Corrente alternata transcranica per oscillopatie (tACS_EEG)

tDCS è stato applicato a uno spettro di malattie, tra cui depressione, morbo di Parkinson (PD), demenza e altri, sulla base del concetto di aree cerebrali disfunzionali: modulando l'ipo o iper-funzione delle regioni cerebrali indicate tramite anodica o la tDCS catodica ha mostrato evidenza di miglioramento dei sintomi clinici, sebbene generalmente di breve durata e spesso con risultati discordanti tra gli studi. Al contrario, tACS è stato applicato solo raramente a persone con malattia, con risultati discordanti. Tuttavia, la sua applicazione a individui sani per aumentare il sonno e la formazione della memoria correlata al sonno e la memoria di lavoro si è dimostrata efficace. Se, tuttavia, manca il consenso sui modelli di stimolazione (continua vs. alternata), lo stesso vale per le frequenze, sebbene l'evidenza di studi computazionali e su animali dimostri che tACS è molto efficace nel trascinare la rete alla frequenza della stimolazione applicata, con theta notevolmente efficace nel migliorare le prestazioni cognitive nei compiti di memoria.

Se un paradigma diverso, adattato a specifiche firme neurofisiologiche, e non al fenotipo della disfunzione sottostante (es. applicando tDCS inibitoria sull'area corticale iperfunzionante di una data malattia o viceversa), potrebbe portare a risultati clinici migliori e duraturi non ancora definiti.

Pertanto, questo studio proposto ha due domande fondamentali: 1) è una riclassificazione delle patologie in base alle loro attività oscillatorie e alla relativa distribuzione del cuoio capelluto. In effetti, la risposta che i ricercatori stanno cercando è se i ricercatori potrebbero identificare chiari marcatori neurofisiologici che potrebbero portare a una nuova classificazione diagnostica. Da una prospettiva traslazionale la domanda è: 2) questi marcatori potrebbero eventualmente guidare le opzioni terapeutiche? Se questi punti vengono dimostrati, i ricercatori prevedono di espandere i risultati ad altre oscillopatie (ad es. schizofrenia o insonnia).

L'obiettivo di questo progetto è quindi in due fasi: una prima fase definirà i marcatori neurofisiologici di diverse malattie, superando la tradizionale classificazione delle patologie basata sui sintomi. Nella seconda fase, queste caratteristiche saranno tradotte in un protocollo di stimolazione cerebrale non invasiva (NIBS) su misura. Infatti, concentrandosi sulle disfunzioni dei ritmi oscillatori, verrà applicata la tACS, che trascina specifiche frequenze EEG, invece della tDCS, che ipo-iperpolarizza indiscriminatamente vaste regioni cerebrali.

Nella prima fase, patologie selezionate all'interno del più ampio spettro di aritmie talamo-corticali (TCD) saranno classificate sulla base del loro ritmo EEG prevalente; inoltre, si otterrà la risposta oscillatoria del cervello a perturbazioni esterne (sincronizzazione o desincronizzazione delle bande di frequenza in risposta alla stimolazione TMS come definito dalla co-registrazione EEG-TMS). La frequenza EEG identificata verrà successivamente estratta dall'EEG per visualizzare le aree difettose del cuoio capelluto. Gli investigatori identificheranno:

• il ritmo EEG prevalente in un EEG standard a riposo mediante analisi spettrale di potenza, basata sulla trasformata di Fourier;
• una visione più dettagliata della reattività cerebrale e della sua risposta oscillatoria come reazione alla stimolazione TMS casuale e non coinvolgente con co-registrazione EEG, un metodo che sembra suscitare una risposta oscillatoria cerebrale dipendente dallo stato; Le patologie che presentano firme neurofisiologiche analoghe saranno raggruppate insieme al fine di definire un paradigma di stimolazione appropriato e comune, indipendentemente dal fenotipo del sintomo.

Nella seconda fase gli investigatori tenteranno di adattare tACS sulla base delle categorie precedentemente definite. L'area del cuoio capelluto del ritmo disfunzionale aiuterà nella selezione del sito di stimolazione, mentre il paradigma di stimolazione sarà stabilito sulla base delle bande EEG prevalenti a riposo e dopo la perturbazione - cioè la stimolazione transcranica sarà a bassa frequenza (4 Hz) alternata (tACS) per patologie caratterizzate da un aumento patologico dei ritmi veloci, e viceversa (30 Hz), al fine di trascinare la banda difettosa dell'EEG. Ci si aspetta un miglioramento netto e duraturo dei sintomi clinici.

Il nostro risultato atteso è essere in grado di impostare paradigmi di stimolazione tACS appropriati ed efficaci basati su marcatori neurofisiologici di malattia piuttosto che su sintomi clinici. Dato l'elevato numero di patologie comprese nello spettro TCD, questa opzione terapeutica potrebbe diventare una promettente opzione terapeutica non invasiva ed economica con un ampio campo di applicazioni.

Le patologie da includere sono:

• DP: alterazione dell'ansa talamo-corticale che riflette, attraverso il talamo, la prevalenza beta nell'ansa dei nuclei profondi e si riverbera alla corteccia.

• Dolore neuropatico (NP): evidenza di aumento della potenza della banda theta alta (7-8Hz), specialmente sulla corteccia frontale e somatosensoriale. La generazione di attività a bassa frequenza da parte del circuito talamocorticale si traduce in un equilibrio patologico a lungo termine nella matrice del dolore corticale.

  2 - Metodi

2.1. Valutazione clinica pre- (T0), post-stimolazione (T1) e 4 settimane di follow-up (T2)

• PD: UPDRS III, indice di andatura dinamica
• NP: Neuropathic Pain Questionnaire (NPQ), VAS for pain, Short Form 36-item Health Survey (SF-36) Verranno registrate eventuali modifiche terapeutiche dettate dallo stato clinico dell'individuo.

2.2. Valutazione neuropsicologica T0, T1 e T2 Tutti i gruppi di pazienti saranno sottoposti alla seguente batteria di test neuropsicologici. Verranno misurati lo stato e il tratto di ansia e somministrato il BDI.

• Valutazione cognitiva di Montreal (MoCA)
• State-Trait Anxiety Inventory (STAY) Y1 e Y2
• Inventario della depressione di Beck (BDI) II
• Test di apprendimento verbale uditivo Rey
• Rey-Osterrieth Complex Figure Test versione I e III
• Test di Taylor modificato
• Scala della depressione geriatrica (forma breve)
• Cifrario
• Test di fluidità fonemica
• Test di manualità di Edimburgo
• Test di intelligenza in forma abbreviata (TIB)
• Test di apprendimento verbale Hopkins rivisto (HVLTR)
• Prova di tracciatura

2.3. Analisi del segnale Analisi EEG a riposo T0, T1 e T2. L'EEG verrà acquisito utilizzando un amplificatore EEG compatibile con TMS (BrainAmp 32MRplus, BrainProducts GmbH, Monaco, Germania) e un cappuccio che fornisce 30 elettrodi Ag/AgCl posizionati secondo un sistema 10/20. I dati verranno elaborati in Matlab (MathWorks, Natick, MA) utilizzando script basati su EEGLAB (http://www.sccn.ucsd.edu/eeglab), così come un codice dedicato fatto in casa creato per questo studio. Gli artefatti visibili nell'EEG saranno rimossi utilizzando una procedura di analisi dei componenti indipendente e l'EEG sarà filtrato passa-banda da 1 a 30 Hz. I dati EEG saranno divisi in epoche di 2 s e una trasformata veloce di Fourier (FFT) sarà applicata alle epoche non sovrapposte e sarà calcolata la media tra le epoche. Sulla base della densità degli spettri di potenza, saranno valutate le potenze relative (%) negli intervalli di frequenza delta (1-4 Hz), theta (4-7 Hz), alfa (8-12 Hz) e beta (13-30 Hz).

Verrà applicato un test z a un campione per confrontare la mappa del paziente con la media generale dei controlli (un gruppo di 20 soggetti sani). Pertanto, la mappa statistica definisce i sensori in cui la potenza relativa di un singolo paziente differisce statisticamente da quella di una popolazione di riferimento (gruppo di controllo).

Pre-stimolazione (T0) Co-registrazione EEG-TMS La TMS verrà eseguita utilizzando un Dymeg in configurazione di impulso bifasico (DuoMag, EMS, Italia) che genera un campo magnetico massimo di 1,5 T. La TMS verrà erogata attraverso una figura di- otto bobine focali sull'area motoria primaria dominante (M1). I potenziali evocati motori (MEP) saranno registrati dal muscolo dell'eminenza tenare sinistra/destra con elettrodi di superficie Ag/AgCl fissati alla pelle con un montaggio del tendine del ventre. L'intensità dello stimolo sarà fissata al 110% dell'intensità della soglia motoria. Verranno erogati casualmente 100 stimoli TMS a singolo impulso, con intervallo inter-trial compreso tra 8 e 15 s.

L'EEG verrà acquisito utilizzando lo stesso sistema EEG compatibile con la risonanza magnetica precedentemente descritto. I dati EEG saranno analizzati utilizzando una procedura tempo-frequenza per caratterizzare le oscillazioni indotte da TMS. L'analisi tempo-frequenza sarà eseguita con trasformata wavelet continua di Morlet, che fornisce un andamento temporale dopo la stimolazione magnetica della potenza relativa nelle principali bande di frequenza, come sopra descritto. I profili per ogni soggetto saranno mediati dalle prove post-stimolo e normalizzati al valore basale.

2.4. Paradigma di stimolazione TADCS La stimolazione sarà applicata da uno stimolatore esterno a batteria (BrainStim, EMS, Bologna, Italia) tramite due elettrodi di spugna (5x7cm). L'elettrodo anodico verrà posizionato sull'area del cuoio capelluto corrispondente al nodo di rete difettoso come derivato dall'analisi della sorgente EEG. L'elettrodo catodico verrà posizionato sopra la mastoide omolaterale. Verrà erogata una corrente sinusoidale, compresa tra 1 e 2mA; la frequenza di stimolazione sarà derivata dalla banda EEG difettosa - cioè se prevalgono oscillazioni a bassa frequenza, la stimolazione sarà a 30 Hz; se prevalgono oscillazioni ad alta frequenza, la stimolazione sarà a 4 Hz. La stimolazione fittizia, secondo la dichiarazione di consenso, verrà erogata come stimolazione del rumore casuale (RNS) con elettrodi situati negli stessi siti della stimolazione attiva e le sessioni fittizie dureranno 30 minuti e ripetute per due settimane in 5 giorni consecutivi alla settimana separati da un Intervallo di 2 giorni. Verrà applicata una stimolazione casuale del rumore (RNS) con un'ampiezza da 1 a 2 mA.

2.5. Approvazione del comitato etico Lo studio prevede la stimolazione di soggetti umani e come tale richiederà l'approvazione etica. I ricercatori hanno ottenuto l'approvazione etica dal comitato etico dell'ospedale universitario di Padova (3507/15).

2.6. Analisi statistica e potere di studio I dati saranno riassunti utilizzando statistiche descrittive. Verranno prodotti intervalli di confidenza (IC) appropriati al 95% per ciascun risultato.

2.6.1. Prima fase Verrà calcolata la percentuale di persone con PD che mostrano il picco beta EEG (FFT) e l'IC binomiale al 95%. La stessa analisi verrà eseguita per le persone con NP che mostrano il picco theta EEG (FFT).

2.6.2. Seconda fase 2.6.2.1. Analisi primarie Verrà utilizzato un test a misure ripetute (ANCOVA) per valutare le differenze nel punteggio UPDRS e nel punteggio NPQ tra T0 e T1.

2.6.2.2. Analisi secondarie La valutazione della sezione trasversale prima e dopo il trattamento tra PD con picco beta e PD con altri picchi EEG verrà eseguita utilizzando il test t del campione indipendente. La stessa analisi verrà eseguita per valutare le differenze a T0 e T1 tra soggetti NP con picco theta vs NP con altri picchi EEG.

Ulteriori analisi potrebbero essere eseguite utilizzando l'analisi della varianza (ANOCOVA) per tenere conto di questi predittori: età, sesso, gravità della malattia a T0, interazione con altre bande di frequenza, terapia pre e post-stimolazione dopo la modifica sham tACS reale e attiva, farmaci. Potrebbero essere utilizzati modelli a misure ripetute.

2.6.3. Analisi del segnale

L'analisi della varianza (ANOVA) per misure ripetute sarà applicata alla potenza relativa con il fattore ''tempo'' (T0, T1 e T2); l'ipotesi di sfericità sarà valutata mediante il test di Mauchly. Se del caso, verranno applicati gli aggiustamenti epsilon di Greenhouse-Geisser per la non sfericità. Verrà utilizzato un t-test a due code per campioni appaiati post hoc aggiustato per confronti multipli con il metodo Bonferroni. La significatività statistica sarà fissata a p<0.05, corretta. Dai valori t saranno calcolate t-map bidimensionali della grande media della potenza relativa per controllare la distribuzione topografica della significatività.

2.6.4. Potere dello studio Per calcolare la dimensione totale del campione del progetto, i ricercatori calcoleranno prima la dimensione del campione per la fase II. Data la dimensione del campione per la fase II, la dimensione del campione per la fase I sarà calcolata tenendo conto dei potenziali abbandoni.

Dimensione del campione di fase II Saranno studiate due diverse popolazioni (PD, NP) quindi non verrà eseguita alcuna correzione per la molteplicità.

Persone con PD e NP Una dimensione del campione di 15 raggiunge il 92% di capacità di rilevare una media delle differenze appaiate (UPDRS differenza del punteggio pre e post stimolazione) di 4,0 con una deviazione standard stimata delle differenze di 4,3 e con livello di significatività (alfa) di 0,05 utilizzando un t-test accoppiato a due code nelle persone con PD che mostrano EEG beta (FFT). La stessa ipotesi sarà assunta per la diminuzione del NPQ, quindi saranno richiesti un totale di 30 soggetti, 15 per ciascuna categoria.

Dimensione del campione di fase I Gli investigatori si aspettano che tutte le persone con PD abbiano un picco di frequenza beta, mentre quelle con NP saranno nella banda theta. Una dimensione del campione di 15 persone con NP produce un IC binomiale unilaterale 97,5 del 79,61%-100%, dato che la proporzione prevista di theta è del 100%. Una dimensione del campione di 15 persone con PD produce un CI binomiale unilaterale 97,5 del 79,61%-100% dato che la proporzione prevista di beta è del 100%.

Dimensione totale del campione Per tenere conto dei potenziali abbandoni gli investigatori recluteranno 20 persone con NP e 20 persone con PD, per una dimensione totale del campione di 40 pazienti.