La stimolazione cerebrale non invasiva si dimostra promettente per la terapia neurologica / Non-invasive brain stimulation shows promise for neurological therapy

La stimolazione cerebrale non invasiva si dimostra promettente per la terapia neurologica / Non-invasive brain stimulation shows promise for neurological therapy

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un'immagine modello della zona cerebrale profonda mirata, lo striato, un attore chiave nei meccanismi di ricompensa e rinforzo /  A model image of the targeted deep brain zone, the striatum, a key player in reward and reinforcement mechanisms 

Una nuova tecnica per sondare in modo non invasivo le profondità del cervello umano per fornire una terapia per i disturbi neurologici è stata testata con successo presso l’Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL).

I disturbi neurologici tra cui dipendenza, depressione e disturbo ossessivo-compulsivo (DOC) sono spesso caratterizzati da patologie complesse che coinvolgono più regioni e circuiti cerebrali.

Queste condizioni sono 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.

Ora, un gruppo interdisciplinare di ricercatori guidati da Friedhelm Hummel e dal postdoc Pierre Vassiliadis stanno sperimentando la stimolazione elettrica con interferenza temporale transcranica (tTIS). Il metodo si rivolge alle regioni profonde del cervello che sono i centri di controllo di diverse importanti funzioni cognitive e coinvolte in diverse patologie neurologiche e psichiatriche. La ricerca è dettagliata in Nature Human Behavior.

"La stimolazione cerebrale profonda invasiva [DBS] è già stata applicata con successo ai centri di controllo neurale profondamente situati per frenare la dipendenza e curare il Parkinson, il disturbo ossessivo compulsivo o la depressione", ha affermato Hummel in una nota. “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”.

L'autore principale Vassiliadis, 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.

"Finora non potevamo colpire specificamente queste regioni con tecniche non invasive, poiché i campi elettrici di bassa intensità stimolerebbero tutte le regioni tra il cranio e le zone più profonde, rendendo inefficace qualsiasi trattamento. Questo approccio ci consente di agire selettivamente stimolano le regioni profonde del cervello che sono importanti nei disturbi neuropsichiatrici", ha detto.

La tecnica si basa sul concetto di interferenza temporale, inizialmente esplorato in modelli di roditori ed ora tradotto in applicazioni umane dal gruppo 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.

La disparità di frequenza di 80 Hz tra le due correnti diventa la frequenza di stimolazione effettiva all'interno della zona target. Le alte frequenze di base non stimolano direttamente l'attività neurale, lasciando inalterato il tessuto cerebrale intermedio e concentrando l'effetto esclusivamente sulla regione bersaglio.

Secondo l’EPFL, il focus di quest’ultima ricerca è lo striato umano, che è coinvolto nelle funzioni decisionali, come la ricompensa.

"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", ha affermato Vassiliadis. Applicando la stimolazione dello striato a 80 Hz, il gruppo ha scoperto che potevano interromperne il normale funzionamento, influenzando direttamente il processo di apprendimento.

Il potenziale terapeutico del loro lavoro potrebbe avere un impatto positivo su 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. Il nostro metodo potrebbe aiutare a ridurre questa eccessiva enfasi patologica", ha affermato Vassiliadis.

Inoltre, il gruppo sta esplorando come diversi modelli di stimolazione 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 capacità di apprendimento ridotte", ha affermato Vassiliadis. .

ENGLISH

A novel technique for non-invasively probing deep into the human brain to provide therapy for neurological disorders has been successfully tested at Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL).

Neurological disorders including addiction, depression, and obsessive-compulsive disorder (OCD) are often characterised by complex pathologies involving multiple brain regions and circuits.

These conditions are difficult to treat due to the intricate and poorly understood nature of brain functions and the challenge of delivering therapies to deep brain structures without invasive procedures.

Now, an interdisciplinary team of researchers led by Friedhelm Hummel and postdoc Pierre Vassiliadis are pioneering transcranial Temporal Interference Electric Stimulation (tTIS). The method targets deep brain regions that are the control centres of several important cognitive functions and involved in different neurological and psychiatric pathologies. The research is detailed in Nature Human Behaviour.

“Invasive deep brain stimulation [DBS] has already successfully been applied to the deeply seated neural control centres in order to curb addiction and treat Parkinson, OCD or depression,” Hummel said in a statement. “The key difference with our approach is that it is non-invasive, meaning that we use low-level electrical stimulation on the scalp to target these regions.”

Lead author Vassiliadis, a medical doctor with a joint PhD, describes tTIS as using two pairs of electrodes attached to the scalp to apply weak electrical fields inside the brain.

"Up until now, we couldn’t specifically target these regions with non-invasive techniques, as the low-level electrical fields would stimulate all the regions between the skull and the deeper zones, rendering any treatments ineffective. This approach allows us to selectively stimulate deep brain regions that are important in neuropsychiatric disorders," he said.

The technique is based on the concept of temporal interference, initially explored in rodent models, and now translated to human applications by the EPFL team.

In this experiment, one pair of electrodes is set to a frequency of 2,000Hz, while another is set to 2,080Hz. Thanks to detailed computational models of the brain structure, the electrodes are specifically positioned on the scalp to ensure that their signals intersect in the target region.

The frequency disparity of 80Hz between the two currents becomes the effective stimulation frequency within the target zone. The high base frequencies do not stimulate neural activity directly, leaving the intervening brain tissue unaffected and focusing the effect solely on the targeted region.

According to EPFL, the focus of this latest research is the human striatum, which is involved in decision making functions, such as reward.

"We're examining how reinforcement learning, essentially how we learn through rewards, can be influenced by targeting specific brain frequencies," said Vassiliadis. By applying stimulation of the striatum at 80Hz, the team found they could disrupt its normal functioning, directly affecting the learning process.

The therapeutic potential of their work could have a positive impact on conditions like addiction, apathy and depression, where reward mechanisms play a crucial role.

"In addiction, for example, people tend to over-approach rewards. Our method could help reduce this pathological overemphasis," said Vassiliadis.

Furthermore, the team is exploring how different stimulation patterns can not only disrupt but also potentially enhance brain functions. "This first step was to prove the hypothesis of 80Hz affecting the striatum, and we did it by disrupting it’s functioning. Our research also shows promise in improving motor behaviour and increasing striatum activity, particularly in older adults with reduced learning abilities," said Vassiliadis.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/non-invasive-brain-stimulation-shows-promise-for-neurological-therapy