Attività dinamica del nucleo subtalamico e predizione dei movimenti degli arti nella malattia di Parkinson

L’attività beta è una caratteristica rilevante registrata nei gangli della base in pazienti affetti da malattia di Parkinson e in modelli animali della condizione. Riflette l’eccessiva sincronizzazione a livello dei circuiti dei gangli della base e il suo ruolo centrale nel parkinsonismo è riconosciuto in molti modelli computazionali della malattia. L’attività beta è attenuata dalla levodopa e dalla stimolazione cerebrale profonda (DBS) dei nuclei subtalamici (STN), un bersaglio chirurgico chiave nei gangli basali. Il grado di attività beta correla con il deficit motorio e il grado di soppressione dell’attività beta da parte di farmaci o DBS correla con il livello di miglioramento del deficit motorio. Recentemente, è diventato evidente che l’attività beta nella malattia di Parkinson arriva in bursts di durata superiore ai 100 ms e che le correlazioni precedentemente menzionate potrebbero essere anche più forti quando viene presa in considerazione la propensione per questi bursts. Il fatto che i beta bursts potrebbero essere una causa importante è suggerito dall’efficacia terapeutica dell’uso di stimolazione ad alta frequenza che mira in modo selettivo questi bursts.
Tuttavia, la connessione tra la sincronizzazione nella banda beta e il deficit motorio è in qualche modo paradossale, date teorie correnti e ben stabilite che attribuiscono migliore comunicazione e più efficiente processamento neurale alla sincronia oscillatoria. Una soluzione a questo paradosso potrebbe essere che la performace di un circuito neuronale potrebbe deteriorarsi in caso di troppa sincronizzazione, in quanto la limitazione della capacità di decodificare l’informazione supera il miglioramento del rapporto signal – to noise generato dalla sincronizzazione. A supporto di questa ipotesi esistono studi che mostrano un aumento della informazione reciproca tra differenti canali nel STN in modelli animali di parkinsonismo al confronto con i sani. Tuttavia, l’informazione reciproca è una misura di informazione teorica che può essere detenuta da un sistema; maggiore l’informazione reciproca tra le sue componenti, minore è la capacità codificante di un sistema. In ogni caso, l’informazione reciproca non necessariamente coglie quegli aspetti di attività di un circuito che riflettono la genuina capacità di processazione neurale, come suggerito dalla loro associazione con azioni successive.
In questo lavoro, gli autori, hanno testato l’ipotesi che periodi di elevata sincronizzazione oscillatoria, indicati da bursts nel potenziale d’azione locale (local field potential – LFP) di attività del STN, ostacoli la rappresentazione locale delle informazioni correlate a un compito nel STN. Per questo, hanno utilizzato elettrodi direzionali che permettono un registro ad alta risoluzione dei cambiamenti delle caratteristiche dei LFP nel STN e machine learning per identificare gli aspetti dell’attività dei LFP nell’attività di STN che predicono se un movimento volontario degli arti superiori o inferiori verrà poi effettuato, sia perché le caratteristiche identificate sono direttamente importanti nel processamento neurale o perché sono surrogati informati di tale processamento. Le evidenze potrebbero aiutare a fornire una spiegazione meccanicistica che colleghi i bursts di attività a bassa frequenza al deficit motorio nel Parkinson, concertando anche l’attenzione sul STN come una fonte di segnale alternativa o complementare per interfacce cervello-macchina ristorative.

È stata registrata l’attività dei LFP nel STN in 18 pazienti con malattia di Parkinson mentre eseguivano movimenti degli arti superiori e inferiori intraoperiatoriamente al momento dell’impianto di DBS. È stata utilizzata l’accuratezza della classificazione dei LFP dell’arto da muovere in ciascuna prova come un indice dell’informazione trattenuta dal sistema rispetto all’azione prevista. Il machine learning che usava il modello di probabilità condizionale di Bayes è stato utilizzato per la classificazione. I LFP dinamici hanno permesso un’accurata predizione del movimento previsto molto prima della sua esecuzione. La presenza di busrts di LFP nella banda alfa e beta comprometteva in modo significativo la predizione dell’arto che si sarebbe mosso. Pertanto, bursts a bassa frequenza, in particolare nella banda beta, limita la capacità dei gangli della base di decodificare informazioni fisiologiche rilevanti riguardo l’azione che si intende compiere.

Le evidenze emerse dimostrano che bursts di attività a bassa frequenza (8-30 Hz) in STN compromettono le predizione basata sui LFP della predizione dell’arto che si muoverà durante un movimento volontario. Questo è consistente con l’ipotesi che un’aumentata sincronizzazione comprometta la capacità di decodificare l’informazione a livello dei circuiti dei gangli della base. Questo effetto è stato massimale nella banda di frequenza beta (13-30 Hz). Bursts in questa banda sono attenuati o accorciati dal trattamento con levodopa in pazienti affetti da malattia di Parkinson e il loro specifico spegnimento usando BDS adattiva generata dall’attività beta produce un miglioramento del deficit motorio. Inoltre, l’incidenza di questi bursts correla con lo score clinico per la valutazione della bradicinesia e rigidità e con la velocità di movimenti specifici. Insieme, queste informazioni, suggeriscono che bursts di attività beta possano essere una anomalia chiave dello stato parkinsoniano e queste evidenze forniscono un candidato meccanismo per il loro effetto e indicano che i beta bursts limitino la capacità di codificare l’informazione nei circuiti dei gangli della base.
I bursts di STN stessi, probabilmente, riflettono l’input oscillatorio sincronizzato, dato che le attività dei LFP di bassa frequenza sono pensati riflette l’attività afferente. Nel caso dell’STN, nonostante l’attività beta sia generata localmente, è coerente con e guidata dalle oscillazioni beta corticali consistenti col driving corticale.
Nonostante il bursting denoti un aumento di sincronizzazione e l’eccessiva sincronizzazione può potenzialmente limitare la capacità codificante l’informazione nei circuiti dei gangli della base, deve essere riconosciuto che il bursting a bassa frequenza potrebbe esercitare i suoi effetti attraverso meccanismi non ancora previsti. Comunque, gli effetti mostrati qui e la presenza di beta bursts fisiologici nei circuiti corteccia-gangli della base in soggetti sani solleva la possibilità che l’informazione riguardante i movimenti volontari futuri sia dinamica e scandita dai bursts a bassa frequenza che servono per degradare l’informazione temporaneamente favorendo una particolare linea di condotta.
Questi risultati supportano l’ipotesi che i bursts di attività a bassa frequenza nel STN limitano la capacità globale del sistema di codificare informazioni fisiologicamente rilevanti riguardo un’azione che si intende compiere. Dato che questi bursts sono esagerati nella malattia di Parkinson, queste evidenze forniscono una visione meccanicistica della rilevanza patologica dei beta bursts e incoraggiano a considerare l’STN come una fonte alternativa di segnale per le interfacce cervello-macchina.

Subthalamic nucleus activity dynamics and limb movement prediction in Parkinson’s disease

Saed Khawaldeh, Gerd Tinkhauser, Syed Ahmar Shah, Katrin Peterman, Ines Debove, T.A. Khoa Nguyen, Andreas Nowacki, M. Lenard Lachenmayer, Michael Schuepbach, Claudio Pollo, Paul Krack, Mark Woolrich and Peter Brown

https://academic.oup.com/brain/article/143/2/582/5732989