Studio elettrochimico ed elettrofisiologico

La disfunzione della neurotrasmissione e della neurofisiologia può provocare una serie di condizioni psichiatriche tra cui depressione, ansia, dolore cronico, disturbi da dipendenza e problemi di attenzione (disturbo da deficit di attenzione) e di eccitazione (narcolessia). Nonostante la chiara importanza di questi sistemi neuromodulatori, non si sa praticamente nulla su come questi sistemi agiscano in tempo reale (a tempi inferiori al secondo) nel cervello umano. Questa risoluzione temporale si è dimostrata importante nella ricerca di base sugli organismi modello di roditori, dove è stato dimostrato che la concentrazione extracellulare di neurotrasmettitori e l'elettrofisiologia neurale cambiano entro centinaia di millisecondi dall'interazione con stimoli rilevanti durante la navigazione dei cambiamenti momento per momento nel ambiente. Sono necessarie misurazioni con questo tipo di precisione per poter indagare in che modo i rapidi cambiamenti in ciascuno di questi segnali modulano la funzione cerebrale, la cognizione, l'apprendimento, l'umore e il comportamento negli esseri umani.

L'elaborazione cognitiva avviene molto rapidamente su reti funzionalmente organizzate che possono essere distribuite tra più aree cerebrali. Di conseguenza, la comprensione di funzioni così complesse richiede la capacità di mappare l'attività neuronale con un'elevata risoluzione spaziale e temporale. Sfortunatamente, la maggior parte delle metodologie non invasive per la registrazione dell'attività neuronale ha un'elevata risoluzione spaziale o temporale, ma non entrambe. Tuttavia, l'elettrocorticografia (ECoG) offre la capacità unica di registrare l'attività neuronale sia con un'elevata risoluzione spaziale (attività a singola cellula) sia con un'elevata risoluzione temporale (scala temporale inferiore al millisecondo).

Inoltre, alcuni comportamenti sono unicamente umani, tra cui il controllo motorio complesso, la funzione esecutiva, l'elaborazione del linguaggio e la generazione del linguaggio. Molti di questi comportamenti e le loro basi neurali sono impossibili da studiare in altre specie. Se vogliamo migliorare i trattamenti per le condizioni neurologiche e psichiatriche umane, è fondamentale studiarli direttamente negli esseri umani. I pazienti già sottoposti a chirurgia neurologica per la mappatura funzionale del cervello (monitoraggio dell'epilessia di fase II) offrono la rara opportunità di testare le basi neurali di questi comportamenti unicamente umani tramite registrazioni neurofisiologiche dirette. Inoltre, ECoG e MER offrono la possibilità di stimolare e registrare da più regioni corticali e sottocorticali. La microstimolazione consente una valutazione più completa sia della connettività funzionale tra regioni cerebrali isolate sia del ruolo/i causale/i di queste regioni nella cognizione e nel comportamento.

Qui, i ricercatori propongono di implementare un nuovo protocollo di registrazione in combinazione con un gruppo di microsensori approvato dalla FDA che consentirà misurazioni simultanee di microfluttuazioni di dopamina, serotonina e norepinefrina con una risoluzione temporale inferiore al secondo nel cervello umano. In caso di successo, il lavoro proposto potrebbe fornire un significativo progresso tecnologico per la ricerca neuroscientifica nella funzione e nel comportamento del cervello umano, con un potenziale impatto traslazionale in aree quali la neurochirurgia, la neurologia e la psichiatria.

L'importanza clinica di indagare l'azione dei neurotrasmettitori dopamina, serotonina e norepinefrina è forse meglio evidenziata dai farmaci usati per trattare le principali condizioni psichiatriche come depressione, disturbi d'ansia, dolore cronico, disturbi da deficit di attenzione e dipendenza da nicotina. Gli inibitori selettivi della ricaptazione della serotonina (SSRI) sono usati per trattare la depressione e l'ansia; Gli inibitori della ricaptazione della norepinefrina e della serotonina (NSRI) sono usati per trattare la depressione e il dolore cronico; Gli inibitori della ricaptazione della norepinefrina e della dopamina sono usati per trattare la depressione, i disturbi da deficit di attenzione e sono stati usati come aiuto per smettere di fumare; e gli inibitori della ricaptazione della norepinefrina (NRI) sono stati usati per trattare la depressione, la narcolessia, il disturbo da deficit di attenzione e iperattività, come aiuto alla perdita di peso e disturbi d'ansia caratterizzati da un basso livello di eccitazione. Inoltre, è noto che le sostanze abusate (ad es. Cocaina, nicotina, alcol e oppiacei) alterano il sottile equilibrio tra il rilascio e la ricaptazione dei neurotrasmettitori negli organismi modello.

Da una prospettiva scientifica di base, i ricercatori ritengono che la dopamina sia fondamentale per l'elaborazione della ricompensa e il comportamento motivato, la serotonina per l'elaborazione degli stimoli avversi e la regolazione dell'umore e la noradrenalina per regolare gli stati di eccitazione e attenzione. Questi neurotrasmettitori vengono rilasciati dai neuroni situati nel tronco encefalico (serotonina e norepinefrina) e nel mesencefalo (dopamina) i cui terminali assonici distribuiscono e trasmettono questi segnali in tutto il cervello, inclusi bersagli in tutta la corteccia (dopamina, serotonina e norepinefrina), nei gangli della base (dopamina e serotonina), ippocampo (dopamina e serotonina) e amigdala (dopamina, serotonina e norepinefrina). Mentre è chiaro che questi sistemi sono fondamentali, la maggior parte di ciò che è noto proviene dalla ricerca sugli organismi modello a tempi troppo lenti per capire quanto rapide fluttuazioni in tempo reale in questi segnali contribuiscano a una sana cognizione umana, al processo decisionale e al comportamento.

Inoltre, c'è una comprensione molto limitata di come interagiscono i sistemi di dopamina, serotonina e norepinefrina. In una data regione del cervello, ci si può aspettare che ci siano uno, due o tutti e tre questi sistemi di neurotrasmettitori che contribuiscono all'elaborazione locale delle informazioni neurali. Nel cervello umano (e nel cervello dei primati non umani) sappiamo poco su come la densità dei siti di rilascio o le dinamiche del rilascio cambino con le condizioni psichiatriche o con i farmaci usati per curarle. Questa mancanza di conoscenza non deriva da una mancanza di interesse per le discipline neuroscientifiche, neurologiche, psichiatriche o neurochirurgiche; piuttosto, la tecnologia necessaria e il paradigma di ricerca non sono stati disponibili. Questa proposta cerca di muovere i primi passi nello sviluppo.