Rocco Liguori

• IRCCS Istituto delle Scienze Neurologiche di BolognaAUSL di Bologna

• Dipartimento di Scienze Biomediche e NeuroMotorieAlma Mater Studiorum – Università di Bologna

Consultant:

Biogen

Sanofi-Genzyme

Argon Healthcare srl

Lecture grants:

Dynamicom Education Scientific Press

Adnkronos salute unipersonale srl

SIMG Service

DISCLOSURES

Non-Invasive Brain Stimulation (NIBS)

rTMS tDCS

• Tecniche che modulano l’eccitabilità corticale e inducono effetti di neuroplasticità

prolungati.

tDCS

BASE FISIOLOGICA

tDCS tecnica di stimolazione transcranica che utilizza correnti continue dibassa intensità

tDCS induce modificazioni (eccitatorie correnti Anodiche e inibitorie

correnti Catodiche) della eccitabilità corticale che perdurano al termine dellastimolazione

Evidenze scientifiche dimostrano effetti sulla corteccia motoria, sensitiva e visiva

L’effetto neuromodulatorio (+ vs -) dipende da diversi fattori della stimolazione(tipo di stimolazione, posizione degli elettrodi e area target)

IL PERCORSO DELLA CORRENTE: MODELLO SFERICO

Miranda et al, 2006, Clin Neurophysiol

Corrente erogata da stimolatore

tende a disperdersi lungo lo scalpo

Corrente massima

zona sottostante elettrodo stimolante

LA NEUROSTIMOLAZIONE

VARIAZIONE DELLO STATO DI ECCITAZIONE

DELLE CELLULE

VARIAZIONE DELLA RISPOSTA SINCRONA DI

POPOLAZIONI DI NEURONI

Applicazione di una corrente elettrica/campo elettrico al tessuto nervoso

IL PERCORSO DELLA CORRENTE: OSSERVAZIONI

Il percorso della corrente dipende dalla posizione reciproca di anodoe catodo e dalla composizione del tessuto attraversato.

Poichè la resistività dello scalpo è molto minore di quella del cranio,la maggior parte della corrente (circa 80%) è dispersa lungo loscalpo. (Miranda et al, 2006).

La densità di corrente diminuisce rapidamente con la profondità

La distribuzione della densità di corrente e il percorso della correntenella corteccia non sono omogenei dipendono e dall’orientamentodelle fibre (Holdefer et al, 2006).

EFFETTI COLLATERALI SEGNALATI

effetti collaterali riportati Rari e “minori”

Formicolio, prurito o lieve sensazione di bruciore nella zona di applicazione degli elettrodi durante la stimolazione

Arrossamento transitorio della pelle dopo la stimolazione.

Rare le scottature, in genere per intensità di corrente > 3 mA

tDCS

STIMOLAZIONE A CORRENTE COSTANTE

Metodica ampiamente utilizzata nello studio dei processi cognitivi ecomportamentali soggetti sani e pazienti con malattie degenerative opsichiatriche.

Tecnica semplice e priva di effetti collaterali Persistenza degli effetti indotti

interessante prospettiva per il trattamento di diverse patologie neurologiche e psichiatricheDisturbo ossessivo – compulsivoSindrome depressivaMalattia di Alzheimer

Modificato da Pievani et al, 2016

Figure 1. results of a recent meta-analysis (Hsu et al, 2015) reporting a significant positive effect of noninvasive brain

stimulation on cognition in Alzheimer’s disease. The figure represents the forest plot of effect sizes for cognitive outcomes from

20 studies in Alzheimer’s disease. Squares denote individual effect sizes (95% CI), the diamond represents the pooled effect

size.

- 4,50 4,50- 2,25 0 2,25

Risultati della stimolazione non-invasiva

Modificato da Pievani et al, 2016

References Stimulation

toolStimulation target

Reported cognitive

outcomeDetails on cognitive outcome

Ahmed et al, 2012 rTMS DLPFC Global cognition Mini mental state examination

Boggio et al, 2009 tDCS DLPFC & temporal Memory Visual recognition test

Boggio et al, 2012 tDCS Temporal Memory Visual recognition test

Cotelli et al, 2008 rTMS DLPFC Language Picture naming test

Cotelli et al, 2011 rTMS DLPFC Language Auditory comprehension test

Eliasova et al, 2014 rTMS IFG Attention Trail making test

Ferrucci et al, 2008 tDCS Temporo-parietal Memory Ward recognition test

Khedr et al, 2014 tDCS DLPFC Global cognition Mini mental state examination

Meinzer et al, 2015 tDCS IFG Language Semantic word retrieval test

Table 1. Example of the variability between non invasive brain stimulation studies in Alzheimer’s disease

DLPFC, dorsolateral prefrontal cortex; IFG, inferior frontal gyrus; rTMS, repetitive transcranial magnetic stimulation; tDCS, transcranial direct current stimulation

Risultati della stimolazione non-invasiva

stimolazione trans-cranica (tDCS)

Trattamento con tDCS di pazienti con MCI e

valutazione mediante somministrazione di test

neuropsicologici specifici degli effetti a breve

e lungo termine sulle prestazioni cognitive

Reclutati 34 soggetti con disturbo cognitivo lieve (MCI).

Effettuata una batteria di tests neuropsicologici (MMSE, Parole di Rey, Barrage, memoria visiva immediata, anologie semplici, copia di disegni, fluenza verbale, test di Stroop, Beck) prima di iniziare le sedute di tDCS (T0) e dopo l’ultima stimolazione (T1).

Target di stimolazione area della corteccia prefrontale dorsolaterale di sinistra, con elettrodo di riferimento posizionato sul muscolo deltoide di destra (stimolazione monopolare).

La sedute di stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) sono state effettuate nel corso di 20 giorni (5 a settimana), in doppio cieco.

Il campione è stato diviso in due gruppi: un gruppo di 17 soggetti (età media di 71.5 aa, scolarità 10.4 aa) è stato sottoposto ad una stimolazione anodica, 2 mA per 20 minuti, l’altro (69.7 aa e scolarità 11.5 aa) è stato sottoposto a stimolazione sham, 2 mA per 30 sec, poi 0 mA per 20 minuti.

Compared to their baseline results, patients belonging to the anodal group showed at follow-up significantly better performances in Brief

Mental Deterioration Battery (p < 0.0001), Rey’s 15 Words-immediate recall (p<0.001), figure naming (p < 0.01) and Beck Depression

Inventory (p < 0.01) (significant interaction between time, pre-post, and intervention in the repeated measures ANOVA). Number under

columns express mean results (rounded to first decimal). SD= standard deviation.

stimolazione trans-cranica (tDCS)

0

0,5

1

1,5

2

tDCS Sham

BaselineAfter stimulationp<0.0001

0

10

20

30

40

tDCS Sham

BaselineAfter stimulationp<0.001

Bri

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0

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tDCS Sham

BaselineAfter stimulationp<0.01

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0

2

4

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10

12

tDCS Sham

BaselineAfter stimulationp<0.01

BE

CK

Non-Invasive Brain Stimulation (NIBS) – tDCS

Cognitive rehabilitation and transcranial direct current

stimulation in a patient with Posterior Cortical Atrophy: an fMRI

study.

Gramegna LL et al. American Journal of Case Reports 2018 in press

• per aumentare le conoscenze sui meccanismi

patogenetici che sottendono le malattie

neurodegenerative e sui network neuronali

primariamente coinvolti.

• per comprendere i meccanismi d’azione della

NIBS

• per stabilire i paradigmi di stimolazione e la

scelta dei target di stimolazione

• per monitorare l’efficacia del trattamento NIBS

Applicazione combinata NIBS e fMRI

Approccio multitasking:

• tDCS

• Riabilitazione neurocognitiva

• Farmaci

• fMRI

Episodic Verbal Memory Anodal Baseline Sham Baseline Anodal Follow-up Sham Follow-up

Rey’s 15 Words: immediate recall (cut-off:

<28.53)25,8 (SD 8,4) 27,5 (SD 10,6) 33,8 (SD 13,7) p< 0,001 28,9 (SD 11,2)

Rey’s 15 Words: delayed recall (cut-off:<4.69) 3,5 (SD 3,5) 3 (SD 2,7) 5,6 (SD 5) 3,8 (SD 3,1)

Episodic Visual Memory Anodal Baseline Sham Baseline Anodal Follow-up Sham Follow-up

Immediate Visual Memory

(range: 0–22; cut-off: <13.85) 17,58 (SD 3) 16,44 (SD 4,8) 19,41 (SD 2,2) 16,82 (SD 4,2)

Attention Anodal Baseline Sham Baseline Anodal Follow-up Sham Follow-up

Barrage Test Time (cut-off: ≥90) 65,8 (SD 37,6) 62,6 (SD 41,9) 50,9 (SD 21,9) 74,6 (SD 55,7)

Barrage Test Score (cut-off: ≤9) 10,7 (SD 2,2) 9,47 (SD 3,2) 9,9 (SD 1,9) 9,6 (SD 2,9)

Barrage Test Errors (cut-off: ≥2) 0,8 (SD 1,8) 2,5 (SD 3,3) 0,6 (SD 2,4) 1,8 (SD 2,6)

Barrage Test result (cut-off: >2.5) 1 (SD 2,4) 3,2 (SD 4,3) 0,5 (SD 2,6) 2,8 (SD 4,2)

Constructional Praxis Anodal Baseline Sham Baseline Anodal Follow-up Sham Follow-up

Rey-Osterrieth Complex Figure Test: direct copy

(range: 0–36; cut-off: <28)10 (SD 2,1) 10 (SD 2,6) 10,5 (SD 1,7) 10,2 (SD 2,4)

Executive Functions Anodal Baseline Sham Baseline Anodal Follow-up Sham Follow-up

Analogies (cut-off: <15.1) 14,8 (SD 3,9) 13,1 (SD 6) 16,4 (SD 3,1) 13,4 (SD 5,3)

Stroop Test Time (cut-off: >27.5) § 33,1 (SD 22) 41,9 (SD 30,8) 32,2 (SD 19,6) 37,4 (SD 36,8)

Stroop Test Errors (cut-off: >7.5) § 3,5 (SD 8,9) 5,2 (SD 9,2) 1,2 (SD 2,8) 7,4 (SD 12,8)

Language Anodal Baseline Sham Baseline Anodal Follow-up Sham Follow-up

Verbal Fluency: phonemic (cut-off: <17.35)° 25,3 (SD 10,1) 20,3 (SD 9,8) 28,6 (SD 11) 20,3 (SD 10,9)

Verbal Fluency: semantic (cut-off: <25) * 29,2 (SD 10,6) 23,6 (SD 12,3) 34,2 (SD 12,7) 23,4 (SD 13)

Verbal Naming (cut-off< 15) 12,8 (SD 3,3) 12,1 (SD 3,6) 13,1 (SD 3,3) 12 (SD 3,5)

Figure Naming 60,7 (SD 14,5) 61,5 ( SD 16,8) 64,8 (SD 11,13) p< 0,01 60,3 (SD 16,5)

Social cognition Anodal Baseline Sham Baseline Anodal Follow-up Sham Follow-up

State Anxiety Inventory (cut-off: >50 points) 38,9 (SD 8,9) 38,6 (SD 6,7) 39 (SD 6,2) 41,5 (SD 7,1)

Trait Anxiety Inventory (cut-off: >50 points) 41,1 (SD 10,2) 42,5 (SD 9,3) 41 (SD 9) 39 (SD 6,2)

Beck Depression Inventory (cut-off: >9) 11,5 (SD 8,8) 6,5 (SD 5,6) 6,7 (SD 6,8) p< 0,01 7,4 (SD 5)

Mean results of Neuropsychological

evaluation at baseline and follow-up

(rounded to first decimal) in Anodal

and Sham group.

The two groups did not differ in

baseline neuropsychological

evaluation.Compared to their baseline

results, patients belonging to the

anodal group showed at follow-up

significantly better performances in

Brief Mental Deterioration Battery (p

< 0.0001), Rey’s 15 Words-

immediate recall (p<0.001), figure

naming (p < 0.01) and Beck

Depression Inventory (p < 0.01)

(significant interaction between time,

pre-post, and intervention in the

repeated measures ANOVA).

Furthermore, MMSE, Immediate

Visual Memory, Barrage test (time

employed to perform), Rey’s 15

Words-delayed recall showed a clear

trend of improvement in the tDCS

group (uncorrected p = 0.02, p = 0.02,

p = 0.03 and p = 0.03 respectively),

but non surviving after false discovery

rate correction. SD= Standard

Deviation.

*Semantic Fluency and Figure naming tests relates also with Semantic Memory; ° Phonemic fluency test relates also with Executive Functions.; § Stroop test depends also on

Selective Attention.

Risultati test Neuropsicologici