Nelle profondità del cervello

La Deep Brain Stimulation (DBS), la stimolazione profonda del cervello, è uno dei più promettenti trattamenti per curare le patologie neuromuscolari come il Parkinson. Funziona grazie ad un elettrodo che scarica piccoli impulsi elettrici in una regione specifica del cervello per stimolare il rilascio di determinati neurotrasmettitori, le molecole con le quali comunicano i neuroni. 

Il dottor Lee e i suoi colleghi nel Laboratorio di Ingegneria Neurale della Clinica Mayo stanno sviluppando un sistema DBS che effettua due operazioni combinate: registra l’attività chimica e somministra impulsi elettrici. Praticamente, il doppio sistema monitora e misura il flusso di neurotrasmettitori e si basa su questi dati per la somministrazione della giusta dose di stimolazione elettrica nel sito cerebrale interessato. 

WINCS Patient Module

Wireless Instantaneous Neurotransmitter Concentration Sensing System (WINCS)

Ma facciamo un passo indietro. Lo scorso anno è stato compiuto il primo significativo step con la sperimentazione del sensore istantaneo per la concentrazione di neurotrasmettitore via wireless (WINCS), un device che traccia in tempo reale i livelli di neurotrasmettitore in zone specifiche del cervello.

Il sistema WINCS è stato testato con successo sugli animali e sta per passare nella fase di sperimentazione sugli uomini. I ricercatori utilizzano la risonanza magnetica funzionale durante l’intervento chirurgico per trovare le aree del cervello anche distanti che rispondono agli impulsi elettrici dell’impianto inserito. I sensori di registrazione mandano dati via wireless al computer consentendo ai ricercatori di avere un’immagine globale di come i neuroni si attivino e quali neurotrasmettitori siano rilasciati in risposta al DBS.

Attualmente, secondo quanto riportato da un articolo di Nature, il device è in grado di dare una stima attendibile della quantità di dopamina in una regione del cervello chiamata nucleo caudato a seguito della stimolazione elettrica di un’altra regione cerebrale denominata nucleo subtalamico. Questa sequenza di eventi è il meccanismo che spiegherebbe come funziona la stimolazione elettrica profonda del cervello (DBS) nel trattamento del Parkinson.  

Per tornare alle ultime novità, il cerchio sarà chiuso quando i ricercatori metteranno a punto il device che registrerà gli schemi elettrochimici come feedback automatici di ritorno sui parametri della DBS, ad esempio la frequenza e la durata degli impulsi elettrici. Il gruppo del dottor Lee in effetti sta sperimentando un Sistema di Controllo di Modulazione Neuronale (MINCS), un device neurostimolatore a modalità wireless che si abbina al WINCS creando un circuito virtuoso di azione e retroazione. In sostanza, da un lato il sensore misura le concentrazioni della classe di neurotrasmettitori bersaglio e dall’altro lato il MINCS utilizza il feedback sensoriale per regolare la scarica di impulsi elettrici.

WINCS-MINCS hardware

Questo filone di ricerca sperimentale sembra andare nella direzione indicata dai progetti del DARPA, il cui programma per lo sviluppo di sistemi neurotecnologici per le terapie emergenti (SUBNETS program) fa parte del BRAIN Initiative, un poderoso progetto di ricerca avveniristico per “rivoluzionare la nostra comprensione della mente umana” [qui puoi trovare maggiori informazioni]. 

L’obiettivo strategico dell’Agenzia americana per i Progetti di Ricerca Avanzata per la Difesa (DARPA) è quello di creare nuovi interventi sulla base dei progressi delle neuroscienze, della neurotecnologia e della terapia clinica. SUBNETS è stato ideato per essere in grado di realizzare un ipersistema di monitoraggio in tempo reale dei circuiti implicati nell’attività mentale in normali condizioni e costruire modeli affidabili per il trattamento dei disturbi neuropsicologici. E inoltre:

DARPA è specificatamente interessata a scoprire i sistemi sottostanti che contribuiscono al mantenimento delle seguenti condizioni descritte dal Manuale Diagnostico e Statistico dei Disturbi Mentali: il Disturbo Post-Traumatico da Stress, la Depressione Maggiore, il Disturbo di Personalità Borderline, il Disturbo Generale d’Ansia. DARPA intende produrre la rappresentazione nel sistema nervoso centrale dei danni traumatici al cervello, dell’abuso/dipendenza da sostanze e del dolore cronico o della fibromialgia.

In poche parole, la strategia industriale è quella di costruire dispositivi che registrino e stimolino l’attività neuronale, estrapolando dati in tempo reale che, decifrati, possano fornire informazioni precise su un particolare stato comportamentale. DARPA intende realizzare magnifici progressi entro 5 anni spendendo 70 milioni di dollari. Forse 5 anni sono davvero pochi, ma questi primi risultati provvisori sono straordinari soprattutto per l’imprevedibile valore conoscitivo e terapeutico dei disturbi fisici e mentali.

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