Uno studio degli effetti della tDCS sui processi di apprendimento visuo-spaziale

Capitolo 1 – La stimolazione elettrica
1.1 Storia della nascita della stimolazione elettrica
Sin dai tempi antichi l’uomo ha coltivato un enorme interesse per lo studio della meravigliosa 
complessità del cervello, un organo che costituito da miliardi di cellule che comunicano e si 
fondono come la trama di una tela di ragno, consente alla specie umana di pensare, decidere e 
svolgere un vasto insieme di compiti. La proprietà che rende tale organo così sofisticato ed evoluto, 
sebbene possa sembrare impossibile, è la corrente elettrica a bassissime intensità, che viaggia tra i 
componenti di cui il suo tessuto è composto quali gli assoni, il soma, i dendriti e le sinapsi. 
Sorprendente è infatti la mole di informazioni che ogni millisecondo viaggia all’interno del nostro 
sistema nervoso tramite un infinito insieme d’impulsi elettro-chimici orchestrati perfettamente. 
Tutto ciò si verifica grazie alla eccitabilità che le cellule nervose possiedono; possono in alcuni casi 
depolarizzarsi ed iperpolarizzarsi in relazione ad una permeabilità delle membrane neuronali 
facilitata o meno dall'entrata e uscita di ioni e molecole.  Tenuto conto di tale proprietà fisica l’idea 
a cui sono giunti parecchi scienziati, nel corso della storia, è che fosse possibile determinare dei 
cambiamenti a livello comportamentale e cognitivo attraverso l’utilizzo della corrente stessa. Uno 
dei primi studiosi a interessarsi di tale fenomeno fu il fisico Scribonius Largus, vissuto ai tempi 
dell'imperatore romano Claudio, il quale notò come la razza di mare, applicata allo scalpo mitigava 
i sintomi relati all’emicrania. Nell’XIX secolo, Ibn-Sidah, fisico musulmano, dimostrò inoltre come 
il pesce gatto fosse utile nel trattamento dell'epilessia. Fu poi nel IXI secolo che si consolidò 
l’ipotesi che la corrente elettrica poteva avere un’efficacia terapeutica, grazie agli studi di 
Alessandro Volta e Galvani con la ideazione della pila elettrica. A seguito di tale invenzione fu 
progettata intorno ai primi del '900 una tecnica che si proponeva di curare e stabilizzare l’umore dei 
pazienti considerati schizofrenici e aggressivi. Tale tecnica prese il nome di Elettroshock.
L’elettroshock basava il suo funzionamento nell’erogazione di corrente ad alto voltaggio, applicata 
allo scalpo che si prefiggeva di influire a livello dei circuiti nervosi mal funzionanti e all’origine 
della patologia. Nonostante tale tecnica fu abbondonata per motivi etici e di sicurezza, l’idea che la 
corrente elettrica potesse influire sulle funzioni cognitive fu portata avanti. Infatti intorno agli anni 
2000 fu possibile per la prima volta quantificare gli effetti della stimolazione elettrica a bassa 
intensità di corrente sul cervello (Priori et al., 2003). Con l’avanzamento della tecnologia e il fiorire 
di tecniche e software più sofisticati, fu possibile verificare le conseguenze che la stimolazione 
elettrica cerebrale, non invasiva, induceva.
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Le tecniche che permisero ciò furono in particolare l'analisi dei tracciati Elettroencefalografici a 
seguito della stimolazione, l'analisi dei Potenziali Relati Evocati, la Magneto-Encefalografia e 
l'impiego della Risonanza Magnetica funzionale per indagare le differenze di attivazione cerebrale 
indotte dal passaggio della corrente nelle strutture anatomiche.  Il crescente interesse dunque per 
l'analisi degli effetti indotti dalla corrente elettrica cerebrale ha conseguentemente prodotto una 
serie di studi che indagano il fenomeno della neuro plasticità, per cui le funzioni cognitive e 
comportamentali possono essere modulate attraverso la modifica delle strutture e i substrati 
fisiologici del cervello, in relazione agli stimoli ambientali. A partire dagli anni 2000 molte ricerche 
hanno dimostrato che la tDCS applicata a pazienti con diversi tipi di patologie neurologiche 
incrementava le prestazioni cognitive e determinava alcune modifiche a livello comportamentale. 
Sebbene tali risultati fossero stati ottenuti anche a seguito della stimolazione magnetica 
transcranica, (altra tecnica adoperata al fine di investigare i substrati fisiologici della neuro 
plasticità), la tDCS portò un miglioramento dal momento che rispetto alla TMS (transcranic 
magnetic stimulation) era più sicura, più maneggevole, di facile uso e soprattutto economica.
Inoltre non induceva in molti soggetti alcuni effetti collaterali quali nausea, affaticamento e fastidio 
a livello dei muscoli facciali. Gli effetti collaterali indotti dalla TMS sono causati da una massiccia 
generazione di impulsi elettrici che si vengono a creare all’interno delle cellule nervose a seguito 
della formazione di un forte campo magnetico capace di portare alla scarica di numerosi potenziali 
d'azione. Il risultato è la stimolazione di una notevole quantità di fibre nervose che può comportare 
sensazioni fastidiose.
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1.2 Elementi fondamentali del sistema nervoso
L'encefalo costituisce circa il 2% del peso corporeo e contiene parecchi miliardi di neuroni e cellule 
gliali. È l’organo che rende gli esseri umani così speciali, è più leggero di un normale computer 
eppure è il più complesso ed elegante apparecchio computerizzato che esista. Esso riceve ed 
interpreta un'immensa quantità di informazioni, controlla una varietà di movimenti semplici e 
complessi e rende l'uomo abile in esercizi di ragionamento e logica deduttiva ed induttiva. La 
complessità delle azioni del sistema nervoso e la ricchezza delle sue azioni è rispecchiata da una 
struttura ricca e complessa, una rete intrecciata e dinamica costituita da cellule nervose, che 
ricevono e mandano segnali ad altre cellule attraverso le loro estensioni (gli assoni). Le 
informazioni vengono interpretate ed elaborate nell'arco di pochi millisecondi attraverso una 
sequenza di eventi elettrici e chimici all'interno delle sinapsi, o meglio delle giunzioni che 
permettono ai neuroni di comunicare tra di loro. I neuroni insieme alle cellule muscolari, sono gli 
unici elementi eccitabili; essi cioè rispondono agli impulsi elettrici. Le risposte elettriche dei 
neuroni possono avvenire nella regione in cui i neuroni ricevono lo stimolo o propagarsi, nel caso in 
cui l'impulso si propaghi lungo i neuroni e i loro assoni. Gli impulsi che si propagano vengono 
definiti Potenziali d'Azione (PA). I Potenziali d'Azione sono dunque segnali elettrici che tendono a 
propagarsi lungo il neurone e l'assone. La proprietà fondamentale del Potenziale d'Azione sta nel 
fenomeno del “tutto o nulla”; per cui, avviene o non avviene, ma  quando ciò si verifica rimane lo 
stesso e non è graduabile nella sua ampiezza. I neuroni possono generare potenziali d'azione perché 
contengono molecole specializzate, definite canali del sodio, che rispondono alla depolarizzazione 
aprendosi, inducendo un'ulteriore depolarizzazione. Quando una depolarizzazione raggiunge una 
membrana nervosa, i canali del sodio si attivano e come risultato la membrana si depolarizza 
ulteriormente. Per depolarizzazione s'intende quel fenomeno fisico per cui la soglia di eccitazione 
della membrana neuronale si abbassa in relazione ad una fuoriuscita di cariche negative e l'entrata 
di cariche positive. Dunque se la membrana si depolarizza e ciò porta ad una sufficiente attivazione 
di canali del sodio, da dare una depolarizzazione di circa 15 mV, si raggiunge una soglia alla quale 
la velocità di depolarizzazione aumenta bruscamente per produrre un potenziale d'azione. Una volta 
che l'impulso elettrico è terminato, la membrana si iperpolarizza, ritornando pressappoco al suo 
valore precedente (-65mV).
Il potenziale d'azione può verificarsi nuovamente, ma la velocità con cui avviene è minore. Tale 
effetto è dovuto ad un aumento della soglia di eccitabilità di membrana. Ciò si spiega a causa di un 
periodo di attivazione anche dei canali lenti per il K+ che inducono una momentanea 
iperpolarizzazione, inferiore al potenziale di membrana a riposo. Ciononostante i canali per il sodio 
rimangano aperti e può   dunque generarsi un secondo potenziale d'azione.
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Oltre al fenomeno appena descritto la comunicazione tra le cellule nervose avviene anche attraverso 
le sinapsi chimiche. Le sinapsi chimiche sono strutture nervose, presenti soprattutto nel cervello dei 
mammiferi, che convogliano il messaggio sfruttando molecole, che hanno lo scopo di amplificare e 
modulare il segnale. Vengono definite neurotrasmettitori. In altre parole, quando arriva il PA 
nell'assone del neurone, la sinapsi chimica attivandosi determina la messa in gioco di una serie di 
meccanismi che mirano a far comunicare il neurone con il neurone successivo. I neurotrasmettitori 
sono all'inizio impacchettati in strutture che si chiamano vescicole sinaptiche. Con l'arrivo del 
potenziale d’azione si ha un aumento della concentrazione di ioni Ca++ all'interno della membrana 
e per il fenomeno della esocitosi, questi vengono liberati nello spazio che c'è tra i due terminali 
sinaptici, chiamato fessura sinaptica. Il terminale (post-sinaptico), del neurone successivo ha sulla 
sua superficie dei recettori di membrana che riconoscono il neurotrasmettitore. Le risposte generate, 
in particolare, possono essere o di tipo eccitatorio o  di tipo inibitorio. Ciò in riferimento al tipo di 
neurotrasmettitore rilasciato. Le risposte eccitatorie sono dovute alla scarica di Acetilcolina, 
Glutammato e Nor-Adrenalina, le seconde alla liberazione di Dopamina, Glicina e dall'acido 
gamma amino-butirrico (GABA). La liberazione di tali molecole provoca infatti l'apertura o la 
chiusura di specifiche strutture proteiche definite canali ionici, che determinano il vero effetto 
fisiologico. I canali ionici consentono, o meno, il passaggio della corrente elettrica. Le tipologie di 
canali ionici sono differenti. Vi sono canali ionici passivi e voltaggio-dipendenti, canali ionici aperti 
dai ligandi e i canali ionici del gap junction. I canali ionici passivi sono deputati al mantenimento 
del potenziale di riposo, mentre quelli voltaggio dipendenti operano in seguito alla variazione del 
potenziale di membrana. Tipicamente i canali ionici voltaggio dipendenti sono quelli per il sodio 
(Na+), per il potassio (K+) e per il calcio (Ca2+). I canali ionici aperti dai ligandi sono canali il cui 
stato di apertura è regolato da un segnale chimico, per esempio un neurotrasmettitore. 
La regolazione fine dei canali voltaggio-dipendenti e quelli associati ai ligandi è alla base delle 
risposte fisiologiche che avvengono tra i neuroni. La regolazione di questi processi è alla base del 
comportamento.
                         
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