La copertina di Nature Reviews Neuroscience di ottobre mostra il lavoro di un gruppo di ricercatori coordinato dal Prof. Giacomo Koch di LIFE – Santa Lucia IRCCS che propone un nuovo modello che collega le oscillazioni del cervelletto alle sue funzioni motorie, cognitive ed emotive, e apre la strada a terapie di neuromodulazione “sintonizzate” sui ritmi del cervello
Parte da una metafora tennistica lo studio sul cervelletto pubblicato da Nature Reviews Neuroscience e realizzato dall’equipe di ricerca del prof. Giacomo Koch presso la Fondazione LIFE – Santa Lucia IRCCS. Il cervelletto è quella parte del cervello che, tra le altre funzioni, coordina i nostri movimenti e ci permette ad esempio di prevedere, attraverso l’allenamento, la traiettoria di una pallina da tennis e di reagire di conseguenza anche quando la traiettoria affronta una deviazione improvvisa, ad esempio un tocco del nastro.
Il merito di queste prodezze motorie va ai calcoli effettuati dal cervelletto e il lavoro dell’equipe di ricerca ha mostrato che il cervelletto non svolge questi calcoli in modo sequenziale e uniforme. Lavora piuttosto come un'orchestra in cui diversi ritmi elettrici suonano in parallelo, ciascuno con un ruolo preciso e ciascuno generato da circuiti specifici.
Il lavoro raccoglie e sistema la letteratura scientifica più recente legata a questa importante parte del cervello e propone nuove interpretazioni, concludendo con nuove tecniche di stimolazione dedicate a questa parte del cervello per stimolare la neuroplasticità ma anche per potenziare le capacità motorie e sportive. È firmato da Danny Adrian Spampinato (LIFE –Santa Lucia IRCCS), Annibale Antonioni (Università di Ferrara e Istituto Italiano di Tecnologia), Egidio D'Angelo (Università di Pavia e IRCCS Mondino) e Giacomo Koch (LIFE – Fondazione Santa Lucia IRCCS, Università di Ferrara).
“Secondo la nostra analisi” spiega Danny Adrian Spampinato, ricercatore della Fondazione LIFE – Santa Lucia IRCCS e primo autore dello studio, “il cervelletto si descrive con un modello a tre assi: frequenza, funzione e modulazione. Nello studio abbiamo sintetizzato quali ritmi nascono nel cervelletto, a cosa servono e come si possono influenzare dall'esterno. Abbiamo isolato 6 frequenze: altissime frequenze, oscillazioni gamma, ritmi beta, ritmi alpha, ritmi theta e ritmi delta, ognuna con una funzione specifica e, grazie a questa analisi e stimolando il cervelletto alla corretta frequenza, siamo ora capaci di ottenere risultati molto mirati rispetto alla stimolazione generica dell’area”.
Questa sinfonia, inoltre, non resta confinata nel cervelletto. Attraverso il talamo, i ritmi cerebellari raggiungono la corteccia motoria, parietale e prefrontale e i gangli della base, che sono al centro dei circuiti della ricompensa. In questo modo il cervelletto partecipa non solo al movimento, ma anche all'apprendimento per rinforzo, alla cognizione e alle emozioni.
L’equipe di ricerca ha già pubblicato un altro lavoro, pubblicato su Science Advances ad agosto, sulle applicazioni terapeutiche di questa scoperta facendo già un passo ulteriore. Lo studio ha combinato la stimolazione magnetica theta-burst del cervelletto con la stimolazione elettrica a corrente alternata (tACS) alla stessa frequenza theta. I due interventi applicati insieme hanno prodotto un effetto sinergico sulla plasticità motoria, superiore a quello di ciascuna tecnica da sola. L'effetto è stato osservato sia in volontari sani sia in persone colpite da ictus.
Il meccanismo proposto è che la tACS theta “accordi” un numero maggiore di moduli cerebellari sul ritmo giusto. Così la stimolazione magnetica agisce su territori più estesi e amplifica il segnale che dal cervelletto raggiunge la corteccia motoria. È una prima prova che una stimolazione allineata ai ritmi intrinseci del cervelletto può potenziare gli effetti terapeutici, con ricadute concrete per la riabilitazione dopo ictus.
Questa applicazione delle scoperte di questa review testimonia che identificare le diverse tipologie di oscillazione dei ritmi fisiologici del cervelletto permette di selezionare specifiche tipologie di stimolazione non invasive realizzando quindi terapie personalizzate e di precisione che possono essere applicate a pazienti con diverse malattie cerebrali allo scopo di alleviare in maniera più efficace e mirata i loro deficit.
“Vediamo tre prospettive per il futuro” conclude Giacomo Koch, neurologo, coordinatore dell’equipe di ricerca e vice-direttore scientifico di LIFE – Santa Lucia IRCCS, “La prima è la personalizzazione della stimolazione sul profilo ritmico del singolo paziente. La seconda sono i sistemi a circuito chiuso, capaci di rilevare in tempo reale i ritmi patologici e di intervenire in fase con essi. La terza sono le nuove tecnologie come l'interferenza temporale e gli ultrasuoni focalizzati, in grado di raggiungere in modo non invasivo le strutture cerebellari più profonde. Il messaggio che abbiamo voluto lasciare alla comunità scientifica è che il cervelletto non è un semplice coordinatore del movimento, ma un direttore d'orchestra che organizza nel tempo le attività di tutto il cervello”.
“Capire quale ritmo fa cosa” conclude Koch “ci permette di passare da stimolazioni generiche a interventi di precisione, accordati su ciascun paziente. Questo vale non solo per i disturbi del movimento, ma anche per le malattie neurodegenerative come l’Alzheimer e le patologie psichiatriche.”
FOCUS: Le 6 frequenze e la loro funzione:
Le oscillazioni ad altissima frequenza (160–260 Hz) sono i ritmi più veloci. Sincronizzano le cellule di Purkinje con una precisione inferiore al millisecondo. Permettono al cervelletto di correggere e aggiornare le proprie previsioni sull'immediato futuro in pochi millisecondi, su tempi più rapidi di quelli tipici della corteccia cerebrale. È ciò che consente al tennista di ricalcolare la traiettoria della pallina deviata dalla rete e di modificare il movimento già pianificato.
Le oscillazioni gamma (30–80 Hz) coordinano l'attività delle cellule di Purkinje e degli interneuroni. Sono coinvolte nelle elaborazioni più impegnative, nella correzione fine degli errori e nella comunicazione rapida con la corteccia motoria.
I ritmi beta (13–30 Hz) sono una sorta di sottofondo stabilizzante. Mantengono stabili i «modelli interni», cioè le rappresentazioni con cui il cervello prevede le conseguenze sensoriali delle azioni, finché le informazioni dal mondo esterno non richiedono di aggiornarli. Integrano ciò che accade fuori con lo stato del nostro corpo e contribuiscono anche al pensiero, alla memoria di lavoro e ai tempi delle decisioni.
I ritmi alfa (8–13 Hz) intervengono nell'elaborazione delle informazioni sensoriali e nel passaggio tra comportamenti guidati da stimoli esterni e comportamenti guidati da piani interni. Influenzano anche attenzione e tono emotivo.
I ritmi theta (4–8 Hz) sono il vero metronomo dell'apprendimento. Nascono dal dialogo tra cellule granulari e cellule di Golgi e dall'oliva inferiore. Scandiscono i tempi della previsione e dell'aggiornamento dei modelli interni. Aprono inoltre le «finestre temporali» in cui le sinapsi possono rafforzarsi o indebolirsi. Attraverso la sincronizzazione theta con la corteccia prefrontale, sostengono anche l'apprendimento associativo e le decisioni adattive.
I ritmi delta (1–4 Hz) sono i più lenti. Sono generati dall'oliva inferiore e forniscono un riferimento temporale di fondo per i segnali di errore. Sono coinvolti anche nel sonno profondo.