Cognition Neurostimulation & Connectivity - CoN&Co

Crescenti evidenze empiriche suggeriscono che la plasticità cerebrale sia costituita da componenti funzionali e strutturali tra loro interagenti; tuttavia, la modalità con cui tali componenti si mappino reciprocamente e plasmino congiuntamente il comportamento rappresenta ancora una delle principali sfide aperte nelle neuroscienze contemporanee. Il nostro gruppo affronta questa problematica utilizzando la stimolazione cerebrale non invasiva (Non-Invasive Brain Stimulation, NIBS) - inclusa la stimolazione magnetica transcranica (TMS/rTMS) e la stimolazione elettrica transcranica (tES) - come strumento causale per perturbare i circuiti corticali e verificare come specifici parametri di stimolazione si traducano in variazioni misurabili delle dinamiche neurali e delle prestazioni cognitive.

Un principio cardine che guida il nostro lavoro è che gli effetti della stimolazione non rispondano a una rigida logica "dose-risposta", ma emergano dall'interazione tra i parametri di stimolazione e il regime operativo corrente del cervello. In particolare, ci focalizziamo su come lo stato cerebrale istantaneo (moment-to-moment brain state), la variabilità neurale (spesso riflessa nelle fluttuazioni trial-to-trial e nel rumore neurale) e il bilancio eccitazione/inibizione (E/I) determinino congiuntamente se la NIBS induca una plasticità sinaptica e cognitiva stabile oppure produca effetti transitori e non specifici. Trattando la variabilità come un segnale informativo anziché come un fattore di disturbo, intendiamo identificare marcatori di "ricettività corticale al cambiamento" e predittori della responsività individuale.

Per dissezionare tali meccanismi a livello di rete, combiniamo la stimolazione con l'elettrofisiologia ad alta risoluzione temporale. La coregistrazione TMS-EEG ci consente di indagare la cognizione misurando direttamente come una perturbazione controllata si propaghi attraverso i circuiti corticali, rivelando le interazioni dirette e la connettività effettiva tra le regioni. Questo approccio ci permette di:

1. caratterizzare il contributo causale di specifiche aree cerebrali al comportamento;
2. quantificare come la stimolazione rimodelli la comunicazione all'interno e tra le reti neurali;
3. determinare in che modo le variazioni del bilancio E/I e della variabilità neurale modulino l'intensità, la direzione e la stabilità di tali interazioni effettive.

L'obiettivo finale è sviluppare modelli meccanistici di plasticità sensibili allo stato cerebrale (state-aware), capaci di legare le dinamiche di circuito al comportamento e di supportare protocolli di stimolazione più precisi e personalizzati.

Coregistrazione TMS-EEG nell'esplorazione del connettoma corticale umano

Il cervello umano è una rete complessa in cui centinaia di regioni sono interconnesse tramite migliaia di vie anatomiche. Le funzioni cerebrali emergono dall'attivazione di tali vie, che possono riconfigurarsi in modo dinamico in base alle richieste contingenti. Tale flessibilità è alla base della capacità del cervello umano di eseguire un'ampia varietà di funzioni cognitive e di adattarsi a contesti in continuo mutamento. Ipotizziamo che l'efficienza cerebrale si fondi sulla capacità del sistema di sfruttare la dinamica di queste reti e di integrare selettivamente rappresentazioni sensoriali, cognitive e motorie al livello appropriato. In questo contesto, è necessaria una strategia di misurazione di tale dinamismo per sondare il cervello umano e la sua integrità. Questo progetto mira a combinare tecniche di neuroimmagine multimodale e di stimolazione cerebrale all'avanguardia per ottenere una caratterizzazione avanzata delle dinamiche cerebrali. A tal fine, proponiamo un approccio integrato comprendente stimolazione magnetica transcranica (TMS), elettroencefalografia (EEG), risonanza magnetica (MRI), risonanza magnetica funzionale (fMRI), nonché TMS-EEG e TMS guidata da EEG per l'indagine delle relazioni causali tra cervello e funzioni cognitive.

Neurostimolazione e neuromodulazione per l'induzione di fenomeni di plasticità

Il nucleo dell'attività del gruppo è guidato dall'obiettivo di comprendere se la plasticità corticale possa essere indotta e manipolata mediante la stimolazione cerebrale non invasiva nel cervello adulto sano, quale sia la relazione tra la plasticità sinaptica indotta e la plasticità cognitiva, come la plasticità cognitiva possa essere sostenuta dall'attività di una "rete neuronale funzionale" e come tale rete si articoli in relazione allo stato del soggetto. Per raggiungere questi obiettivi, utilizziamo tecniche di stimolazione cerebrale non invasiva come TMS, rTMS, TBS e tES (es. tDCS, tACS, tRNS) singolarmente o in combinazione con altri metodi di ricerca (es. coregistrazione TMS-EEG).