Effetti del trattamento acuto con nicotina sulla neuroplasticità e sulla memoria nei pazienti con schizofrenia (NIC-PAS)

Contesto: la schizofrenia (SCZ) è frequentemente associata a marcati deficit della memoria di lavoro (WM) la cui fisiopatologia è strettamente correlata alla disfunzione dipendente dalla corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC)[1]. Questi deficit predicono l'esito della malattia e la scarsa risposta al trattamento antipsicotico[2]. Di conseguenza, chiarire la fisiologia dei deficit di WM dipendenti da DLPFC nella SCZ è fondamentale per comprendere meglio questa malattia e il suo trattamento.

I pazienti con SCZ mostrano una prevalenza insolitamente alta di fumatori e alti tassi di fallimenti nella cessazione del fumo sono comunemente associati a deficit di WM[3]. Il recettore nicotinico centrale dell'acetilcolina (nAChR) è il bersaglio principale della nicotina. Diverse linee di evidenza suggeriscono fortemente che il sistema nAChR è un obiettivo promettente per il trattamento dei deficit cognitivi nella SCZ. Questi includono le seguenti osservazioni: (1) l'espressione dei recettori nAChRs è anormale in diverse regioni del cervello, inclusa la PFC, nel cervello post mortem di pazienti con SCZ, (2) i geni che codificano per le subunità nAChR sono geni di rischio candidati per SCZ e dipendenza da nicotina e (3) l'astinenza dal fumo produce deficit di WM, che correlano con i livelli ematici di nicotina, sono alleviati dalla ripresa del fumo e sono bloccati dagli antagonisti nAChR nei pazienti con SCZ, ma non nei fumatori di controllo sani (ad esempio, [4] ). Tuttavia, il meccanismo sottostante attraverso il quale la nicotina e i nAChR influenzano la memoria dipendente da DLPFC in SCZ sono ancora sconosciuti. Gli aumenti indotti dalla nicotina nella plasticità neurale possono rappresentare uno di questi meccanismi.

La neuroplasticità, che include il potenziamento a lungo termine (LTP), è un meccanismo fisiologico proposto per la formazione della memoria. LTP dipende da un'interazione ottimale tra i sistemi glutammato (GLU), dopamina (DA) e acido γ-amminobutirrico (GABA) e le perturbazioni in questi sistemi probabilmente spiegano perché i pazienti con SCZ mostrano deficit di WM e neuroplasticità [5,6]. nAChR sono presenti sui neuroni GABA, GLU e DA e la nicotina potrebbe potenzialmente migliorare la cognizione modulando questi sistemi. Gli studi hanno dimostrato che la somministrazione acuta di nicotina potenzia la plasticità neurale nella corteccia motoria di soggetti umani sani. Uno di questi studi ha utilizzato la stimolazione associativa accoppiata (PAS), un potente paradigma per indicizzare l'LTP nella corteccia motoria, per valutare gli effetti della nicotina sull'LTP nei non fumatori[7]. I risultati dimostrano che la nicotina potenzia i meccanismi LTP-like indotti dalla PAS nella corteccia motoria[7]. Ad oggi, tuttavia, non vi è stata alcuna misura diretta della plasticità simile a LTP dal DLPFC negli esseri umani. Per superare questa sfida, il gruppo di ricercatori ha sviluppato una nuova tecnica PAS di stimolazione magnetica transcranica combinata (TMS) ed elettroencefalografia (EEG)[8] per indicizzare direttamente LTP dal DLPFC.

I metodi convenzionali di applicazione della PAS comportano l'erogazione ripetuta di due stimolazioni accoppiate: la prima è una stimolazione elettrica del nervo periferico del nervo mediano destro della mano e 25 ms dopo un secondo impulso TMS erogato alla corteccia motoria controlaterale (da qui PAS-25) . Attraverso l'accoppiamento ripetitivo di queste due stimolazioni, PAS-25 determina una maggiore attivazione dei neuroni di uscita che rappresenta una misura diretta LTP negli esseri umani[9]. Il laboratorio dei ricercatori ha recentemente registrato PAS-LTP nel DLFPC utilizzando una nuova tecnica di TMS-EEG[8]. Qui, PAS viene applicato al DLPFC mediante consegna ripetitiva di: (1) una stimolazione del nervo periferico sul lato destro, seguita 25 ms più tardi da; (2) un impulso TMS consegnato al DLPFC sinistro. Il potenziamento indotto da PAS dell'attività evocata corticale viene quindi misurato direttamente dal DLPFC e rappresenta l'LTP in questa regione poiché gli interneuroni attivati ​​​​dalla stimolazione corticale e dalla stimolazione periferica, a loro volta, attivano contemporaneamente i neuroni di uscita DLPFC e aumentano la loro attività se ripetuti per oltre 30 min. Pertanto, l'attivazione della corteccia somatosensoriale mediante stimolazione del nervo periferico si propagherà al DLPFC e arriverà lì contemporaneamente all'impulso TMS risultante in LTP. La validità di questa tecnica si basa sull'osservazione che ci sono forti correlazioni tra i potenziali evocati indotti da TMS nel motore e DLPFC (r=0.8-0.85, p<0.001)[8]. LTP è quantificato come cambiamento nell'attività evocata corticale DLPFC dal basale (pre-PAS) a diversi punti temporali dopo PAS-25 (post-PAS). I dati preliminari dello studio in corso dei ricercatori che utilizzano questi nuovi metodi dimostrano che PAS-25 induce un LTP significativo nel DLPFC. Ad esempio, nei controlli sani l'attività corticale evocata nel DLPFC è stata facilitata del 56% post-PAS (punto massimo di facilitazione) mentre nei pazienti con SCZ l'attività corticale evocata post-PAS è stata aumentata solo del 16% (Cohen's d=0,80) . Questa è la conoscenza dei ricercatori la prima volta che LTP è mai stato dimostrato in vivo nel DLPFC degli esseri umani e la prima volta che i deficit di LTP nel DLPFC sono stati segnalati in pazienti con SCZ. Lo scopo di questa proposta è ora valutare se la WM potenziata dalla nicotina sia mediata dal potenziamento dell'LTP nella DLPFC.

Ipotesi:

1. I pazienti con SCZ avranno ridotto DLPFC LTP e WM compromessa rispetto ai controlli sani.
2. La sfida acuta della gomma da masticare alla nicotina attenuerà il deficit di DLPFC LTP e WM nei pazienti con SCZ.
3. I livelli plasmatici di nicotina saranno correlati al miglioramento del DLPFC LTP.
4. L'inversione del deficit di DLPFC LTP nei pazienti con SCZ sarà associata al miglioramento della WM.

Metodi:

Soggetti: Quattordici non fumatori sani e 14 non fumatori con SCZ completeranno questo studio esplorativo. Questa dimensione del campione si basa su uno studio precedente che ha utilizzato il metodo TMS-EEG e ha dimostrato una differenza significativa nell'inibizione corticale tra controlli sani e pazienti con SCZ[10], e sarà sufficiente per rilevare una dimensione media dell'effetto (d di Cohen=0,72 ; α=0.05, 1-β=0.80) del trattamento con nicotina. Solo i pazienti trattati con una dose stabile di farmaci antipsicotici (≥1 mese) saranno arruolati in questo studio. Ciò potrebbe potenzialmente confondere i risultati poiché i ricercatori stanno utilizzando controlli sani non medicati per il confronto. Tuttavia, il progetto all'interno dei soggetti è uno sforzo per controllare tali effetti. Disegno dello studio: lo studio sarà uno studio crossover in doppio cieco, controllato con placebo, costituito da due sessioni di test PAS-25 a distanza di un mese, seguite ciascuna da una sessione di test di follow-up post-PAS di 7 giorni. Trattamento farmacologico: la nicotina (4 mg) o la gomma placebo corrispondente verrà somministrata in ciascuno dei due giorni di test prima della registrazione TMS-EEG al basale. La massima concentrazione ematica di nicotina viene raggiunta dopo 30 minuti, a quel punto verranno prelevati campioni di sangue per valutare i livelli di nicotina. Valutazione WM: l'attività N-back misura la capacità di mantenere informazioni attive online (ad es. WM) e dipende dal funzionamento del DLPFC. Le lettere sono presentate in una sequenza continua e al soggetto viene chiesto di rispondere se riconosce la lettera presente poiché appare la stessa lettera che appariva come le lettere N (0, 1, 2 o 3) indietro, cioè "N-indietro". L'N-back verrà somministrato durante la sessione di allenamento pre-test (per controllare gli effetti dell'allenamento), basale, 120 minuti e 1 settimana dopo PAS. Stimolazione associativa accoppiata (PAS): gli accoppiamenti avverranno per un periodo di 30 minuti e la stimolazione del nervo periferico e la TMS al DLPFC verranno erogate a 0,1 Hz. Per assicurare la localizzazione della DLPFC, verranno utilizzate tecniche di neuronavigazione utilizzando il software MRIcro/reg e una scansione MRI T1-weight. Quantificazione LTP: per valutare DLPFC LTP, il cambiamento nell'attività evocata corticale sarà misurato utilizzando registrazioni TMS-EEG pre e post-PAS. Gli impulsi TMS verranno generati utilizzando due stimolatori Magstim 200 (Magstim Company Ltd., Regno Unito) collegati e una bobina a forma di otto da 7 cm tramite un modulo Bistim. Verrà somministrato un treno di 100 impulsi (0.1 Hz) unitamente a registrazioni EEG; (1) prima della PAS al fine di valutare l'attività evocata corticale di base e (2) in diversi punti temporali (0, 15, 30, 60.120 min e 7 giorni) dopo la PAS-25. L'EEG verrà registrato utilizzando gli elettrodi corrispondenti a DLPFC di un sistema EEG Synamps 2 a 64 canali. L'attività evocata corticale sarà definita come l'area sotto la curva rettificata per le registrazioni EEG medie (50-275 ms post-stimolo) e l'LTP sarà quantificato come il cambiamento nell'attività evocata corticale rispetto al basale. Statistiche: i confronti all'interno e tra i soggetti saranno effettuati utilizzando misure ripetute, fattoriali miste, ANOVA quando appropriato. La relazione tra LTP e livelli di nicotina sarà valutata utilizzando le correlazioni di Pearson. I valori P saranno impostati a 0,05 e i confronti multipli saranno corretti da Bonferroni.

Significato: i risultati di questo studio forniranno importanti nuove conoscenze sui meccanismi alla base delle strategie di potenziamento cognitivo nella SCZ. Cioè, i ricercatori intendono decifrare i complessi meccanismi farmacologici che sono alla base del potenziamento colinergico nicotinico della plasticità nel DLPFC. Tali scoperte aiuteranno anche a generare importanti biomarcatori attraverso i quali le strategie di miglioramento cognitivo possono essere misurate biologicamente che possono potenzialmente portare allo sviluppo di trattamenti più personalizzati dei deficit cognitivi in ​​questo disturbo debilitante.