (T0, T1). È stata inoltre calcolata la curva I/O, pre e post stimolazione. Per la sola intensità al 120% del Maximum Stimulator Output (MSO) è stata eseguita un’ulteriore misurazione dopo dieci minuti dal T1, definita T2.

È stata poi eseguita la neuromodulazione (TPS) sham sull’emisfero dominante, in corrispondenza dell’area M1 (600 impulsi 0.25 mJ/mm 4 Hz; per un totale di 2:30’).

La neuromodulazione con TPS, sia real che sham, ha riguardato l’emisfero dominante, a livello dell’area M1/S1 (600 impulsi 0.25 mJ/mm 4 Hz; per un totale di 2:30’).

La durata media dello studio, in totale, ammontava a circa 40-50 minuti (Fig. 5).

 

Fig. 5. Disegno dello studio.

Analisi statistica

Le caratteristiche del campione sono state descritte attraverso media e deviazione standard (SD) per le variabili quantitative. La normalità della distribuzione è stata verificata utilizzando il test di Shapiro-Wilk. Il confronto tra la stimolazione real e la stimolazione sham è stato eseguito utilizzando il T-test per dati indipendenti per i seguenti parametri: RMT, AMT, SP ai tempi T0 (prima della stimolazione) e T1 (dopo la stimolazione). Abbiamo poi condotto un’analisi della varianza per misure ripetute (rmANOVA) per valutare eventuali modifiche della curva di reclutamento pre/post. Entrambi i test sono stati applicati sui gruppi “real” e “sham” e per due diverse condizioni: “emisfero dominante” e “emisfero non dominante”. La significatività statistica è stata fissata a p < 0.05, e l’analisi dei dati è stata eseguita tramite STATA (Versione 17 StataCorp, College Station, TX, USA).

Risultati

Sia per l’emisfero dominante che per l’emisfero non dominante, non sono state riscontrate differenze significative dopo stimolazione REAL e SHAM per nessuno dei parametri in studio (AMT, RMT, SP) fra i due timepoints. La Fig. 6 descrive graficamente i confronti dei parametri in studio.

Per ciò che riguarda l’analisi della curva di reclutamento, per l’emisfero dominante si è osservata la variazione significativa dell’ampiezza dei MEP alle varie intensità di stimolo in studio (90, 100, 120, 140, 160) per entrambi i gruppi (p < 0.01), in assenza, tuttavia, di un’interazione tra l’intensità di stimolazione e tipo di stimolazione TPS.

Anche per l’emisfero non dominante si è osservata la variazione significativa dell’ampiezza dei MEP alle varie intensità di stimolo in studio (90, 100, 120, 140, 160) in entrambi i gruppi (p < 0.01), in assenza, tuttavia, di una interazione tra intensità di stimolazione e tipo di stimolazione TPS (Fig. 7).

 

Fig. 6. Risultati T-test; T0= prima della TPS; T1= dopo la TPS; RMT= resting motor threshold; AMT= active motor threshold; SP= silent period; Analisi comparativa dei parametri di soglia motoria dopo stimolazione REAL e SHAM negli emisferi dominante e non dominante. Non sono state riscontrate differenze significative tra i due timepoints (T0 vs T1) per la soglia motoria a riposo (RMT), la soglia motoria attiva (AMT) o il periodo silente (SP) in entrambi gli emisferi.

 

Fig. 7. Curva I/O; T0= prima della TPS; T1= dopo la TPS; MSO%= maximum stimulator output; Confronto delle risposte dell’ampiezza dei Potenziali Evocati Motori (MEP) tra stimolazione REAL e SHAM a diverse intensità di stimolo negli emisferi dominante (A e C) e non dominante (B e D). Non sono state riscontrate differenze significative tra i due timepoints (t0 vs t1) nell’emisfero dominante e nell’emisfero non dominante.

 

Discussione

L’integrazione sensorimotoria è un fenomeno complesso, che richiede l’interazione e il corretto funzionamento di diverse strutture cerebrali, fra cui l’area motoria e quella somatosensoriale primaria. Le metodiche neurofisiologiche, grazie alla loro elevata risoluzione temporale, permettono di valutare efficacemente i meccanismi alla base di questo fenomeno. In questo studio abbiamo valutato come una metodica innovativa di stimolazione cerebrale non invasiva, la TPS, possa influenzare l’eccitabilità della corteccia motoria e somatosensoriale in soggetti sani misurata attraverso TMS. I nostri dati suggeriscono che la TPS, applicata selettivamente sulla corteccia sensorimotoria, non altera in maniera significativa l’eccitabilità di tali aree.

La TPS è una tecnica promettente che potrebbe avere il potenziale di modulare l’attività dei microcircuiti della corteccia motoria. Si tratta di una tecnica non invasiva che usa onde d’urto ultracorte per stimolare specifiche regioni cerebrali, raggiungendo anche aree profonde come il talamo. Le onde d’urto vengono generate nell’acqua e trasmesse al tessuto biologico attraverso un manipolo, senza significative perdite di energia.

 La TPS fa parte della famiglia delle tecniche di neuromodulazione che sfruttano onde meccaniche, come la TUS. Si evidenziano, tuttavia, differenze importanti tra i due tipi di stimolazione: mentre la TPS usa un singolo impulso di pressione seguito da un’onda di tensione, la TUS usa un’onda continua con oscillazioni frequenti. Inoltre, la forma di impulso asimmetrica dell’onda d’urto della TPS genera un effetto reciproco con alta pressione e bassa tensione, mentre la TUS ha fasi alternate di tensione e pressione che si annullano a vicenda. Infine, l’onda d’urto della TPS non causa danni tissutali significativi, mentre la TUS può causare un aumento della temperatura nei tessuti bersagliati.

Studi precedenti sulla TPS hanno mostrato effetti significativi e prolungati della stimolazione sull’eccitabilità e la connettività cerebrale. Alcuni studi hanno osservato un miglioramento dei sintomi in una coorte di pazienti con depressione sottoposta a TPS ripetitiva della corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC), la regione prevalentemente coinvolta nella patogenesi della depressione⁹. Ancora, un altro studio che ha riguardato soggetti affetti da disturbo dello spettro autistico ha registrato importanti risultati (riduzione del 24% dei sintomi core) bersagliando, mediante TPS, la giunzione temporo-parietale destra, implicata nei meccanismi di cognizione sociale⁸.

Gli effetti della TPS si vedono anche su alcuni parametri neurofisiologici di facile registrazione. In uno studio di Beisteiner e colleghi, la TPS è stata applicata sulla corteccia somatosensoriale primaria, dimostrando come i SEP (Somatosensory Evoked Potentials) si modifichino in maniera dose-dipendente a seconda del numero di impulsi TPS erogati. Questo risultato implica una dipendenza dell'efficacia della TPS dal timing di erogazione dell’energia totale⁵.

Inoltre, sessioni ripetute di stimolazione con TPS sono in grado di determinare cambiamenti a lungo termine che verosimilmente sono sottesi da fenomeni di plasticità neuronale. Si è infatti dimostrato un aumento dell’efficienza globale nel network sensorimotorio anche dopo una settimana dal termine della stimolazione TPS⁶.

Altri effetti, meritevoli di ulteriori studi, sono anche di ordine strutturale. L’applicazione prolungata della TPS sembra possa ridurre la diffusività assiale (AD) della sostanza bianca cerebrale (riflettendo un aumento della densità delle fibre cerebrali o calibri assonali ingranditi). Questo effetto potrebbe trovare applicazione nelle patologie neurodegenerative, come la malattia di Alzheimer, la malattia di Parkinson e la sclerosi multipla⁵.

In tal senso, lo studio della corteccia motoria non è importante solo per comprendere come questa controlli il movimento, ma ha anche implicazioni significative per il trattamento di queste malattie neurodegenerative. Ad esempio, la malattia di Parkinson, la malattia di Huntington e la sclerosi laterale amiotrofica sono tutte caratterizzate da una degenerazione selettiva della corteccia motoria. Capire pertanto come il funzionamento di questa si modifichi è essenziale per comprendere meglio la fisiopatologia di tali condizioni e trovare potenziali target terapeutici.

I risultati del nostro studio suggeriscono che la singola e selettiva applicazione della TPS sulla corteccia sensorimotoria potrebbe non essere sufficiente per produrre cambiamenti significativi sull’eccitabilità corticale. È possibile speculare che questo avvenga per diverse motivazioni:
- il protocollo di applicazione della TPS potrebbe non essere sufficiente a determinare degli effetti sulla corteccia somatosensoriale;
- l’efficacia clinica osservata in altri studi in cui la TPS veniva erogata sull’intera superficie cerebrale a più riprese potrebbe essere legata ad una sorta di effetto cumulativo o di alterazione di funzionamento globale dei networks cerebrali. In merito a quest’ultimo punto, essendo coinvolti vasti networks neurali nel fenomeno dell’integrazione sensorimotoria, la modulazione di una singola area, come nel nostro studio, potrebbe non essere sufficiente ad elicitare cambiamenti.

In futuro, potrebbe essere utile esplorare l'effetto della TPS applicata a diverse aree del cervello o utilizzare un approccio più “ampio”, stimolando l'intero encefalo e valutando gli effetti solo in alcune aree cerebrali. Questo potrebbe fornire una visione più completa dell'effetto della TPS sull'integrazione sensorimotoria e potrebbe portare a risultati più significativi.

Questo studio presenta dei punti di forza e delle limitazioni meritevoli di essere discussi. In primis, lo studio è stato condotto su una popolazione di soggetti giovani, non tenendo in considerazione un più ampio range di età. Questo limita la generalizzabilità dei risultati, poiché gli effetti della TPS possono variare in base all’età del soggetto. Inoltre, la numerosità del campione era scarsa (12 soggetti), il che potrebbe limitare la potenza statistica dello studio e la capacità di rilevare differenze significative. Inoltre, non abbiamo esplorato gli effetti della TPS in condizioni patologiche. Questo avrebbe potuto fornire ulteriori informazioni sulla specificità degli effetti della stimolazione. Infine, la durata dello studio potrebbe non essere stata sufficiente per osservare gli effetti a lungo termine della TPS.

Conclusioni

In conclusione, l’integrazione sensorimotoria è un fenomeno essenziale per il funzionamento del sistema nervoso, nonché un meccanismo potenzialmente vulnerabile ai processi neurodegenerativi. La comprensione dei processi e delle strutture che sottendono l’integrazione sensorimotoria può fornire informazioni preziose per lo studio della fisiopatologia e per il potenziale trattamento di varie condizioni patologiche. In tal senso, le metodiche di neuromodulazione come la TPS o la TMS permettono di avere una finestra sulla complessa interazione che esiste fra l’area motoria e quella somatosensoriale. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare l’uso delle tecniche di stimolazione cerebrale non invasiva per studiare e modulare l’attività di questi circuiti in maniera efficace.