Stimolazione Elettrica e Magnetica del Sistema Nervoso Centrale e Periferico: Modellizzazione dei Campi Generati e Interpretazione dei Dati

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Stimolazione Elettrica e Magnetica del Sistema Nervoso Centrale e Periferico: Modellizzazione dei Campi Generati e Interpretazione dei Dati

Introduzione

La stimolazione magnetica del sistema nervoso centrale e periferico può ormai essere considerata un metodo comune in neurofisiologia clinica per valutare lo stato di conduzione delle vie efferenti motorie e dei nervi periferici. Introdotta a metà degli anni '80 come miglioramento rispetto alla stimolazione elettrica diretta, si basa sull'applicazione di campi magnetici rapidamente variabili e di alta intensità (fino a 2 T), che inducono un campo elettrico nei tessuti cerebrali e nervosi attraverso l'induzione elettromagnetica .

In breve tempo, questa tecnica si è diffusa ampiamente, diventando un eccellente strumento clinico per valutare la funzionalità delle vie efferenti motorie e diagnosticare disfunzioni del sistema nervoso centrale. Nonostante ciò, il livello di empirismo nell'intero metodo rimane significativo e molte aree di indagine rimangono aperte, sia nei campi tecnologico, neurofisiologico che clinico.

I primi studi scientifici che documentano il comportamento del campo elettrico indotto $E$ da diversi tipi di stimolatori sono apparsi in letteratura circa 10-15 anni fa, con lo sviluppo di numerosi modelli matematici, sia analitici che numerici .

Nonostante questi studi, i progressi tecnologici relativi al miglioramento e all'innovazione degli stimolatori e delle bobine di stimolazione sono stati scarsi e spesso limitati a cambiamenti nella forma delle bobine. Negli ultimi anni, i dispositivi di stimolazione non hanno visto progressi significativi. In particolare, ci sono stati pochi miglioramenti nel focalizzare e controllare il campo elettrico indotto, mentre solo i sistemi per la stimolazione rapida ripetitiva hanno visto alcune innovazioni.

La capacità di controllare la focalizzazione del campo elettrico indotto da un sistema di bobine amplierebbe notevolmente le aree di applicazione della stimolazione magnetica. Ad esempio, si potrebbe considerare il potenziale offerto dalla stimolazione dei centri nervosi responsabili del controllo dei muscoli respiratori (per i pazienti con lesioni del tratto discendente), studiare nuovi metodi di defibrillazione ventricolare e sviluppare tecniche di pacemaking temporaneo non invasivo.

Per queste interessanti prospettive di ricerca, è essenziale, oltre a ottimizzare la costruzione delle bobine e delle apparecchiature associate, cercare nuove configurazioni con maggiori capacità di focalizzazione del campo. Infatti,

la capacità di concentrare il campo elettrico indotto in regioni arbitrariamente piccole e, di conseguenza, di concentrare le correnti indotte in queste regioni, rimane un aspetto decisivo per un salto qualitativo nell'uso della stimolazione magnetica.

Questo contributo mira a fornire una breve panoramica dello stato attuale della stimolazione magnetica da una prospettiva metodologica e tecnologica e a introdurre e discutere alcuni approcci innovativi che potrebbero contribuire allo sviluppo futuro del metodo e al suo utilizzo in nuovi campi di applicazione.

Stimolazione Non Invasiva della Corteccia Motoria

Stimolazione Elettrica Transcranica

Negli ultimi 20 anni, i primi tentativi di stimolare la corteccia motoria sono stati realizzati attraverso la stimolazione elettrica. Nel 1980, Merton e Morton svilupparono un metodo di stimolazione utilizzando due elettrodi posti sul cuoio capelluto, vicino all'area motoria. Questo metodo è chiamato bipolare perché vengono utilizzati solo due elettrodi: un anodo e un catodo. Un impulso di stimolo a gradino viene inviato all'anodo, con un tempo di salita molto rapido e livelli di tensione tra 800 e 1800 V, con una corrente all'elettrodo di circa 100 mA e una durata tra 10 e 50 μs.

A causa della natura non omogenea delle strutture della testa e dei tessuti cerebrali, la conduttività elettrica varia notevolmente da tessuto a tessuto. Parte della corrente è sufficiente a stimolare le strutture motorie bersaglio, ma la maggior parte di essa colpisce il cuoio capelluto, causando al soggetto una sensazione dolorosa quasi insopportabile. Questo è stato considerato il principale svantaggio di questo metodo e la ragione principale del suo uso limitato e del suo eventuale abbandono a metà degli anni '80.

Stimolazione Magnetica Transcranica

La stimolazione magnetica è un metodo che supera i principali svantaggi della stimolazione elettrica ed è ora considerato uno degli strumenti più ampiamente utilizzati in neurofisiologia clinica, in particolare per la diagnosi dei disturbi del sistema nervoso centrale e periferico. La caratteristica principale di questo metodo è la sua capacità di stimolare strutture nervose come la corteccia motoria o le radici nervose spinali in modo non invasivo e senza causare alcuna sensazione dolorosa al soggetto.

La stimolazione magnetica corticale, nella sua forma attuale, è stata proposta per la prima volta da Barker e collaboratori nel 1985, che l'hanno realizzata utilizzando brevi impulsi magnetici monofasici con un'ampiezza di picco fino a 2 T, registrando poi la risposta motoria prodotta.

Figura 1: Diagramma semplificato di un circuito stimolatore. I parametri tipici del circuito sono scelti come L = 20 μH e C = 100 μF.

Stimolazione Magnetica Transcranica: Lo Stimolatore

Diagramma semplificato di un circuito stimolatore. I parametri tipici del circuito sono scelti come L = 20 μH e C = 100 μF.

La struttura tipica di un dispositivo di stimolazione consiste di due parti (Fig. 1):

un generatore di impulsi di corrente, che può produrre correnti di picco

superiore a 5 kA, e una bobina di stimolazione, attraverso la quale vengono generati impulsi magnetici forti, con valori di picco che raggiungono circa 2 T e durate di circa 300 μs. Un segnale di trigger controlla la scarica dell'energia immagazzinata nel condensatore nella bobina di stimolazione. L'impulso è controllato da un tiristore, che permette il passaggio di correnti elevate in pochi microsecondi, generando una corrente di scarica monofasica con corrente inversa minima. Inoltre, attraverso una piccola corrente di controllo che gestisce il suo commutamento, possono fluire correnti nell'ordine di diversi kA.

Figura 2: Campo elettrico normalizzato (a destra) indotto da un impulso di corrente monofasico o bifasico all'interno della bobina (a sinistra).

La corrente di scarica scorre attraverso la bobina di stimolazione, generando un campo magnetico variabile che, a sua volta, induce correnti di attivazione nei tessuti. Poiché gli avvolgimenti hanno una resistenza non trascurabile, la dissipazione di energia dovuta al riscaldamento per effetto Joule, con conseguente riscaldamento della bobina, diventa significativa.

Le correnti indotte all'interno del corpo umano, se di ampiezza e durata adeguate, possono stimolare il tessuto neuromuscolare in modo simile alla stimolazione elettrica. L'uso di correnti monofasiche riduce la dissipazione di calore nella bobina, il rumore associato alla sua rapida deformazione meccanica (suono di clic) e gli artefatti, aumentando così la precisione della stimolazione. Inoltre, l'impulso monofasico è più stabile e definito, permettendo una migliore interpretazione delle risposte (Fig. 2).

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Stimolazione Ripetitiva

La stimolazione ripetitiva si basa sullo stesso principio della stimolazione magnetica classica (singolo impulso). Per ottenere alte frequenze di stimolazione (fino a 50 Hz), sono necessari condensatori più piccoli con tempi di carica e scarica più brevi rispetto alla stimolazione magnetica a singolo impulso. A tal fine, viene utilizzata una serie di condensatori attivati in sequenza da un microprocessore tramite un segnale di trigger, tutti scaricati nella stessa bobina di stimolazione. Una delle principali sfide in questo caso è la gestione del riscaldamento delle bobine dovuto al riscaldamento per effetto Joule. Questo impone limiti alla frequenza degli stimoli e alla durata durante la quale lo stimolo può essere mantenuto alla massima intensità.

Focalizzazione e Controllo dei Campi Indotti

La focalizzazione dei campi elettrici indotti all'interno dei tessuti biologici tramite stimolazione magnetica deve indubbiamente essere considerata uno degli aspetti prioritari nel miglioramento della tecnica. Qui, la focalizzazione si riferisce alla capacità di concentrare un campo elettrico efficace—un campo capace di stimolare tessuti eccitabili come il tessuto nervoso o muscolare—su una piccola regione. In pratica, focalizzare il campo elettrico indotto nella stimolazione corticale significa stimolare selettivamente un insieme di neuroni in modo che possano essere osservati effetti rilevabili sul sistema motorio, sul sistema sensoriale o sull'attività cognitiva.

Tuttavia, la complessità della struttura cerebrale e i numerosi contatti sinaptici lungo gli efferenti e

Le vie afferenti alla corteccia cerebrale non permettono una relazione lineare tra lo stimolo elettromagnetico e la risposta desiderata. Inoltre, le soglie di stimolazione di diversi gruppi di neuroni variano a seconda del tipo di neurone, della profondità dalla superficie corticale e dell'orientamento delle strutture nervose, rendendo sia l'intensità che la direzione del campo importanti. Inoltre, tentare di concentrare i campi elettrici indotti in una piccola regione del cervello produce campi a bassa intensità. Pertanto, focalizzare campi efficaci sembra essere un compromesso tra l'area in cui il campo supera una certa soglia e l'intensità massima del campo raggiungibile.

Un parametro simile ma distinto dalla focalizzazione è l'efficienza di stimolazione. Questo concetto è più legato alle considerazioni energetiche per le bobine di stimolazione, nel senso di determinare l'energia minima richiesta per la stimolazione e quanto localizzato possa essere lo stimolo risultante. È concepibile che i futuri sviluppi della tecnica sintetizzeranno questi due obiettivi operativi e di progettazione, ma allo stato attuale, a causa della fisica fondamentale che sottende la stimolazione magnetica, si può affermare che focalizzare il campo elettrico in una regione specifica del corpo non equivale, almeno teoricamente, a minimizzare l'energia richiesta, cioè l'energia che deve essere immagazzinata nella bobina per generare l'impulso magnetico variabile nel tempo.

Infine, un ulteriore aspetto legato alla focalizzazione è la capacità di concentrare i campi in profondità e non solo su una regione superficiale. Per enfatizzare questo aspetto, ci riferiremo alla focalizzazione superficiale e alla focalizzazione profonda o volumetrica.

Una bobina di stimolazione è composta da uno o più avvolgimenti di rame ben isolati, insieme ad altri dispositivi elettronici come sensori di temperatura e interruttori di sicurezza . Le bobine circolari sono il design più semplice e diretto, e fino ad oggi, sono le più comunemente utilizzate per stimolare il sistema nervoso centrale (SNC) o le radici nervose spinali. In neurologia clinica, il SNC viene stimolato con una bobina circolare di diametro relativamente grande, e la posizione e l'angolo della bobina rispetto alla testa del soggetto vengono regolati per ottenere la risposta motoria desiderata.

L'espressione per il campo elettrico indotto all'interno di un mezzo sferico ha la seguente forma:

$E(x,y,z)=\left(\frac{di(t)}{dt}\right)\cdot G(x,y,z)$ $(1)$

In pratica, il campo elettrico indotto $E$ è direttamente proporzionale alla derivata temporale della corrente nella bobina $i(t)$ e a un fattore spaziale $G(x,y,z)$, che dipende dalle forme e dalle dimensioni dei mezzi e della bobina, dalle loro proprietà elettriche e dalla posizione relativa della bobina rispetto al punto in cui il campo viene calcolato $(x,y,z)$. Il comportamento temporale di $E$ è quindi proporzionale solo

alla derivata temporale della corrente che passa attraverso la bobina, e quindi dipende dal tipo di impulso di corrente (ad esempio, monofasico o bifasico) fornito dallo stimolatore alla bobina (Fig. 2). Di conseguenza, lo studio della focalizzazione del campo è strettamente legato al fattore spaziale $G$.

Consideriamo ora una bobina circolare posizionata tangenzialmente, in modo tale che un raggio di una sfera, che rappresenta idealmente la testa, coincida con l'asse della bobina. Il campo elettrico indotto (Fig. 3) è nullo lungo l'asse di simmetria della bobina e raggiunge il suo massimo appena sotto il bordo della bobina .

In pratica, è possibile ottenere un campo elettrico indotto massimo solo nelle regioni vicine al bordo della bobina. Inoltre, man mano che aumenta la profondità del piano di misurazione, il valore massimo del campo tende a diminuire e a diffondersi in cerchi sempre più ampi. Inoltre, per bobine circolari con raggi diversi, il valore massimo del campo si trova sempre a una distanza dall'asse approssimativamente uguale al raggio della bobina.

Figura 3: Tracciati delle isolinee del campo elettrico prodotto da una bobina circolare in un mezzo infinito, a diverse distanze dal piano della bobina (1, 2, 4 cm).

Nella pratica clinica, ci sono tre configurazioni comuni: i) bobina tangenziale al bordo (ET), ii) bobina longitudinale ortogonale (OL), e iii) due bobine a forma di farfalla adiacenti (BT). La capacità di focalizzazione può essere definita come: (2) che è il rapporto tra l'area interessata da valori di campo superiori alla metà del massimo campo elettrico indotto e l'area totale.

Sebbene la configurazione OL offra la migliore capacità di focalizzazione, la configurazione BT combina una buona focalizzazione con valori di campo sufficientemente alti da permettere una stimolazione facile. Il comportamento del campo e la capacità di focalizzazione sono influenzati anche dalla dimensione delle bobine utilizzate . Inoltre, nella configurazione BT, le correnti nelle due bobine devono avere la stessa intensità e fluire in direzioni opposte. Questo è necessario per ottenere la massima intensità del campo nella regione in cui le due bobine si incontrano . Il principale svantaggio pratico della configurazione BT è la limitata flessibilità angolare durante le sessioni di stimolazione corticale, principalmente a causa delle dimensioni maggiori di queste bobine rispetto a quelle circolari. Pertanto, quando il sito di stimolazione non è predeterminato o è

difficile da raggiungere, è preferibile una singola bobina più maneggevole.

Concentrazione del Volume

Uno dei principali svantaggi della stimolazione magnetica (SM) è la sua "capacità limitata" di concentrare le correnti indotte nei tessuti non superficiali rispetto alla stimolazione elettrica. Per "capacità limitata" si intende che, con i dispositivi attualmente disponibili, non è possibile concentrare esclusivamente una specifica distribuzione dei campi elettrici indotti nelle regioni interne per attivare le fibre nervose.

Il campo generato dalle configurazioni di bobine attuali diminuisce con l'aumentare della distanza dalla bobina. Per questo motivo, stimolare il tessuto profondo con un campo elettrico indotto $E$ comporta necessariamente la generazione di campi elettrici più grandi nei tessuti più superficiali tra la bobina e il punto stimolato. Inoltre, la capacità di concentrazione delle bobine diminuisce a maggiori profondità. Queste considerazioni significano che stimolare il tessuto cerebrale profondo porta all'attivazione di ampie aree della corteccia motoria, che controllano i muscoli di vaste regioni del corpo, risultando così in una stimolazione generalizzata e in risultati diagnostici di valore limitato.

Conclusioni

Concentrare e controllare i campi indotti all'interno dei tessuti biologici attraverso la stimolazione magnetica deve indubbiamente essere considerato un aspetto prioritario nel miglioramento della tecnica. Migliorare queste caratteristiche, insieme all'ottimizzazione delle apparecchiature per ridurre la potenza utilizzata, dovrebbe essere visto come un passo fondamentale per estendere la tecnica ad altre applicazioni biomediche.

Per quanto riguarda i dispositivi esistenti, la capacità di concentrazione fornita dalla doppia bobina (BF) sembra del tutto insufficiente per l'uso della tecnica nelle strutture nervose profonde, come le radici del nervo trigemino in gnatologia. Una configurazione capace di ottenere, in determinate condizioni, la concentrazione del volume è quella proposta da Edrich e Zhang. Consiste in due bobine mutuamente ortogonali che possono produrre l'effetto di concentrazione desiderato all'interno dei tessuti, a condizione che i raggi e le correnti siano selezionati appropriatamente. Sfruttando l'effetto di cancellazione superficiale reciproca dei campi indotti da ciascuna bobina, si possono ottenere massimi relativi in profondità, lungo particolari direzioni. In particolare, lungo l'asse verticale che passa attraverso il punto in cui le due bobine si incontrano, il campo indotto dalla bobina orizzontale annulla il campo generato dalla bobina verticale sulla superficie. In questo modo, il campo indotto raggiunge un massimo interno a una profondità di circa 3 cm dalla superficie della testa. Questo massimo è dovuto alla diversa distribuzione spaziale, all'interno del

sphere, del campo indotto dalla bobina orizzontale e di quello indotto dalla bobina verticale, che si combinano per produrre l'effetto di cancellazione superficiale e di focalizzazione volumetrica.

Per quanto riguarda il controllo del campo, negli ultimi anni è stata proposta una configurazione multibobina programmabile, che potrebbe rendere possibile la stimolazione selettiva di diverse strutture nervose attraverso metodi di ottimizzazione. In pratica, il campo desiderato (target) viene ottenuto ottimizzando analiticamente la corrente necessaria da inviare a ciascuna bobina in una matrice in modo che teoricamente venga generato un campo il più vicino possibile a quello desiderato.

Per quanto riguarda l'ottimizzazione dell'attrezzatura, finora la progettazione degli stimolatori ha generalmente trascurato alcune caratteristiche non ideali delle bobine. Uno studio e una progettazione più approfonditi dovrebbero considerare effetti elettromagnetici come l'effetto pelle e l'effetto di prossimità, che consentono un calcolo più accurato delle resistenze elettriche nello stimolatore e delle correnti necessarie conseguenti. Per quanto riguarda la riduzione delle correnti circolanti nelle bobine, Carbunaru e Durand hanno recentemente proposto l'uso di una bobina avvolta in materiale ferromagnetico per la stimolazione periferica, ottenendo la stimolazione delle fibre nervose con correnti tre volte inferiori a quelle tipicamente richieste per la stimolazione magnetica.

Bibliography & references