Stimolazione cerebrale profonda non invasiva : uno studio di fattibilità con modelli computazionali

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a non-invasive brain stimulation technique that applies a weak direct current through two or more electrodes placed on the scalp. The traditional setup for tDCS involves the use of a bipolar approach: two large electrodes with an area of approximately 35 cm² or 25 cm² are used, one of which, called the stimulation electrode (anode), is used to inject the current and the other, called the reference or return electrode (cathode), is used for its output. The stimulation electrode is usually placed on the region to be affected, i.e. the target region, while the reference electrode is placed on a region where the effects of the current are thought to be minimal. The reference electrode may also have an extra-cephalic position, for example on the neck, shoulder or arm. As with other transcranial electrical stimulation techniques, i.e. transcranial alternating current stimulation and transcranial random noise stimulation, tDCS induces only changes in the polarisation of the neuronal membrane. In recent years, tDCS has gained a lot of attention in the scientific community, because it combines practical advantages (relatively cheap, portable and easy to implement) with clinical advantages (safe, well tolerated, usable together with physiological or behavioural tests); moreover, its effects are demonstrable in the short, medium and long term, with no residuals after its cessation, so that it is now used as a therapeutic tool for many neurological conditions, for example in movement disorders such as Parkinson's disease, or to improve some cognitive functions such as memory. However, one of the main limitations of tDCS is that it does not selectively stimulate and/or modulate deep brain targets (e.g. in the diencephalon or brainstem) as other stimulation techniques do (e.g. deep brain stimulation - DBS), which require neurosurgery and invasive stimulation implants. Recently, the scientific community has turned its attention to overcoming this limitation, with several studies published in literature, creating a new research topic called NDBS (non-invasive deep brain stimulation), i.e. the possibility of using a non-invasive technique for selective deep brain stimulation. However, no validated methodologies or conclusive results are available to date. In this context, this thesis aims to conduct a feasibility study on the development of a NDBS protocol using the physical principles of tDCS. A stimulation model will be proposed, which will be described in its practical (number and position of electrodes) and physical (stimulation parameters) characteristics, and its effects (spatial distribution of the electric field) will be discussed through in silico simulations. Therefore, the final objective is to carry out a series of simulations based on computational electromagnetic techniques on an anatomically faithful human model and to use the results obtained to evaluate the possibility of obtaining selective deep brain stimulation/modulation by means of a non-invasive stimulation technique.

La stimolazione elettrica transcranica con corrente continua (tDCS, transcranial direct current stimulation) è una tecnica di stimolazione cerebrale non invasiva che applica una debole corrente continua tramite due o più elettrodi posizionati sullo scalpo. Il montaggio tradizionale per la tDCS prevede l’utilizzo di un approccio bipolare: vengono utilizzati due elettrodi di grandi dimensioni con area di circa 35 cm² o 25 cm² di cui uno, chiamato elettrodo di stimolazione (anodo), viene utilizzato per iniettare la corrente e l’altro, detto elettrodo di riferimento o di ritorno (catodo), viene usato per la sua uscita. L’elettrodo di stimolazione viene in genere posizionato sulla regione da influenzare, quindi sulla regione target, mentre l’elettrodo di riferimento viene collocato su una regione dove gli effetti della corrente si pensa siano minimi. Quest’ultimo può anche avere una posizione extra cefalica, ad esempio sul collo, sulla spalla o sul braccio. Come per le altre tecniche di stimolazione elettrica transcranica, ovvero la stimolazione con corrente alternata e quella con rumore casuale, anche la tDCS induce solo cambiamenti nella polarizzazione della membrana neuronale. Negli ultimi anni, la tDCS ha guadagnato grande attenzione nella comunità scientifica, perché permette di conciliare vantaggi pratici (relativamente economica, portatile e facile da implementare) con vantaggi clinici (sicura, ben tollerata, utilizzabile assieme a test fisiologici o comportamentali); inoltre, i suoi effetti sono dimostrabili a breve, medio e lungo termine, con assenza di residui dopo la sua cessazione, tanto che viene ormai utilizzata come strumento terapeutico per molte condizioni neurologiche, ad esempio in disturbi del movimento come il morbo di Parkinson, o per migliorare alcune funzioni cognitive come la memoria. Tuttavia, uno dei limiti principali nell’utilizzo della tDCS è che essa non permette di stimolare e/o modulare target encefalici posti in profondità (ad esempio, nel diencefalo o nel tronco encefalico) in maniera selettiva, come invece avviene per altre tecniche di stimolazione (ad esempio la stimolazione cerebrale profonda – DBS, deep brain stimulation) che però necessitano di interventi di neurochirurgia e di impianti di stimolazione invasivi. Recentemente, la comunità scientifica ha rivolto il proprio interesse nel superamento di questo limite, con diversi studi pubblicati in letteratura, creando di fatto un nuovo tema di ricerca definito NDBS (non-invasive deep brain stimulation, stimolazione cerebrale profonda non invasiva), ovvero la possibilità di usare una tecnica non invasiva per la stimolazione cerebrale selettiva in profondità. Tuttavia, non sono ad ora disponibili metodologie validate o risultati conclusivi. Il presente lavoro di tesi si inserisce in questo contesto e ha lo scopo di condurre uno studio di fattibilità circa lo sviluppo di un protocollo di NDBS sfruttando i principi fisici della tDCS. Verrà, quindi, proposto un modello di stimolazione che sarà descritto nelle sue caratteristiche pratiche (numero e posizione degli elettrodi) e fisiche (parametri di stimolazione), e i cui effetti (distribuzione spaziale del campo elettrico) saranno discussi attraverso simulazioni in silico. Pertanto, l’obiettivo finale consiste nel condurre una serie di simulazioni basate su tecniche di elettromagnetismo computazionale su un modello umano anatomicamente fedele e utilizzare i risultati ottenuti per valutare la possibilità di ottenere una stimolazione/modulazione cerebrale profonda selettiva tramite una tecnica di stimolazione non invasiva.