Stimolazione magnetica transcranica (TMS)

Principi di base
La TMS è uno strumento che può essere usato sia per studiare la relazione tra cervello e comportamento che per esplorare l’eccitabilità di differenti regioni cerebrali. Fin dalla sua scoperta, questa tecnica è stata utilizzata per investigare: lo stato di eccitabilità corticale e l’eccitabilità delle vie cortico-corticali e cortico-spinali (Rothwell et al., 1987), il ruolo e il timing di una data regione cerebrale in una particolare funzione cognitiva (Harris e Miniussi, 2003; Harris, Miniussi, Harris and Diamond, 2002; Marzi, Miniussi, Maravita, Bertolasi, Zanette, Rothwell and Sanes, 1998; Cotelli et al., 2012; Manenti et al., 2011; Rossi et al., 2001; Ruzzoli et al., 2010; Ruzzoli et al., 2011; Sandrini et al., 2008), gli effetti indotti (Miniussi, Walsh and Ruzzoli 2010) e la patofisiologia di differenti disordini (ad esempio, Fregni e Pascual-Leone, 2006; Kobayashi e Pascual-Leone, 2003; Rossini e Rossi, 2007). Consente inoltre di interagire con ed indagare l’attività oscillatoria corticale (Miniussi and Thut, 2010; Thut and Miniussi, 2009; Veniero et al., 2012; Brignani et al., 2008; Miniussi, Brignani and Pellicciari, 2012).
La TMS prevede la somministrazione sullo scalpo di un impulso magnetico breve (~200 µs) e potente (da 0.2 a 4.0 T) attraverso una bobina (coil). L’impulso magnetico induce nella superficie corticale al di sotto del coil una corrente elettrica transitoria, che causa la depolarizzazione delle membrane cellulari (Barker et al., 1987; Barker et al., 1985) e la depolarizzazione transinaptica della popolazione di neuroni corticali.
La TMS è stata originalmente introdotta nella neurofisiologia clinica per la valutazione dello stato funzionale delle vie corticospinali (Pellicciari et al., 2009; Barker et al., 1987; Barker et al., 1985), infatti inizialmente prevedeva la somministrazione di un singolo impulso magnetico. A metà degli anni 90 i progressi tecnologici hanno consentito lo sviluppo di macchinari in grado di somministrare treni ripetitivi di impulsi magnetici dati in rapida sequenza, con una frequenza che poteva arrivare ai 100 Hz. Questo tipo di stimolazione viene detta TMS ripetitiva (rTMS). E’ stato dimostrato che la rTMS interagisce con l’attività corticale in modo più efficace rispetto alla TMS a singolo impulso. Inoltre la rTMS può essere applicata a bassa e/o alta frequenza e a seconda della modalità di applicazione potrebbe avere effetti diversi sull’attività corticale. Il cut-off tra alta e bassa frequenza è stabilito empiricamente, in base ad evidenze che convergono nell’indicare che la rTMS a meno di 1 Hz riduce l’eccitabilità corticale sia localmente che in regioni funzionalmente correlate, mentre la rTMS somministrata al di sopra dei 5 Hz sembra avere l’effetto opposto (Veniero et al., 2011; Chen et al., 1997; Maeda et al., 2000; Pascual-Leone et al., 1994). Dunque la rTMS consente una modulazione transitoria dell’eccitabilità neurale con un effetto che dipende dalla frequenza di stimolazione.

Meccanismi di azione a livello sinaptico
Le tecniche NIBS esercitano i loro effetti sull’eccitabilità neurale attraverso differenti meccanismi. La TMS induce una corrente in grado di elicitare potenziali d’azione nei neuroni. I cambiamenti indotti da una singola sessione di rTMS sono reversibili, durano da pochi minuti a più di un’ora e dipendono dai recettori N-Metil D-Aspartato (NMDA) (Ridding and Ziemann, 2010). Gli effetti corticali inibitori della rTMS ad 1 Hz dipendono dall’attività dei sistemi recettoriali sia dell’acido γ-Aminobutirico (GABA) che dell’NMDA (Fitzgerald et al., 2005). La stimolazione ad alta frequenza potrebbe coinvolgere gli stessi sistemi ma con effetti opposti. Questi possono essere alterati in seguito alla somministrazione di farmaci che interagiscono in modo specifico con la neurotrasmissione dei sistemi recettoriali di GABA e NMDA (Ziemann et al., 1998a; Ziemann et al., 1998b). A livello cellulare sono stati proposti diversi meccanismi in grado di spiegare la plasticità cerebrale indotta dalla stimolazione. Solitamente il meccanismo neurale di plasticità comportamentale più indagato è il PLT (Bliss and Lomo, 1973), che dipende dall’attivazione dei recettori NMDA. Sia il PLT che il meccanismo opposto, la DLT, sono stati proposti per spiegare gli effetti persistenti delle NIBS sull’attività corticale (Cooke and Bliss, 2006; Thickbroom, 2007; Ziemann and Siebner, 2008). Un’ampia letteratura fornisce molte informazioni anche sugli aspetti molecolari e genetici della plasticità indotta dalla TMS.

Trattamento dei deficit cognitivi
L’uso della stimolazione cerebrale per studiare funzioni e disfunzioni in pazienti con disordini neurodegenerativi o ictus è stato recentemente oggetto di molta attenzione nella comunità scientifica (es., Cotelli et al., 2006; Miniussi et al., 2008; Miniussi and Rossini, 2011; Miniussi and Vallar, 2011; Hummel and Cohen, 2006; Ridding and Rothwell, 2007;).
Alcuni dati preliminari mostrano un miglioramento nella prestazione in compiti di denominazione di immagini in pazienti con afasia vascolare (Martin et al., 2004; Naeser et al., 2005; 2005b; Cotelli et al., 2011), con afasia primaria progressiva (Cotelli et al., 2012; Finocchiaro et al., 2006) e con demenza di Alzheimer (Cotelli et al., 2006; 2008). E’ stato inoltre suggerito che la rTMS possa essere utilizzata per migliorare la prestazione di pazienti con estinzione sensoriale (Oliveri et al., 1999; 2000) e neglect unilaterale (Brighina et al., 2003; Oliveri et al., 2003; Shindo et al., 2006) a seguito di uno stroke.
I meccanismi neurali indotti dalle tecniche di stimolazione cerebrale e responsabili dei miglioramenti comportamentali sono ancora sconosciuti, per questo c’è un assoluto bisogno di nuove ricerche.

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