Transcranial direct current stimulation (tDCS)

Abstract

Continuous electrical transcranial stimulation (tDCS) is a non-invasive method, widely studied in recent years, which allows modulating cortical excitability. A first approach to this method dates back to the 1960s, but despite some encouraging results, tDCS has never obtained recognition for clinical use. A renewed interest in the clinical and physiological effects of tDCS has recently taken place with the new acquisitions of physiology and pathophysiology of the central nervous system and with the ideation of new techniques to study brain activation.

La stimolazione transcranica elettrica continua (tDCS) è una metodica non invasiva, ampiamente studiata negli ultimi anni, che permette di modulare l’eccitabilità corticale. Un primo approccio a questa metodica risale agli anni ’60 ma nonostante alcuni risultati incoraggianti, la tDCS non ha mai ottenuto il riconoscimento di un utilizzo clinico. Un rinnovato interesse sugli effetti clinici e fisiologici della tDCS si è avuto di recente con le nuove acquisizioni di fisiologia e fisiopatologia del sistema nervoso centrale e con l’ideazione di nuove tecniche per studiare l’attivazione cerebrale.

L’utilizzo di corrente elettrica in medicina ha una storia antica che origina negli studi sugli effetti dello shock elettrico prodotto da un pesce, la torpedine. Nel mondo antico Scribonio Largo, Plinio il Vecchio e Claudio Galeno avevano descritto come l’applicazione di una torpedine sopra la cute del capo fosse in grado di generare con beneficio stupor transitorio (con riduzione temporanea del dolore nella cefalea) e ottundimento, torpore e narcosi (Kellaway, 1946). Il medico arabo Ibn-Sidah suggeriva l’applicazione del pesce-gatto elettrico sulle ossa frontali del cranio per il trattamento dell’epilessia (Kellaway, 1946).

Questi studi sulla torpedine possono essere a buon diritto considerati i predecessori della moderna elettrofisiologia, anche perché quest’ultima ha cominciato ad essere considerata una scienza soltanto con gli stuti sistematici effettuati da Walsh (Walsh, 1773) che per la prima volta vi applicò il moderno metodo scientifico. Dopo di lui, l’interesse per l’elettrofisiologia venne portato avanti da Galvani (Galvani, 1797) e Volta (Volta, 1918). Proprio quest’ultimo notò che stimoli di diversa durata potevano evocare effetti fisiologici differenti (Volta, 1923). In conseguenza degli esperimenti di Galvani e del lavoro di Volta, le correnti galvaniche (correnti dirette) iniziarono ad essere utilizzate in clinica in particolare per i disturbi mentali. Pur essendo procedure ed osservazioni spesso poco chiare e poco riproducibili, si consolidò la convinzione generale che invertendo le polarità di stimolazioni si ottenevano effetti opposti.

Poiché i risultati generati dalle correnti continue erano variabili (talora nulli), il loro uso fu progressivamente abbandonato fino alla metà del ‘900. Nel 1969 fu studiata la loro applicazione per generare anestesia (Brown, 1975). Nel 1969 furono pubblicati i primi studi sui predecessori diretti della tDCS (Redfearn, 1964): fu studiata la corrente polarizzante per il trattamento delle patologie neuropsichiatriche con applicazioni di alcuni minuti per determinare modifiche della eccitabilità cerebrale (Bindman, 1964). Sebbene altre osservazioni (Baker, 1970; Nias e Shapiro, 1974; Ramsay e Schlagenhauf, 1966) ne avessero sostenuto l’efficacia, l’esito negativo emerso da un successivo trial controllato (Arfai, 1970) inibì per alcune decadi lo svolgimento di altri studi sull’argomento.

Nel 1998 Priori e colleghi (Priori, 1998) studiarono le basi fisiologiche della neuromodulazione dopo applicazioni brevi di tDCS; Nitsche e Paulus confermarono che la tDCS, se mantenuta per minuti, era in grado di modificare l’eccitabilità corticale producendo variazioni specifiche e durature della polarizzazione (Nitsche e Paulus, 2000). Negli ultimi anni la tDCS è stata studiata nelle sue applicazioni per la depressione, il dolore, l’epilessia, i disturbi neuropsichiatrici ed anche per la riabilitazione post-ictale (Datta, 2008). Più di recente ne è stata studiata anche l’applicazione su soggetti sani per determinare modifiche comportamentali o di performance (Datta, 2008).

Fisiologia e neurofisiologia

L’applicazione di tDCS prevede l’utilizzo di due elettrodi di superficie (35 cm² ciascuno; un anodo ed un catodo) attraverso i quali viene fatta passare una corrente continua di 1 o 2 mA per un tempo di 20 minuti. La corrente passa dall’anodo al catodo e determina un aumento o una riduzione della eccitabilità corticale lungo la direttrice ed in funzione della corrente applicata (Miranda, 2006), nonostante una quota si disperda attraverso lo scalpo. La tDCS anodica (A-tDCS), depolarizzando i neuroni della regione di corteccia interessata, ha un effetto eccitatorio; al contrario la tDCS catodica (C-tDCS) determina una iperpolarizzazione che si manifesta con un effetto inibitorio locale (Nitsche, 2003). Numerosi studi farmacologici successivi hanno reso più chiaro il meccanismo di azione della tDCS documentando come l’esposizione prolungata a correnti continue induca un meccanismo d’azione non sinaptico che origina da modificazioni della membrana neurale, tra cui variazioni locali della concentrazione di ioni, alterazioni delle proteine trans-membrana, variazione della concentrazione di ioni idrogeno (Ardolino, 2005). Questi fenomeni hanno luogo anche quando le correnti generate dalla tDCS sono ritenute insufficienti ad indurre potenziali di azione (Torres, 2013). Ciò detto, ad oggi non sono ancora chiari nel dettaglio i meccanismi fisiologici sottesi agli effetti della tDCS (Sandars, 2016), i quali però essere influenzati da diversi fattori tra cui il numero di sedute, l’intensità e la durata della corrente applicata nel corso delle sedute stesse (Medeiros, 2012). Se da una parte le variazioni transitorie generate da A-tDCS e C-tDCS sembrano essere frutto delle modifiche dei potenziali di membrana, dall’altra gli effetti di lunga durata sembrano determinati piuttosto da modifiche della synaptic strenght (Stagg, 2011), secondo il modello dalla LTP (long-term potentiation). Il modello della LTP si fonda sul principio hebbiano (Hebb, 1949): quando neuroni pre- e post-sinaptici scaricano insieme e ripetutamente, si verificano variazioni metaboliche che rendono la loro attivazione associata più forte e duratura. Il risultato finale della LTP (e della sua controparte, la LTD – long term depression) è una modifica stabile della attivazione sinaptica che persiste per molti mesi e talora per anni (Bliss, 1973). L’induzione di LTP o LTD è conseguenza dei livelli di specifici neurotrasmettitori e neuromodulatori che possono potenziare o inibire la sinapsi (Medeiros, 2012). La tDCS, nello specifico, influisce sulla regolazione del glutamato (neurotrasmettiore eccitatorio) e del GABA (neurotrasmettitore inibitorio), ma anche sui neuromodulatori dopamina, acetilcolina e serotonina (Stagg, 2011; Stagg, 2009). Altri ricercatori hanno mostrato che anche i recettori NMDA giocano un ruolo chiave nello sviluppo degli effetti tardivi dopo applicazione di tDCS (Sandars, 2016).

(Traduzione dall’originale Inglese di A.Robecchi Majnardi)

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