Il modello di circuito può spiegare come la stimolazione cerebrale profonda tratta i sintomi del morbo di Parkinson

Sommario: Un nuovo modello al computer mostra gli effetti benefici della stimolazione cerebrale profonda derivano dal modo in cui interrompe il ciclo promuovendo la beta della pista in un circuito tra il nucleo subtalamico e lo striato.

Fonte: Picower Institute for Learning and Memory

Le persone con malattia di Parkinson e i loro medici affrontano molte incognite, inclusa la risposta a come la stimolazione cerebrale profonda (DBS) allevia alcuni dei sintomi motori sperimentati dai pazienti.

In un nuovo studio, gli scienziati della Boston University e del Picower Institute for Learning and Memory del MIT presentano un modello dettagliato che spiega la dinamica del circuito sottostante, fornendo una spiegazione che, se confermata sperimentalmente, potrebbe migliorare ulteriormente la terapia.

Tra le cose che si sanno sulla malattia di Parkinson c’è che un deficit del neuromodulatore dopamina è associato a ritmi di frequenza beta anormalmente elevati (onde cerebrali a una frequenza di circa 20 Hz). La DBS, che prevede l’erogazione di stimolazione elettrica ad alta frequenza in una regione chiamata nucleo subtalamico (STN), sopprime apparentemente questi ritmi beta elevati, ripristinando un equilibrio più sano con altre frequenze ritmiche e un migliore controllo del movimento.

Il nuovo modello computazionale basato sulla biofisica descritto nel Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze postula che l’effetto benefico della DBS derivi dal modo in cui interrompe un circolo vizioso che promuove la beta in fuga in un circuito tra il STN e una regione chiamata striato.

Nel 2011, la coautrice dello studio Michelle McCarthy, professoressa assistente di ricerca di matematica e statistica presso la BU, ha utilizzato modelli matematici per mostrare come, in assenza di dopamina, la beta in fuga potrebbe insorgere nello striato dall’eccessiva eccitazione tra le cellule che lo abitano chiamate medie neuroni spinosi (MSN).

Il modello, guidato dal postdoc del Picower Institute Elie Adam, si basa sulla scoperta di McCarthy. Insieme ad Adam e McCarthy ci sono i coautori Emery N. Brown, Edward Hood Taplin Professore di ingegneria medica e neuroscienze computazionali al MIT e Nancy Kopell, William Fairfield Warren Distinto Professore di Matematica e Statistica presso la BU.

Il lavoro del quartetto postula che in condizioni sane, con un’adeguata dopamina, le cellule dello striato chiamate interneuroni a picco rapido (FSI) possono produrre ritmi di frequenza gamma (30-100 Hz) che regolano l’attività beta degli MSN.

Ma senza la dopamina, le FSI non sono in grado di limitare l’attività MSN e la beta arriva a dominare un intero circuito che collega la STN alle FSI, alle MSN, ad altre regioni e poi di nuovo alla STN.

“La gamma FSI è importante per tenere sotto controllo la beta di MSN”, ha affermato Adam. “Quando i livelli di dopamina scendono, gli MSN possono produrre più beta e gli FSI perdono la loro capacità di produrre gamma per estinguere quel beta, quindi il beta si scatena. Gli FSI vengono quindi bombardati dall’attività beta e diventano essi stessi condotti per la beta, portando alla sua amplificazione”.

Quando la stimolazione ad alta frequenza DBS viene applicata all’STN, il modello mostra che sostituisce il travolgente input beta ricevuto dagli FSI e ripristina la loro eccitabilità.

Rinvigoriti e liberati da quelle catene beta, gli interneuroni riprendono a produrre oscillazioni gamma (a circa la metà della frequenza di stimolazione DBS, tipicamente a 135 Hz) che poi sopprimono l’attività beta degli MSN. Con gli MSN che non producono più troppa beta, il loop che riporta all’STN e quindi agli FSI non è più dominato da quella frequenza.

“Il DBS impedisce alla beta di propagarsi verso gli FSI in modo che non venga più amplificato e quindi, eccitando ulteriormente gli FSI, ripristina la capacità degli FSI di produrre forti oscillazioni gamma, che a loro volta inibiranno il beta alla sua fonte”, ha affermato Adam.

Tra le cose che si sanno sulla malattia di Parkinson c’è che un deficit del neuromodulatore dopamina è associato a ritmi di frequenza beta anormalmente elevati (onde cerebrali a una frequenza di circa 20 Hz). L’immagine è di pubblico dominio

Il modello rivela un’altra importante ruga. In circostanze normali, diversi livelli di dopamina aiutano a modellare la gamma prodotta dagli FSI. Ma gli FSI ricevono anche input dalla corteccia cerebrale.

Nella malattia di Parkinson, dove la dopamina è assente e la beta diventa dominante, le FSI perdono la loro flessibilità regolatoria, ma in mezzo alla DBS, con la dominanza beta interrotta, le FSI possono invece essere modulate dall’input della corteccia anche con la dopamina ancora assente. Ciò consente loro un modo per limitare la gamma che forniscono agli MSN e consentire un’espressione armoniosa dei ritmi beta, gamma e theta.

Fornendo una profonda spiegazione basata sulla fisiologia di come funziona la DBS, lo studio può anche offrire ai medici indizi su come farlo funzionare al meglio per i pazienti, hanno affermato gli autori. La chiave è trovare i ritmi gamma ottimali degli FSI, che possono variare leggermente da paziente a paziente. Se ciò può essere determinato, la regolazione della frequenza di stimolazione DBS per promuovere l’uscita gamma dovrebbe garantire i migliori risultati.

Prima che possa essere testato, tuttavia, i risultati fondamentali del modello devono essere convalidati sperimentalmente. Il modello rende le previsioni necessarie affinché tali test procedano, hanno affermato gli autori.

Il National Institutes of Health ha fornito finanziamenti per la ricerca.

A proposito di queste notizie sulla ricerca sulla DBS e sul morbo di Parkinson

Autore: David Orenstein
Fonte: Picower Institute for Learning and Memory
Contatto: David Orenstein – Istituto Picower per l’apprendimento e la memoria
Immagine: L’immagine è di pubblico dominio

Ricerca originale: Accesso chiuso.
“La stimolazione cerebrale profonda nel nucleo subtalamico per il morbo di Parkinson può ripristinare la dinamica delle reti striatali” di Michelle McCarthy et al. PNAS


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La stimolazione cerebrale profonda nel nucleo subtalamico per il morbo di Parkinson può ripristinare la dinamica delle reti striatali

La stimolazione cerebrale profonda (DBS) del nucleo subtalamico (STN) è altamente efficace nell’alleviare la disabilità motoria nei pazienti con malattia di Parkinson (PD). Tuttavia, il suo meccanismo d’azione terapeutico è sconosciuto.

Lo striato sano mostra ricche dinamiche risultanti da un’interazione di oscillazioni beta, gamma e theta. Questi ritmi sono essenziali per la selezione e l’esecuzione dei programmi motori e la loro perdita o esagerazione a causa dell’esaurimento della dopamina (DA) nel PD è una delle principali fonti di deficit comportamentali.

Il ripristino dei ritmi naturali può quindi essere determinante nell’azione terapeutica della DBS. Sviluppiamo un modello biofisico in rete di un percorso BG per studiare come possono emergere oscillazioni beta anormali in tutto il BG nel PD e come la DBS può ripristinare i normali ritmi beta, gamma e theta striatali.

Il nostro modello incorpora proiezioni STN allo striato, note da tempo ma non studiate, che si sono rivelate mirate preferenzialmente agli interneuroni a picchi rapidi (FSI). Troviamo che la DBS in STN può normalizzare l’attività del neurone spinoso medio striatale reclutando le dinamiche FSI e ripristinando la potenza inibitoria delle FSI osservate in condizioni normali.

Troviamo anche che la DBS consente la riespressione dei ritmi gamma e theta, ritenuti dipendenti da alti livelli di DA e quindi persi nel PD, attraverso il controllo del rumore corticale. Il nostro studio evidenzia che gli effetti della DBS possono andare oltre la regolarizzazione delle dinamiche di output della glicemia per ripristinare le normali dinamiche interne della glicemia e la capacità di regolarle.

Suggerisce inoltre come sfruttare le oscillazioni gamma e theta per integrare il trattamento DBS e migliorarne l’efficacia.

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