Ricerche

William "Jamie" TylerBalene, pipistrelli, e anche mantidi religiose usano gli ultrasuoni come sistema di guida sensoriale; ora un nuovo studio ha scoperto che gli ultrasuoni possono modulare l'attività del cervello per aumentare la percezione sensoriale degli esseri umani.

Gli scienziati del Virginia Tech Carilion Research Institute hanno dimostrato che gll ultrasuoni diretti su una specifica regione del cervello possono migliorare le prestazioni nella discriminazione sensoriale.

Lo studio, pubblicato online il 12 gennaio su Nature Neuroscience, fornisce la prima dimostrazione che gli ultrasuoni a bassa intensità, focalizzati sul transcranio, possono modulare l'attività del cervello umano per migliorare la percezione.

"Gli ultrasuoni hanno un grande potenziale nel portare una risoluzione senza precedenti alla crescente tendenza nella mappatura della connettività del cervello umano", ha detto William "Jamie" Tyler, professore assistente del Virginia Tech Carilion Research Institute, che ha condotto lo studio. "Quindi abbiamo deciso di esaminare gli effetti degli ultrasuoni sulla regione del cervello responsabile dell'elaborazione degli input sensoriali tattili".

Gli scienziati hanno inviato ultrasuoni focalizzati su una zona della corteccia cerebrale che elabora le informazioni sensoriali ricevute dalla mano. Per stimolare il nervo mediano (uno dei nervi principali che corre lungo il braccio, e l'unico che passa attraverso il tunnel carpale) hanno messo un piccolo elettrodo nel polso di volontari umani e ne hanno registrato le risposte cerebrali con l'elettroencefalografia (EEG). Poi, poco prima di stimolare il nervo, hanno cominciato a inviare ultrasuoni alla regione del cervello proposta.

Gli scienziati hanno scoperto che gli ultrasuoni diminuiscono il segnale EEG e indeboliscono le onde cerebrali responsabili della codifica della stimolazione tattile. Gli scienziati hanno poi eseguito due test neurologici classici: Il test discriminazione a due-punti (che misura la capacità di un soggetto di distinguere se due oggetti vicini che toccano la pelle sono davvero due punti distinti, anziché uno), e il compito di discriminazione di frequenza, un test che misura la sensibilità alla frequenza di una serie di soffi d'aria.

Gli scienziati hanno scoperto qualcosa di inaspettato. I soggetti trattati con ultrasuoni hanno mostrato dei miglioramenti significativi nella capacità di distinguere degli spilli a distanza più ravvicinata ed a discriminare le piccole differenze di frequenza tra sbuffi d'aria successivi. "Queste osservazioni ci hanno sorpreso", ha detto Tyler. "Anche se le onde cerebrali associate alla stimolazione tattile si erano indebolite, le persone effettivamente riuscivano a rilevare meglio le differenze di sensazioni".

Perché sopprimendo le risposte del cervello alla stimolazione sensoriale fa aumentare la percezione? Tyler ipotizza che gli ultrasuoni influenzino un importante equilibrio neurologico. "Sembra paradossale, ma abbiamo il sospetto che la particolare forma d'onda degli ultrsuoni che abbiamo usato nello studio alteri l'equilibrio dell'inibizione e dell'eccitazione sinaptica tra i neuroni limitrofi all'interno della corteccia cerebrale", ha detto Tyler. "Crediamo che gli ultrasuoni focalizzati cambino l'elaborazione continua dell'equilibrio tra eccitazione ed inibizione degli stimoli sensoriali nella regione del cervello interessata e che questo cambiamento impedisca la diffusione spaziale dell'eccitazione in risposta agli stimoli, con un conseguente miglioramento funzionale della percezione".

Per capire con quanta precisione avesse individuato l'effetto, il team di ricerca ha spostato il fascio acustico di un centimetro verso ogni direzione rispetto al sito originale di stimolazione cerebrale - e l'effetto è scomparso. "Ciò significa che possiamo usare gli ultrasuoni per puntare una zona del cervello piccola come una mentina", ha detto Tyler. "Questa scoperta rappresenta un nuovo modo non invasivo di modulare l'attività del cervello umano con una risoluzione spaziale migliore di qualsiasi altra attualmente disponibile".

Sulla base dei risultati dello studio attuale e di uno precedente, i ricercatori hanno concluso che gli ultrasuoni hanno una risoluzione spaziale maggiore rispetto alle altre due principali tecnologie di stimolazione cerebrale non invasive: la stimolazione magnetica transcranica (che utilizza magneti per attivare il cervello), e la stimolazione transcranica a corrente continua (che utilizza deboli correnti elettriche inviate direttamente al cervello attraverso elettrodi posti sulla testa).

"Capire meglio come gli ultrasuoni pulsati colpiscono l'equilibrio tra inibizione ed eccitazione sinaptica nelle regioni del cervello mirate - e come essa influenza l'attività dei circuiti locali rispetto alle connessioni di lungo raggio - ci aiuterà a produrre mappe più precise dei circuiti sinaptici altamente interconnessi nel cervello umano", ha detto Wynn Legon, primo autore dello studio e studioso post-dottorato al Virginia Tech Carilion Research Institute. "Speriamo di continuare a estendere le capacità degli ultrasuoni di mettere a punto i circuiti cerebrali in modo non invasivo ed aiutare a capire come funziona il cervello umano".

"Il lavoro da Jamie Tyler e dei suoi colleghi è in prima linea nel prossimo tsunami dello sviluppo di nuovi metodi non invasivi ma efficaci e sicuri per modulare il flusso di informazioni nei circuiti cellulari all'interno del cervello umano vivente", ha detto Michael Friedlander, direttore esecutivo del Virginia Tech Carilion Research Institute e neuroscienziato specializzato nella plasticità cerebrale. "Questo approccio fornisce la tecnologia e la prova di principio dell'attivazione precisa dei circuiti neurali per una serie di usi importanti, comprese le potenziali terapie per le malattie neurodegenerative, le malattie psichiatriche e i disturbi comportamentali. Inoltre, esso arma la comunità neuroscientifica con un nuovo e potente strumento per esplorare la funzione del cervello umano sano, aiutandoci a comprendere la cognizione, il processo decisionale, ed il pensiero. Questo è proprio il tipo di innovazione richiesto dalla BRAIN Initiative del Presidente Obama per implementare approcci drasticamente  nuovi per esplorare la circuiteria funzionale del cervello umano vivente e trattare l'Alzheimer e gli altri disturbi".

Per condurre la ricerca, a Tyler e Legon si è unito un team di scienziati del Virginia Tech Carilion Research Institute, che comprende Tomokazu Sato, Alexander Opitz, Aaron Barbour, Amanda Williams; e Jerel Mueller di Raleigh nella Carolina del Nord, studente laureato del Virginia Tech.

Oltre alla posizione nell'istituto, Tyler è assistente professore di ingegneria biomedica e scienze alla School of Biomedical Engineering and Sciences del Virginia Tech-Wake Forest University. Nel 2012, ha condiviso il Premio per l'Innovazione Tecnologica del McKnight Endowment for Neuroscience per il suo lavoro nello sviluppo degli ultrasuoni come strumento non invasivo per modulare l'attività cerebrale. "Nelle neuroscienze è facile distruggere", ha detto Tyler. "Possiamo distrarre, far sentire intorpiditi, ingannare con illusioni ottiche. E' facile peggiorare le cose, ma è difficile migliorarle. Questi risultati ci fanno ritenere di essere sulla strada giusta".

Fonte:   Virginia Tech (Virginia Polytechnic Institute and State University), via Newswise.

Riferimenti: Wynn Legon, Tomokazu F Sato, Alexander Opitz, Jerel Mueller, Aaron Barbour, Amanda Williams, William J Tyler. Transcranial focused ultrasound modulates the activity of primary somatosensory cortex in humans. Nature Neuroscience, 2014; DOI: 10.1038/nn.3620

Pubblicato in newswise.com (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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