Fulmine a ciel sereno: gli effetti a catena di un evento epilettico

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Oggi cerchiamo di spiegare un importante studio pubblicato su Nature Scientific Reports dai ricercatori del NEST (Istituto di Nanoscienze del CNR e della Scuola Normale Superiore) Luigi Petrucco, Enrico Pracucci, Marco Brondi, Gian Michele Ratto e Silvia Landi. L’articolo analizza le conseguenze di una attività epilettica “focale” indotta farmacologicamente nei topi in una regione ristretta e precisa del cervello (la corteccia visiva), andando poi a studiare come l’attività anomala di un emisfero influenzi anche l’emisfero non direttamente interessato. Con risultati sorprendenti. 

L’attività epilettiforme nel cervello viene rilevata tramite elettroencefalogramma (EEG) dalla presenza di “picchi interittali ipersincroni” (ISs), ossia attività anomale che interessano contemporaneamente grandi raggruppamenti di neuroni. Questi attacchi possono essere associati a traumi come ictus ma possono comparire anche in cervelli apparentemente sani. Dato che in un processo epilettico una parte del cervello viene dirottata nell’attività patologica, questo può causare problemi “computazionali” come cali delle capacità cognitive, impossibilità a guidare, deficit di concentrazione e apprendimento nei bambini che ne sono affetti sin da piccoli. E’ come se una parte della capacità di calcolo del nostro computer di casa venisse dirotatta da un virus: ne risentirebbero le prestazioni complessive della macchina.

Molti studi analizzano l’impatto dei picchi epilettici sull’area di cervello dove questi avvengono, tuttavia gli effetti possono essere più subdoli ed estendersi anche a zone non direttamente interessate, aspetto questo approfondito nello studio dei ricercatori del NEST.

Una sostanza, la bicocullina, nota per produrre picchi epilettici del tutto simili a quelli dei cervelli affetti da patologie, viene applicata con precisione su una porzione di cervello dei topi, e l’attività conseguente viene analizzata in tempo reale tramite elettroencefalogramma.

• In un primo esperimento si analizza l’attività nei due emisferi del cervello di topi anestetizzati e quindi in uno stato molto vicino a quello del sonno, durante il quale il cervello assume un comportamento oscillatorio ben noto caratterizzato da stati UP e DOWN. Per capire meglio andiamo a vedere le tracce di un topo sano mentre dorme (Figura 1).

Figura 1

Si nota dal grafico (a) che i due emisferi sono sincronizzati quasi perfettamente, i cosiddetti stati “UP” indicati dalle barrette nere e grigie e caratterizzati da una flessione negativa del potenziale di circa 0.8 mV (milliVolt), avvengono con una quasi perfetta sincronia. Il grafico (c) riporta il ritardo in secondi tra le fasi UP dei due emisferi, come è evidente la distribuzione ha un forte picco sullo zero, ossia zero secondi, zero ritardo, perfetta sincronia. Questo avviene per un topo sano.

Andiamo a vedere cosa succede nel topo “malato” (in realtà sano, ma che simula un comportamento malato grazie alla bicocullina applicata) nella figura due.

Figura 2

Lo scenario è molto diverso! L’emisfero due presenta i picchi epilettici indotti, più bruschi e con un calo di potenziale più marcato rispetto al caso sano. Ma è ovvio che ciò che accade nell’emisfero due si ripercuote pesantemente anche sull’emisfero uno. Si può notare da uno studio accurato dei tempi che quando l’emisfero uno inizia una fase UP questo provoca il repentino sbalzo di potenziale nell’emisfero due. A sua volta questo ha un feedback sull’emisfero uno, che interrompe rapidamente lo stato UP per poi riprenderlo, come si vede chiaramente nel grafico (b) della figura due.

In generale, studiando la frequenza e la durata degli stati UP nell’emisfero uno, fuori dal “fuoco” degli eventi epilettici, si vede che la prima aumenta e la seconda diminuisce. Stati UP più brevi e frequenti quindi. Un aspetto molto importante dato che la fase oscillatoria durante il sonno è fondamentale per il consolidamento della memoria e una sua alterazione può portare a deficit cognitivi permanenti.

• Un secondo esperimento analizza come il topo sveglio, sempre con attacchi epilettici indotti, reagisce a stimoli visivi, in particolare all’inversione periodica di una scacchiera (vedi figura 3).

Figura 3

I risultati sono sorprendenti. Nel grafico (b) vediamo come lo stimolo visivo (che avviene al tempo zero dell’asse X) viene riconosciuto dal topo, provocando una attività nella corteccia visiva del cervello che viene rappresentata in colore blu. La linea tratteggiata indica il momento in cui avviene un picco epilettico nell’emisfero due.

Cosa succede? Ci sono tre effetti diversi a seconda del timing tra picco epilettico e stimolo visivo.

  1. Nella parte superiore del grafico (b) vediamo che la linea tratteggiata si trova prima dello stimolo visivo. Si nota anche che la conseguenza di questo è che lo stimolo viene amplificato, dato che il colore blu è nettamente più intenso.
  2. Verso il centro del grafico (b) partendo dall’alto vediamo che la linea tratteggiata “entra” nella zona blu, ossia il picco epilettico avviene proprio quando dovrebbe registrarsi lo stimolo. L’effetto è che l’area blu quasi scompare, ossia il topo non è praticamente in grado di riconoscere l’inversione della scacchiera, è come cieco!
  3. Qui invece la fase epilettica avviene dopo lo stimolo, e non ci sono grandi cambiamenti.

Il tutto è riassunto nel grafico (c): per circa il 35% del tempo il topo, a causa degli eventi epilettici, ha una visione deformata di ciò che gli avviene attorno, per il 20% del tempo lo stimolo viene amplificato, mentre per il 15% del tempo viene quasi del tutto soppresso!

Lo studio conclude quindi che eventi epilettici indotti in un emisfero possono: (i) frammentare lo stato oscillatorio del cervello durante il sonno; (ii) interferire con le computazioni della corteccia cerebrale introducendo grosse deviazioni allo stimolo visivo, addirittura una quasi cecità per il 15% del tempo nel caso dei topi studiati.

Autore: Marcos Valdes

Author: Marcos Valdes

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