Le oscillazioni cerebrali e il dolore: onde alpha come possibile biomarcatore per il dolore cronico

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Tesi di laurea di Irene Sanità Gigante

Laurea magistrale in Neuroscienze Cognitive e Affettive
Università di Bologna, A.A. 2018/2019

Abstract

L’identificazione di marker neurobiologici per il dolore è importante per comprendere come il dolore sia processato nel cervello e di conseguenza per lo sviluppo di trattamenti specifici ed efficaci. A questo scopo la ricerca  si  sta occupando di investigare le relazioni tra le oscillazioni cerebrali e il dolore. In particolare studi recenti hanno evidenziato un’ associazione tra un rallentamento della frequenza alfa (PAF, Peak Alpha Frequency) e il dolore  prolungato, assimilabile al dolore cronico (Furman et al. 2018)^[1]. Mentre altri studi hanno evidenziato un aumento di frequenza nella banda alfa in associazione a stimolazioni dolorose acute e una correlazione positiva tra PAF prima e durante la stimolazione e l’intensità di dolore (Nir et al. 2010)^[2]. Al fine di indagare la controversa relazione tra le variazioni di PAF, l’intensità di dolore e la stimolazione dolorosa prolungata, 36 partecipanti sani sono stati sottoposti a un modello di dolore tonico termico (HIT, hot water immersion test). Durante la procedura i partecipanti valutavano la sensazione di spiacevolezza provocata dallo stimolo doloroso, da uno stimolo “innocuo” (acqua tiepida) e da uno  stimolo sonoro spiacevole. Durante tutta la durata della procedura sono stati registrati i segnali EEG tramite una cuffia a 64 canali, focalizzando l’indagine delle onde sulle aree parietali e occipitali. I risultati ottenuti mostrano un rallentamento nella baseline registrata ad occhi chiusi per la banda alfa completa (7 – 13 Hz) e un rallentamento nella condizione di dolore tonico nella banda ristretta (8 -10 Hz). Inoltre, sono emerse delle relazioni significative tra la condizione  con la stimolazione uditiva spiacevole e alcuni fattori psicofisici misurati mediante questionario. In conclusione, evidenziamo la multifattorialità della relazione tra onde alfa e dolore e riteniamo che sia necessario  continuare la ricerca in merito alla specificità e alle caratteristiche di questa relazione.

Introduzione

Il presente lavoro si occupa di investigare i meccanismi oscillatori alla base del passaggio dall’esperienza di dolore fasico a quella di dolore tonico, quest’ultimo è associato per caratteristiche comuni al dolore cronico. Essendo il  dolore cronico un problema che affligge milioni di persone nel mondo e avendo un impatto anche sulla loro  vita emotiva, sociale e lavorativa, il  macro-scopo  alla base della ricerca in questione è quello di identificare un bio-marker cerebrale che possa essere interpretato come una  predisposizione  dell’ individuo  specifico  di sviluppare dolore cronico.

Dalla ricerca svolta nell’ ambito della sensibilità dolorifica, emerge che le oscillazioni di frequenza alfa potrebbero rappresentare un potenziale bio-marker clinico per i l dolore prolungato. In particolare, sembra  che  il  Peak Alpha Frequency (PAF) subisca un rallentamento nei pazienti con dolore cronico (Furman et al. 2018)^[1].

Nello studio che verrà qui presentato, tra le varie ipotesi che saranno esposte in seguito, testiamo appunto quella di una riduzione della  frequenza  alfa  in condizioni di dolore prolungato rispetto a condizioni che non prevedono stimolazione dolorosa tonica.

Prima di entrare nel merito della procedura sperimentale e dell’ analisi dei dati ottenuti, sarà  esposta un’introduzione teorica sui meccanismi alla base del dolore e sul collegamento che essi hanno con le oscillazioni neurali.

Le evidenze sperimentali su alfa, emerse nel corso degli anni, hanno contribuito a costruire una visione multi-sfaccettata che supera  l’iniziale  proposta  di una semplice associazione di alfa al silenzio corticale (Pfurtscheller et al. 1996)^[3]. La frequenza alfa svolgerebbe funzioni diverse. per esempio, la sincronizzazione di questo ritmo sarebbe associato a un’inibizione  attiva  per ignorare stimoli sensoriali irrilevanti mentre la sia de sincronizzazione o soppressione sarebbe associata a un aumento di eccitabilità corticale  e alla facilitazione nel processamento di stimoli sensoriali (Foxe e Snyder 2011; Klimesch et al. 2007)^[4;5]. Un’altra funzione di questo ritmo sarebbe quella di “gating” tra regioni cerebrali per ottimizzare l’integrazione di informazioni (Fries 2015)^[6]. Infine, recenti studi conferiscono alle oscillazioni alfa  un  ruolo  cruciale  nella  risoluzione  temporale del processamento di stimoli sensoriali (Cecere et al. 2015)^[7].

Se la banda alfa svolge diverse funzioni dal controllo attenzionale e al processamento di stimoli sensoriali , l’esperienza del dolore non è di certo meno multidimensionale. Si compone infatti di elementi sensoriali-valutativi, affettivi, motivazionali e cognitivi (Watson e Breedlove 2012)^[8] e ognuna  di queste dimensioni implica gradualità a livello esperienziale e di conseguenza è estremamente soggettiva.

Osservare e valutare il  comportamento delle onde  alfa in  relazione all’ esperienza di dolore ha significato studiare le interazioni dinamiche tra due fenomeni che già presi da soli sono di difficile oggettivazione.

Nel presente lavoro saranno esposti a livello teorico quali sono le caratteristiche di nocicezione e dolore, sia nelle loro  componenti  misurabili di processamento che nelle interazioni contestuali, tra cui il rapporto tra dolore e attenzione (top -down e bottom up) che influenza grandemente l’ esperienza.

Mirando i l nostro studio a investigare il comportamento di una specifica banda di oscillazioni in uno specifico tipo di dolore (quello cronico), nella sezione teorica verranno esposti anche concetti relativi ai diversi tipi di dolore e alla loro differenziazione, nonché alle varie oscillazioni  cerebrali e siti  cerebrali implicati nel processamento del dolore. Dopo aver accennato alla relazione evidenziata in letteratura tra onde alfa e dolore prolungato, verrà esposta la  nostra indagine in merito a questa relazione. Partendo da un’ ipotesi di rallentamento di PAF  in condizioni di dolore tonico e includendo un’ analisi esplorativa dei fattori psicofisici e di personalità, abbiamo utilizzato un modello di dolore termico (HIT – hot water immersion test) in un disegno sperimentale applicato su 36 soggetti sani. I risultati ottenuti, sebbene non completamente in linea con le nostre ipotesi hanno evidenziato numerosi aspetti da approfondire sulla relazione tra onde alfa e dolore tonico, ma più in generale sulla differenza tra stimolazioni dolorose, stimolazioni spiacevoli non dolorose e sull’ impatto che questa differenza può avere nella modulazione dell’ esperienza di dolore.

Bibliografia

• [1] Furman, A. J., Meeker, T. J., Rietschel, J. C., Yoo, S., Muthulingam, J., Prokhorenko, M., … & Seminowicz, D. A. (2018). Cerebral peak alpha frequency predicts individual differences in pain sensitivity. NeuroImage, 167, 203-210.
• [2] Nir, R., Sinai, A., Raz, E., Sprecher, E., Yamitsky, D. ( 2010). Pain assessment by continuous EEG: Association between subjective perception of tonic pain and peak frequency of alpha oscillations during stimulation and at rest. Brain Research , 1344, 77 –86.
• [3] Pfurtcheller G., Stancak A., Neuper C. (1996). E vent relate synchronization ( ers) in the alpha band- an electrophysiological correlate of cortica l idling: a review. Int. J. Psychophysiol ., 24, pp.39 – 45.
• [4] Foxe J.J., Snyder A. C. (2011). The role  of alpha-band brain  oscillations as sensory suppression mechanism during selective attention. Front. Psychol.
• [5] Klimesch, W., Sauseng, P., & Hanslmayr, S. (2007). EEG alpha oscillations: the inhibition–timing hypothesis. Brain research reviews, 53(1), 63-88.
• [6] Fries P. (2015 ). Rhythms for cognition: communication through coherence. Neuron , 88, pp.220 -235.
• [7] Cecere R., Rees G., Romei V. (2015), Individual differences in alpha frequency drive cross modal i llusory perception. Curr Biol : CB,  25 (2) pp. 231 -235
• [8] Watson N.V. & Breedlove S.M., Il cervello  e la mente:  le basi biologiche del  comportamento,  Bologna,  Zanichelli,  1°  ed.  italiana 2014 .