Nuovi elementi dalla stimolazione della corteccia sensoriale umana
GIOVANNI ROSSI
NOTE
E NOTIZIE - Anno XV – 20 maggio 2017.
Testi pubblicati sul sito
www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind
& Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a
fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta
settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in
corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di
studio dei soci componenti lo staff
dei recensori della Commissione
Scientifica della Società.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
La stimolazione della superficie della corteccia
cerebrale umana è legata ad alcune fra le più importanti pagine della storia
recente delle neuroscienze, e riporta ad una contrapposizione epocale tra due
tesi che a lungo hanno diviso la comunità neuroscientifica: specializzazione localizzata delle
funzioni contro azione di massa
dovuta a reti di aree distribuite. La localizzazione anatomica delle funzioni
cerebrali, incluse quelle psichiche, sostenuta dal neurofisiologo e
neurochirurgo canadese Wilder Penfield e la sua scuola di Montreal, si
contrapponeva alla tesi di una mediazione diffusa nel cervello delle risorse
psichiche quali quelle legate alla memoria, che ha avuto in Karl Lashley il suo principale esponente. Gli esperimenti di Lashley, basati sull’asportazione di parti della corteccia
cerebrale di ratti, sembravano dimostrare che la memoria necessaria ad
orientarsi correttamente in un labirinto fosse il prodotto di un’azione di
massa della corteccia nel suo insieme e non l’effetto dell’attività di un
centro specializzato per la memoria[1].
Negli stessi anni in cui la ricerca neurobiologica
di base sembrava dimostrare l’impossibilità di localizzare funzioni cognitive
negli animali di laboratorio, Penfield realizzò con Rasmussen
ed altri collaboratori una mappa corticale che, oltre a comprendere l’omuncolo
delle localizzazioni corticali somatosensoriali e somatomotorie, rispettivamente nei giri post-centrale e
precentrale, registrava effetti di attivazione ed evocazione di memorie[2].
A distanza di oltre sessant’anni da quegli studi, la
superficie corticale del cervello umano è studiata e stimolata mediante
elettrodi molto sofisticati per elettrocorticografia
(ECoG). Più specificamente, negli anni recenti la
tecnologia per l’interfaccia
cervello/computer basata sull’ECoG ha acceso un
nuovo interesse nel fornire un feedback
somatosensoriale mediante gli elettrodi per ECoG,
ossia strumenti perfezionati per la recezione e l’invio di correnti elettriche
direttamente sulla corteccia cerebrale. Hiremath e
colleghi hanno condotto, con questi mezzi, uno studio di stimolazione della
durata di 28 giorni su un volontario umano, ottenendo risultati che
rappresentano un interessante progresso in questo campo.
(Hiremath S. V., et al. Human
perception of electrical stimulation on the surface of somatosensory cortex. PLoS One 12 (5):e0176020, May 10, 2017).
Dei dodici
istituti di riferimento degli autori si
citano i seguenti: Department of Physical Medicine and
Rehabilitation, University of Pittsburgh, Pittsburgh, Pennsylvania (USA);
Center for the Neural Basis of Cognition, Pittsburgh, Pennsylvania (USA);
Department of Physical Therapy, Temple University, Philadelphia, Pennsylvania
(USA); Department of Neurological Surgery, University of Pittsburgh,
Pittsburgh, Pennsylvania (USA); McGowan Institute for Regenerative Medicine, University
of Pittsburgh, Pittsburgh, Pennsylvania (USA); Qiushi
Academy for Advanced Studies, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang (Cina).
Il lavoro di Penfield ebbe inizio dallo studio della
corteccia cerebrale di pazienti epilettici per fini terapeutici. In casi di
epilessia grave e intrattabile si procedeva scalottando il cranio del paziente
sveglio, in anestesia locale, ed esplorando la superficie corticale del
paziente mediante stimolazione con elettrodi per poter individuare la sede
della lesione focale dalla quale si diffonde l’attività elettrica anomala, al
fine di eliminarla. Mentre eseguiva una tale esplorazione, Penfield notò che,
quando l’elettrodo passava su una regione motoria della corteccia, si
verificavano movimenti di segmenti degli arti, specifici per quell’area
corticale e senza l’intervento della volontà del paziente. Quando stimolava la
corteccia occipitale della regione calcarina, corrispondente all’incirca alle
aree visive 17 e 18 di Brodmann, il paziente vedeva lampi di luce, e invece
sentiva ronzii o suoni musicali se la corrente era erogata sulle aree acustiche
del lobo temporale. Stimolando l’area motrice del linguaggio di Broca (area 44
di Brodmann) in genere il paziente era temporaneamente impossibilitato a
parlare e a denominare oggetti, oppure pronunciava suoni incomprensibili.
Ancora più interessanti erano gli effetti di stimolo di alcune regioni
temporali: il paziente ricordava alcune precise sequenze mnemoniche del passato
o una particolare esperienza episodica. La ripetizione della stimolazione nello
stesso punto evocava gli stessi ricordi. Un reperto, questo, che suffragava la
tesi della localizzazione delle memorie.
A proposito degli studi di Penfield si cita qui di
seguito un brano estratto da un articolo di Simone Werner:
“Le straordinarie trascrizioni delle sedute di stimolazione elettrica
della corteccia cerebrale di pazienti svegli scalottati
da parte del neurochirurgo e neurofisiologo canadese Wilder Penfield, rimangono
fra i documenti più straordinari della storia delle neuroscienze. Nel 1942, per
rendersi conto di quali parti del cervello fossero attive e quali fossero state
compromesse dalla presenza di un tumore, Penfield stimolò la superficie
corticale di una paziente ottenendo una serie impressionante di informazioni da
risposte mai evocate prima e, in gran parte, sorprendenti per le conoscenze
dell’epoca. Come esempio si riporta, qui di seguito, l’esito della stimolazione
elettrica contrassegnata con il numero “11” nella trascrizione.
11 – (Esperimento di
stimolo ripetuto senza avvertire la paziente) “Si, signore, credo di
sentire una madre chiamare il suo bambino da qualche parte. Sembra essere
qualcosa che è accaduto anni fa”. (Le si
chiede di spiegare) “Qualcuno nel vicinato dove io vivo”. (Poi dice di se stessa al momento della
percezione) “Ero in un qualche luogo vicino abbastanza per sentire”[3].
Dopo
qualche semplice risposta motoria, ad ogni nuovo punto di cimento
dell’elettrodo si aveva testimonianza di un nuovo stato mentale indotto nella
paziente: ricordi di persone, voci, luoghi improvvisamente ritornati dal
passato e divenuti presenti, ma anche sensazioni insolite come quella di
“conoscere tutto ciò che sarebbe accaduto nel prossimo futuro”[4].
Penfield scrive: “Ero sempre più stupito ad ognuna delle risposte che il mio
elettrodo evocava. Come poteva essere? Questo aveva a che fare con la mente. Io
chiamai tali risposte «esperienziali»”[5].
Penfield,
che con Rasmussen realizzò la prima mappa
neurofunzionale della corteccia cerebrale definendo la somatotopica
senso-motoria di tutto il corpo[6],
aveva ben presente la differenza che c’è fra il rilievo di un’area la cui
stimolazione portava alla contrazione di un dito, e la scoperta di territori in
grado di indurre rievocazioni ed evocazioni: per la prima volta si metteva in
relazione l’esperienza mentale con l’architettura cerebrale”[7].
Torniamo allo studio di Hiremath
e colleghi.
Il volontario che ha consentito questa
sperimentazione è una persona che, a seguito di una lesione del plesso
brachiale, ha riportato la paralisi di un arto superiore. Lo studio, condotto
mediante la stimolazione della superficie corticale nell’arco di 28 giorni, era
rivolto all’esame delle sensazioni prodotte dalla stimolazione elettrica della
corteccia somatosensoriale.
È stata impiantata una griglia ECoG
ad alta densità sulle cortecce motoria e somatosensoriale. La stimolazione
attraverso gli elettrodi di superficie corticale della corteccia sensoriale
della circonvoluzione post-centrale è riuscita ad evocare con successo
sensazioni nel braccio e nella mano affetti da paralisi.
I ricercatori hanno individuato 3 risultati-chiave.
1) L’intensità della sensazione percepita aumentava monotonicamente sia con l’ampiezza dell’impulso sia con la
frequenza dell’impulso.
2) Modificando l’ampiezza dell’impulso, cambiava il
tipo di sensazione, secondo la dettagliata descrizione qualitativa fornita dal
volontario.
3) Il volontario era in grado di distinguere tra una
stimolazione applicata da due elettrodi di superficie corticale confinanti ad
una distanza di 4.5 mm da centro a centro, per tre su sette coppie di elettrodi
testate.
Il complesso della sperimentazione ha consentito
agli autori dello studio di rilevare che era possibile modulare l’intensità
della sensazione, il tipo di
sensazione ed evocare sensazioni per una gamma di localizzazioni,
dalle dita alla parte prossimale del braccio, usando differenti elettrodi di
stimolazione, anche in un individuo con una perdita cronica della funzione
somatosensoriale.
Per le applicazioni neuroprotesiche, questi tre
elementi hanno un’importanza cruciale per fornire un feedback somatosensoriale efficace.
L’autore della nota ringrazia la
dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla
lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE
E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).
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[1] K. S. Lashley,
In search of the engram, in Symposia of the Society for experimental
Biology, IV, 454, 1950; si veda anche:
K. S. Lashley, Brain
mechanism and learning, New York 1963.
[2] Penfield W. & Rasmussen T., The Cerebral Cortex of Man. Macmillan, New York 1950.
[3] Vedi
in G. Perrella, La lezione e le lezioni
di Wilder Penfield (1987), BM&L-Italia, Firenze 2003; Cfr. W. Penfield,
The mistery of the mind. Princeton University Press,
Princeton, New Jersey, 1975.
[4] Penfield, riportato
in G. Perrella, op. cit., p. 14.
[5] G. Perrella, op. cit., ibidem.
[6] Penfield W. & Rasmussen T., The Cerebral Cortex of Man. Macmillan, New York 1950.
[7] Note e Notizie 10-03-12 Come la stimolazione del cervello può evocare ricordi.