From Alzheimer’s neurophysiological biomarkers to novel non-invasive brain stimulation protocol for memory enhancement

Questa tesi di dottorato indaga nuovi biomarcatori neurofisiologici della malattia di Alzheimer (AD) volti ad aiutare nel processo di diagnosi e stadiazione ma anche a dare indicazioni per l’implementazione e la valutazione di protocolli di stimolazione non invasiva del cervello mirati al potenziamento cognitivo. Dopo una breve introduzione teorica volta a fornire nozioni fondamentali riguardanti la malattia di Alzheimer, le tecniche di stimolazione non invasiva del cervello, e la combinazione della stimolazione magnetica transcranica con l’elettroencefalogramma (TMS-EEG) (Capitolo I), la tesi passa allo studio dei biomarcatori neurofisiologici dell'AD (Capitolo II). Partendo dal presupposto di un'associazione tra disfunzione sinaptica e disturbo dell'attività neuronale ad alta frequenza e di uno squilibrio di eccitazione/inibizione neuronale come potenziale caratteristica dell'AD, il Capitolo II esplora l'attività oscillatoria corticale (studio 1) e l'eccitabilità (studio 2) tramite TMS-EEG in un campione di 60 pazienti con AD da lieve a moderato rispetto a volontari sani. I pazienti con AD mostrano una riduzione significativa dell'attività gamma frontale in grado di predirre il declino cognitivo a 24 settimane di follow-up e un’ipereccitabilità del precuneo (PC), associata ai livelli di Aβ nel liquido corticospinale e al livello di deterioramento cognitivo. Alla luce di questi risultati, la tesi esplora il potenziale terapeutico per l'AD di un protocollo TMS ripetitivo (rTMS) a 20 Hz sul PC, attraverso uno studio di fase 2 randomizzato, in doppio cieco, controllato con un protocollo fittizio, condotto su 50 pazienti con AD da lieve a moderata (Capitolo III, studio 3). Il trattamento consisteva in una fase intensiva di 2 settimane di rTMS giornaliera (o reale o fittizia), seguita da una fase di mantenimento di 22 settimane in cui il protocollo rTMS veniva somministrato una volta alla settimana. Il trattamento reale ha prodotto una stabilizzazione cognitiva e comportamentale associata ad un miglioramento delle oscillazioni gamma del PC e ad un'eccitabilità corticale precuneus invariata, che invece era ridotta nel gruppo con il protocollo fittizio. Al fine di produrre ulteriori effetti benefici in termini di potenziamento cognitivo e meccanismi di plasticità, il Capitolo IV propone una nuova modalità di stimolazione che combina la stimolazione intermittente theta burst (iTBS), nota per indurre plasticità corticale, e la stimolazione transcranica a corrente alternata somministrata in frequenza gamma (γtACS), tipicamente associata ai processi di memoria e al potenziamento a lungo termine. Nello specifico, lo studio 4 mostra, tramite TMS-EEG su un campione di 13 volontari sani, che l'iTBS combinata con γtACS sulla corteccia dorsolaterale prefrontale ne determina un aumento della potenza gamma. Allo stesso tempo, la combinazione di iTBS+γtACS erogata sul PC studiata nello studio 5 ha prodotto un aumento significativo delle prestazioni di memoria a lungo termine fino a una settimana dalla stimolazione accompagnato da una maggiore oscillazione gamma sul PC ed a una maggiore connettività funzionale tra PC e ippocampo. Nel loro insieme, questi risultati mostrano che il TMS-EEG è uno strumento sensibile, in grado di rilevare biomarcatori neurofisiologi informativi per la diagnosi e la stadiazione dell'AD, nonché per l'implementazione e la valutazione di terapie di stimolazione cerebrale non invasiva. I risultati del protocollo rTMS implementato sui pazienti con AD hanno infatti prodotto risultati clinici incoraggianti in linea con i marcatori neurofisiologici proposti. Allo stesso tempo, la stimolazione magnetica ed elettrica transcranica combinata si è dimostrata un nuovo potente approccio in grado di migliorare le funzioni cognitive e la connettività, nonché di aumentare l’attività oscillatoria gamma e l’attività del PC, essendo una sede promettente per il trattamento dell’AD.

This doctoral thesis explores novel neurophysiological Alzheimer’s disease (AD) biomarkers able to help in the diagnosis and staging process but also in laying the groundwork for implementing and evaluating non-invasive brain stimulation strategies pointing at cognitive enhancement. After a brief theoretical introduction providing the reader with a fundamental understanding of AD, non-invasive brain stimulation (NIBS) techniques, and the combination of transcranial magnetic stimulation (TMS) with electroencephalography (EEG) (Chapter I), the thesis moves to the study of AD neurophysiological biomarkers (Chapter II). Starting from the assumption of an association of synaptic dysfunction with high-frequency neuronal activity disorder and neuronal excitation/inhibition imbalance as a potential feature of AD, Chapter II explores cortical oscillatory activity (study 1) and excitability (study 2) through TMS-EEG in a sample of 60 mild-to-moderate AD patients compared to healthy volunteers. AD patients showed a significant reduction of frontal gamma activity, which predicted a more pronounced cognitive decline at subsequent follow-up evaluation at 24 weeks, and precuneus (PC) hyperexcitability, which was associated with corticospinal fluid levels of Aβ42 with the level of cognitive impairment. Given these results, the thesis then explores the therapeutic potential of a 20Hz repetitive TMS (rTMS) protocol over the PC for AD, through a randomized, double-blind, sham-controlled, phase 2 involving 50 mild-to-moderate AD patients (Chapter III, study 3). The treatment consisted of an intensive 2-week of daily rTMS (or sham), followed by a 22-week maintenance phase where the rTMS protocol was administered once a week. The rTMS protocol resulted in cognitive and behavioral stabilization associated with an enhancement of PC gamma oscillations and an unchanged precuneus cortical excitability, which instead was reduced in the sham group. To further produce beneficial effects in terms of cognitive enhancement and plasticity mechanisms Chapter IV proposes a novel NIBS protocol combining an rTMS protocol known to induce LTP-like cortical plasticity, named intermittent theta burst stimulation (iTBS), and transcranial alternating current stimulation administrated in the gamma frequency (γtACS), which has been associated with long-term potentiation and memory processes. Specifically, study 4 investigates the neurophysiological effects of the combined stimulation over DLPFC using TMS-EEG on a sample of 13 healthy volunteers finding that simultaneous iTBS with γtACS results in an enhancement of DLPFC gamma power. Along the same lines, study 5 tests the combination of iTBS+γtACS over the PC using a multimodal approach involving memory tasks, TMS-EEG, and MRI. The combined stimulation produced a significant increase in long-term memory performance which persisted up to one week from the stimulation as compared to iTBS alone or sham. Memory improvement was paralleled by increased gamma oscillation over the PC alongside heightened PC-hippocampus functional connectivity. Taken together, these results pointed at TMS-EEG as a sensitive tool able to detect AD neurophysiological signatures informative for disease diagnosis and staging, as well as for the assessment and implementation of non-invasive brain stimulation therapies. Indeed, the results of the rTMS protocol implemented over AD patients resulted in encouraging clinical outcomes in line with the neurophysiological markers proposed. At the same time, the combined transcranial magnetic and electrical stimulation demonstrated to be a new powerful approach able to enhance cognitive functions and connectivity, as well as increase gamma oscillatory activity and precuneus activity, being a promising venue for AD treatment.