Cambiamenti neurali dell'esercizio: uno studio di risonanza magnetica funzionale

I disturbi mentali sono una delle principali cause di disabilità a lungo termine e sono una causa diretta di mortalità, con circa 800.000 persone che muoiono per suicidio ogni anno in tutto il mondo - un'alta percentuale di loro deriva dal disturbo depressivo maggiore (MDD). La conoscenza della MDD si è ampliata negli ultimi anni rilevando che la neuroplasticità può svolgere un ruolo fondamentale nella fisiopatologia della malattia. La neuroplasticità in questo contesto si riferisce alla capacità del cervello di cambiare e quindi potrebbe essere il presupposto per costruire strategie contro i disturbi mentali.

Gli esempi meglio caratterizzati e più studiati di neuroplasticità sono gli adattamenti molecolari e cellulari alla base dell'apprendimento e dell'esercizio. L'esercizio migliora la cognizione, ha effetti antidepressivi ed è stato anche riscontrato che ha effetti positivi sulla struttura del cervello misurati con la risonanza magnetica (MRI). Inoltre, la ricerca sugli anziani indica che una maggiore capacità aerobica può essere neuroprotettiva e può migliorare la struttura e la funzione del cervello. L'aumento del volume della materia grigia nelle regioni cerebrali parietali e frontali e il corrispondente aumento della diffusività nelle fibre della sostanza bianca sono stati osservati già dopo 2 settimane di allenamento per un compito di bilanciamento.

D'altra parte studi sperimentali hanno scoperto che lo stress e l'esposizione cronica ad alti livelli di glucocorticoidi porta a stati depressivi. Questi stati erano accompagnati da atrofia e perdita di neuroni nell'ippocampo adulto, una regione cerebrale del lobo temporale coinvolta nell'apprendimento, nella memoria e nella regolazione dell'umore. Il danno dell'ippocampo, derivante dall'eccessiva esposizione del cervello ai glucocorticoidi, porta a una ridotta inibizione del feedback dell'asse ipotalamo-ipofisi-surrene (HPA) da parte dei glucocorticoidi, causando il rilascio sfrenato dell'asse - l'"ipotesi della cascata glucocorticoide". Lo stress prolungato, o un carico allostatico eccessivo, è quindi dannoso ed è probabilmente importante nei processi che mediano le demenze. Sono necessarie risposte allo stress efficienti per far fronte ai cambiamenti nell'ambiente e la capacità di terminare la risposta allo stress è di fondamentale importanza nel ritorno all'omeostasi. Gli individui con depressione hanno un tono secretorio di cortisolo relativamente alto con schemi secretori diurni attenuati della secrezione di cortisolo, che riflettono uno scarso feedback normativo nell'ippocampo. Risposte più elevate allo stress da cortisolo al risveglio (CAR), al contrario, si riscontrano in coloro che sono cronicamente stressati, depressi o con remissione dalla depressione o dal disturbo bipolare e negli adolescenti che in seguito svilupperanno la depressione.

È interessante notare che i ricercatori hanno scoperto che i cambiamenti strutturali dell'ippocampo, una regione del cervello coinvolta nella memoria e nella regolazione delle emozioni, diventano più pronunciati quando un paziente con depressione sviluppa un decorso cronico. Recentemente, hanno rilevato che i volumi dell'ippocampo di pazienti con MDD, che portano anche un allele di rischio genetico (SLC6A4, 5-HTTLPR), erano più piccoli quando avevano una storia di abbandono emotivo rispetto ai pazienti che avevano solo l'abbandono genetico o emotivo fattore di rischio separatamente. Nel contesto del neuroimaging, l'imaging del tensore di diffusione (DTI), che rappresenta un significativo passo avanti per caratterizzare i cambiamenti o le differenze microstrutturali, è molto interessante. Utilizzando l'imaging di diffusione ad alta risoluzione angolare, i ricercatori hanno scoperto che i parenti sani di primo grado non affetti di pazienti con disturbo depressivo maggiore con connessioni di fibre più forti tra le regioni del cervello prefrontale e temporo-parietale gestivano le incidenze delle avversità della prima infanzia senza sviluppare successivamente depressione, suggerendo che la resilienza può essere associata a una maggiore connessioni. Questa linea di ricerca suggerisce che i cambiamenti cerebrali strutturali e funzionali sono già presenti prima della manifestazione della malattia e che questi cambiamenti sembrano essere correlati alla vulnerabilità degli individui.

Pertanto, prevenire questi cambiamenti cerebrali, normalizzare le funzioni dello stress e aumentare la resilienza degli individui è una sfida importante per il futuro al fine di prevenire i principali disturbi mentali legati allo stress. La capacità del cervello di adattarsi suggerisce che potrebbe essere possibile aumentare la resilienza per proteggere un individuo dal diventare depresso. Oltre all'esercizio e all'apprendimento, è stato dimostrato che la terapia cognitivo-comportamentale (CBT) e i programmi di recupero hanno effetti sulla struttura e sulla funzione del cervello in pazienti con disturbi manifesti come la depressione o la schizofrenia e in particolare la combinazione della CBT con l'esercizio e l'apprendimento potrebbe portare alla maggior esiti di rilievo. Con la CBT sono stati segnalati cambiamenti neuroplastici del cervello. Ad esempio, la terapia di attivazione comportamentale per la depressione, una modalità di psicoterapia progettata per aumentare il coinvolgimento con stimoli positivi e ridurre i comportamenti di evitamento, ha portato a una diminuzione delle attivazioni nelle strutture prefrontali, tra cui il giro paracingolato, la corteccia orbitofrontale destra e il polo frontale destro, mentre i sintomi di depressione migliorata. L'elevata attività dell'amigdala-ippocampo è diminuita e la ridotta attività dell'ACC è aumentata durante 16 settimane di CBT in 16 pazienti con MDD. Una recente revisione evidenzia gli effetti del breve allenamento della memoria di lavoro attraverso diversi studi sull'attivazione cerebrale in più regioni tra cui la corteccia prefrontale dorsolaterale, la corteccia parietale e la corteccia occipitale. È interessante notare che il ciclismo ha dimostrato di aumentare il volume dell'ippocampo sia nei pazienti con schizofrenia che nei soggetti sani di confronto, senza alcun cambiamento nel gruppo di pazienti senza esercizio. Ciò suggerisce che la CBT e l'esercizio fisico possono avere un impatto sul recupero del sistema cerebrale da condizioni come schizofrenia e MDD.

Gli effetti di un programma di resilienza non sono mai stati studiati con il neuroimaging, anche se sarebbe possibile ottenere informazioni sulla struttura dei fasci di fibre della materia bianca che collegano determinate regioni del cervello. I costrutti psicologici che promuovono la resilienza - la capacità di far fronte a situazioni stressanti - includono impegno, pazienza, ottimismo e autostima, oltre alla capacità di modulare le emozioni e di sviluppare un comportamento sociale adattivo. Questi tratti implicano l'interazione cognitivo-emotiva del cervello, che sembra essere un determinante critico dell'emergere di fenotipi patologici piuttosto che resilienti. L'interazione cognitivo-emotiva e la sua connettività cerebrale funzionale possono essere studiate utilizzando la risonanza magnetica funzionale. È interessante notare che, utilizzando la risonanza magnetica funzionale, è stato dimostrato che esiste una distorsione tra l'elaborazione emotiva e cognitiva nei pazienti con disturbo depressivo maggiore.

Obiettivi:

L'obiettivo dell'attuale proposta è quello di realizzare un ampio programma di resilienza della durata di 20 settimane al fine di stimolare la resilienza in una popolazione sana e non affetta che è esposta al normale stress lavorativo quotidiano in ospedale. Gli investigatori misureranno l'efficacia di questo programma esaminando i ritmi comportamentali, diurni di secrezione di cortisolo e le risposte allo stress, i cambiamenti neurali microstrutturali e funzionali.

Ipotesi:

Il programma "Resilienza" stimola la resilienza indicata da

1. migliore stabilità dell'umore, migliore qualità del sonno e migliore qualità della vita
2. aumento dei volumi dell'ippocampo e della corteccia cingolata anteriore
3. aumento della connettività funzionale tra le regioni cerebrali frontali e limbiche.
4. aumento dell'anisotropia frazionaria (FA), che è una misura per il funzionamento delle fibre della sostanza bianca, tra le regioni cerebrali limbiche e frontali.
5. aumento del gradiente della secrezione diurna di cortisolo; e diminuzione delle risposte allo stress misurate dalla risposta al risveglio del cortisolo

Metodi e materiali Partecipanti Quaranta volontari sani, ad es. sarà reclutato il personale dell'Adelaide and Meath Hospital, Dublin (AMiNCH). Non avranno una storia di malattie interne neurologiche, mentali (asse I e asse II) o croniche. Ulteriori criteri di esclusione per tutti i partecipanti saranno un precedente trauma cranico con perdita di coscienza. Inoltre, non saranno membri di fitness club né si impegneranno in intense attività quotidiane. I 40 volontari sani saranno randomizzati a un programma di "resilienza" di 20 settimane, 45 minuti di esercizio due volte a settimana sotto la supervisione di un fisioterapista e 2 sessioni a casa; o a un gruppo di controllo senza questo programma, e ogni settimana verranno completate altre due sessioni di 45 minuti di esercizio/jogging Le valutazioni cliniche verranno effettuate settimanalmente. I test di neuroimaging e di risveglio del cortisolo salivare saranno eseguiti al basale e dopo 20 settimane sia per il gruppo del programma di resilienza (N=20) che per il gruppo di controllo (N=20).

Valutazioni cliniche Il questionario di personalità NEO-FFI e l'intervista clinica strutturata per i disturbi del DSM (SCID)-I e II saranno effettuati inizialmente per escludere e storia di, o attuale, disturbo psichiatrico. L'umore sarà valutato utilizzando la Hamilton Depression Rating Scale (HDRS), la Hamilton Anxiety Rating Scale (HAM-A) e il Beck Depression Inventory (BDI) al basale e poi bisettimanale. Inoltre, gli attuali fattori di stress della vita saranno valutati in un'intervista condotta secondo Keller et al. su base settimanale; Anche la qualità della vita (Study-Short Form 36-Item Health Survey (SF-36, QoL-Bref) e l'indice di qualità del sonno di Pittsburgh (PSQI) saranno condotti bisettimanalmente. Lo stress della prima infanzia sarà valutato utilizzando il questionario sul trauma infantile (CTQ). Il questionario di personalità NEO-FFI e SCID-I e II saranno effettuati anche all'inclusione una volta. La manualità sarà determinata dall'inventario di Edimburgo.

Tecniche di neuroimaging Le immagini MRI saranno ottenute con una MRI da 3.0 Tesla (Phillips Achieva), situata presso il Trinity College Institute of Neuroscience (TCIN). La risonanza magnetica verrà eseguita utilizzando un protocollo di imaging di 60 minuti.

Diffusion Tensor Imaging (DTI): il DTI in vivo sarà acquisito utilizzando una sequenza di imaging ecoplanare (EPI) a scatto singolo con schema di imaging parallelo SENSE (SENSivitiy Encoding). La ponderazione della diffusione sarà codificata in 61 direzioni indipendenti. Dopo la pre-elaborazione nel programma ExploreDTI, la trattografia con ExploreDTI e le statistiche spaziali basate sui tratti utilizzando TBSS (www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/tbss/index.html, FSL) sarà effettuato. Abbiamo esperienza nell'uso di queste tecniche e nell'esecuzione delle analisi (25).

MRI funzionale: al fine di identificare i cambiamenti funzionali nel sistema di regolazione delle emozioni, applicheremo un paradigma fMRI. Useremo un Echo Planar Imaging (EPI), imaging gradient-echo pesato in T2* per visualizzare il contrasto BOLD (TR 2000 ms, TE 30 ms, angolo di rotazione di 90°, matrice 80 x 80, FOV 224 x 224 x 150 mm , risoluzione: 3,5 x 3,5 mm, spessore della fetta: 3,5 mm). Verrà utilizzato un compito di inibizione cognitivo-emotiva, ben consolidato nel nostro laboratorio. Ai partecipanti verrà chiesto di elaborare stimoli emotivi visivi in ​​​​modo emotivo o cognitivo. Questo compito è scelto in modo specifico, perché è noto che suscita attività nella corteccia prefrontale, nell'amigdala, nel giro cingolato, nella corteccia orbitofrontale, regioni implicate nella fisiopatologia della MDD. Verranno eseguite analisi standard basate su SPM8, analisi della connettività funzionale (33) e analisi dell'interazione psicofisiologica (PPI).

Tecniche strutturali: inoltre, l'obiettivo è quello di tenere traccia di eventuali modifiche strutturali e di confermare ed estendere le scoperte recenti in quest'area. Pertanto, tutti i soggetti saranno scansionati con una sequenza 3D-MPRAGE pesata in T1 (tempo di ripetizione, 8,5 ms; tempo di eco, 3,5 ms; tempo di acquisizione totale, 7 min 30 sec; numero di acquisizioni, 1; campo visivo, 250 x 256 x 160 mm, risoluzione: 0,86 x 0,86 x 0,86 mm). L'analisi della regione di interesse (ROI) dell'ippocampo e dell'amigdala e la morfometria ottimizzata basata su voxel (VBM) saranno utilizzate per l'analisi dei dati come precedentemente fatto nel nostro laboratorio.

Campioni di cortisolo salivare Questi saranno raccolti dai soggetti partecipanti in due giorni lavorativi successivi. I soggetti sputano in un tubicino di plastica al risveglio e 30, 45, 60 e 90 minuti dopo; e la sera (12 ore dopo il risveglio) e appena prima di andare a letto. I campioni possono essere conservati dai partecipanti in un frigorifero domestico e inviati in lotti in una busta preparata al centro di ricerca.

Calcolo della dimensione del campione I ricercatori hanno precedentemente condotto una serie di studi di imaging longitudinale. Sulla base di queste esperienze, 20 soggetti in ciascun gruppo dovrebbero essere più che sufficienti per ottenere effetti significativi, in cui si riscontrano tipicamente cambiamenti di segnale nell'ordine dello 0,2%-0,3% nei compiti cognitivo-emotivi o almeno il 5% di cambiamenti microstrutturali dovrebbero essere trovati nella risonanza magnetica strutturale o DTI. Pertanto, con 20 soggetti gli effetti dovrebbero essere rilevabili.