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La stimolazione elettrica cerebrale con tempi precisi migliora la memoria

La stimolazione elettrica cerebrale con tempi precisi migliora la memoriaUna nuova ricerca dell'Università della Pennsylvania ha rivelato che la stimolazione elettrica temporizzata con precisione sulla corteccia temporale laterale (cerchio rosso) può migliorare in modo affidabile e significativo l'apprendimento e la memoria fino al 15%. I cerchi blu indicano le posizioni degli elettrodi usati per registrare l'attività cerebrale e determinare quando applicare gli impulsi sottili.

Una stimolazione elettrica temporizzata con precisione sul lato sinistro del cervello può migliorare fino del 15% l'apprendimento e la memoria, in modo affidabile e significativo, secondo uno studio di un gruppo di neuroscienziati dell'Università della Pennsylvania, pubblicato questa settimana su Nature Communications.


È la prima volta che viene stabilita una tale connessione ed è un grande passo in avanti verso l'obiettivo del programma Restoring Active Memory (Ripristinare la Memoria Attiva), un progetto sponsorizzato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti per sviluppare tecnologie di prossima generazione che migliorano il ricordo dei veterani con perdita di memoria.


"Il nostro studio ha due aspetti nuovi", ha detto Youssef Ezzyat, scienziato senior nel dipartimento di psicologia della Penn e primo autore della ricerca. "Abbiamo sviluppato un sistema per monitorare l'attività cerebrale e attivare la stimolazione in modo reattivo, in base all'attività cerebrale del soggetto. Abbiamo anche identificato un nuovo bersaglio per l'applicazione della stimolazione, la corteccia temporale laterale sinistra".

 

In un precedente lavoro del team della Penn, guidato da Michael Kahana (professore di psicologia e ricercatore principale del programma RAM) e da Daniel Rizzuto (allora direttore della neuromodulazione cognitiva alla Penn e ora amministratore delegato di Nia Therapeutics), venivano erogati impulsi elettrici a intervalli regolari, indipendentemente dalla riuscita del soggetto nell'apprendere.


Ad esempio, durante un compito di memoria di richiamo libero, i ricercatori mostravano al paziente delle parole da ricordare su uno schermo e applicavano la stimolazione cerebrale a ogni parola diversa ripetuta dal soggetto, nel tentativo di migliorare l'esito. In quel caso, la stimolazione non era in risposta a schemi specifici di attività cerebrale.


Nel presente studio, hanno fatto qualcosa in più, includendo il monitoraggio dell'attività cerebrale del paziente in tempo reale durante un'attività. Mentre il paziente osservava e tentava di assorbire un elenco di parole, un computer tracciava e registrava i segnali cerebrali cercando di fare previsioni basate su quei segnali e quindi inviava un impulso elettrico, a livelli di sicurezza e non percepito dai partecipanti, quando avevano meno probabilità di ricordare le nuove informazioni


"Durante ogni nuova parola che il paziente visualizzava, il sistema registrava e analizzava l'attività cerebrale per prevedere se il paziente l'aveva imparata in modo efficace. Quando il sistema rilevava un apprendimento inefficace, attivava la stimolazione, chiudendo il ciclo", ha detto Ezzyat. Dopo lo spegnimento della stimolazione, il sistema continuava ad ascoltare l'attività cerebrale del soggetto, in attesa della successiva opportunità appropriata di generare l'impulso.


Lo studio ha coinvolto 25 pazienti neurochirurgici sottoposti a terapia per l'epilessia. I pazienti hanno partecipato in siti clinici di tutto il paese, compreso l'Ospedale dell'Università della Pennsylvania, il Thomas Jefferson University Hospital, la University of Texas Southwestern, l'Emory University Hospital, il Dartmouth-Hitchcock Medical Center e la Mayo Clinic. Tutti i soggetti avevano già elettrodi impiantati nel cervello nell'ambito del trattamento clinico di routine per l'epilessia.


Per costruire i modelli che usavano l'attività cerebrale per fare previsioni, ogni partecipante eseguiva il compito di memoria di richiamo libero in almeno tre sessioni di 45 minuti prima che il team della Penn introducesse una stimolazione a ciclo chiuso; sessioni multiple aumentavano la fiducia che l'attività cerebrale legata all'apprendimento inefficace potesse riflettere un modello reale piuttosto che un evento accidentale. I pazienti hanno quindi preso parte ad almeno una sessione che prevedeva la stimolazione cerebrale.


"Sviluppando modelli specifici per il paziente, personalizzati, ad auto-apprendimento", ha detto Kahana, "potremmo programmare il nostro stimolatore perché possa erogare impulsi solo quando prevede che la memoria può fallire, dando a questa tecnologia le migliori possibilità di ripristinare la memoria. Questo è importante perché sappiamo da precedenti lavori che stimolare il cervello quando funzione bene non fa che peggiorare la memoria".


Con questo risultato, il progetto quadriennale RAM si avvicina a un sistema di monitoraggio e stimolazione neurale completamente impiantabile. I ricercatori hanno detto di ritenere che questa stimolazione abbia un grande potenziale per dare benefici terapeutici, in particolare alle persone con lesioni cerebrali traumatiche e con Alzheimer.


"Ora sappiamo con più precisione dove stimolare il cervello", ha detto Rizzuto, "per migliorare la memoria nei pazienti con disturbi della memoria, nonché quando stimolare per massimizzare l'effetto".


Michael Sperling, ricercatore di studi clinici al Thomas Jefferson University Hospital, ha aggiunto: "Ora siamo in grado di monitorare quando il cervello sembra andare fuori rotta e usare la stimolazione per correggere la traiettoria. Questa scoperta ha richiesto un incredibile sforzo, non solo dai ricercatori ma anche dai nostri pazienti, che erano straordinariamente dedicati a partecipare a questo progetto in modo che altri possano avere benefici".

 

 

 


Fonte: Michele W. Berger in University of Pennsylvania (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti: Youssef Ezzyat, Paul A. Wanda, Deborah F. Levy, Allison Kadel, Ada Aka, Isaac Pedisich, Michael R. Sperling, Ashwini D. Sharan, Bradley C. Lega, Alexis Burks, Robert E. Gross, Cory S. Inman, Barbara C. Jobst, Mark A. Gorenstein, Kathryn A. Davis, Gregory A. Worrell, Michal T. Kucewicz, Joel M. Stein, Richard Gorniak, Sandhitsu R. Das, Daniel S. Rizzuto & Michael J. Kahana. Closed-loop stimulation of temporal cortex rescues functional networks and improves memory. Nature Communications, volume 9, Article number: 365 (2018) doi: 10.1038/s41467-017-02753-0

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