Ricerche

Attività cerebrale in un topo sotto stimolazione optogenetica, rilevata con la fMRI ultraveloce. In rosso una risposta positiva (= attività eccitatoria), in blu una risposta negativa (= attività inibitoria).

La stimolazione cerebrale, come quella (DBS, deep brain stimulation), è un modo potente per trattare i disturbi neurologici e psichiatrici. Anche se da più di un decennio sta dando benefici terapeutici ai malati di Parkinson, Alzheimer e dipendenze, il suo meccanismo neurale sottostante non è ancora completamente chiaro.

I ricercatori del Queensland Brain Institute (QBI) hanno fatto ora un passo avanti per svelare il mistero dell'attività cerebrale e capire meglio questo meccanismo, prevedendo potenzialmente gli esiti della DBS. Il cervello è una rete altamente complessa di circuiti organizzati gerarchicamente con connessioni ad ampio raggio. Le connessioni vanno in diverse direzioni, in avanti e all'indietro e tra neuroni eccitatori (accelerano una risposta) o inibitori (frenano una risposta).

"Diciamo che vediamo una mela e vogliamo afferrarla: una volta che quel segnale sensoriale raggiunge il cervello, ci aspettiamo che l'attività che segue dipenda dalle connessioni neurali del cervello", ha detto il professore associato Kai-Hsiang Chuang. "Ciò che non comprendiamo appieno è come o quando questi componenti strutturali e funzionali del cervello elaborano e integrano le informazioni per arrivare infine al risultato di muovere la mano".

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è la tecnica più popolare impiegata per studiare le reti cerebrali. La fMRI traccia il flusso sanguigno e i cambiamenti di ossigenazione a seguito dell'attività neurale, misurando così indirettamente le connessioni funzionali che si formano e indicando dove si sta propagando l'attività cerebrale. L'attività cerebrale, tuttavia, non è semplice come un segnale che viaggia da un'area all'altra.

Sviluppare una nuova tecnica di scansione cerebrale

Il team del laboratorio di Chuang ha sviluppato una nuova tecnica ultraveloce di fMRI con risoluzione temporale molto maggiore, che consente di catturare le dinamiche dell'attività cerebrale con tempi inferiori al secondo. Il prof. associato Chuang ha affermato che la nuova tecnica ha portato a una comprensione più completa di come e quando interagiscono le connessioni strutturali e funzionali del cervello:

"La prima scoperta che abbiamo fatto è che l'attività cerebrale non solo si propaga attraverso il cablaggio strutturale, ma segue alcuni circuiti preferenziali a seconda della loro distribuzione neuronale, eccitatoria e inibitoria. La comunicazione tra regioni cerebrali dei tipi simili di cellule diventa più fluente e l'attività cerebrale più forte".

Il gruppo di Chuang ha tracciato l'attività cerebrale dei topi sia stimolati che a riposo usando la tecnica fMRI ultraveloce. Quando il cervello veniva stimolato, l'attività seguiva il cablaggio strutturale nella direzione in avanti: da A a B e poi da B a C. Quando il cervello era a riposo, l'attività era più dipendente dall'organizzazione del tipo cellulare e basata meno su questo cablaggio strutturale, propagandosi da C a B ma non verso A, se è qui che si trovava il circuito preferenziale.

Ciò significa che il modo in cui le informazioni vengono elaborate dipende effettivamente dallo stato, mentre in precedenza si pensava che l'attività cerebrale funzionasse allo stesso modo a riposo o durante l'impegno in un'attività.

"La seconda scoperta che abbiamo fatto è che il segnale nel sangue rilevato dalla fMRI potrebbe riflettere l'organizzazione della rete e la distribuzione del tipo di cellula", ha affermato il prof. Chuang.

Migliorare la stimolazione cerebrale profonda

“Questi risultati hanno implicazioni significative sul modo in cui la struttura cerebrale plasma la sua funzione e permette di prevedere l'attività in base alla conoscenza di questa struttura. In pratica, ciò che ora sappiamo avrà un impatto sulla progettazione della DBS o altre tecniche di stimolazione cerebrale.

"I prossimi passi sono lavorare con i medici esperti di stimolazione cerebrale per determinare come possiamo usare questa conoscenza combinata con i dati umani per aiutarci a capire meglio la DBS".

Questa comprensione più completa potrebbe consentirci di prevedere meglio i risultati della DBS e potenzialmente migliorare il suo progetto per ottenere migliori esiti terapeutici.