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I ricercatori della Carnegie Mellon ripensano il dolore cronico
Negli Stati Uniti, quasi un adulto su quattro convive con il dolore cronico.
Gli oppioidi come la morfina aiutano riducendo la percezione del dolore da parte del cervello, ma comportano rischi ed effetti collaterali che i ricercatori non comprendono ancora appieno. Attraverso le neuroscienze, l'ingegneria biomedica e l'intelligenza artificiale, i ricercatori del Neuroscience Institute della Carnegie Mellon University stanno esplorando come il dolore viene misurato, compreso e trattato per supportare cure più sicure ed efficaci.
Comprendere il comportamento legato al dolore potrebbe sbloccare nuove terapie.
Per decenni, il modo in cui i ricercatori hanno misurato il dolore in laboratorio non è cambiato: in pratica, pungono un soggetto con un oggetto smussato o uno spillo e osservano se sussulta, secondo Eric Yttri, professore associato di scienze biologiche.
Ma non è così che il dolore viene percepito nel mondo reale.
"È artificiale", ha affermato Yttri. «Le persone con mal di schiena cronico o disfunzioni nervose non passano le giornate a farsi pungere con gli aghi. Cercano di vivere. Camminano in modo diverso, si massaggiano una spalla dolorante, evitano le scale, si muovono più lentamente. È lì che si racconta la vera storia del dolore. Non è un riflesso, ma i movimenti della vita quotidiana.»
Yttri, esperto di comportamento, ha fatto parte di un team che ha studiato metodi migliori per trattare il dolore. Guidato da Gregory Corder presso la Perelman School of Medicine dell'Università della Pennsylvania, il team ha identificato la specifica area del cervello responsabile della percezione del dolore. Ha quindi sviluppato una terapia genica che potrebbe essere utilizzata in futuro per porre fine a questa sofferenza senza ricorrere ad antidolorifici che creano dipendenza come gli oppioidi. Questi risultati rivoluzionari sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nature.
Utilizzando la terapia genica per colpire una specifica popolazione di neuroni sensibili agli oppioidi, i ricercatori sono stati in grado di attivare il sistema antidolorifico naturale del cervello senza i rischi associati ai farmaci. Ma per dimostrare che la terapia funzionava davvero, non bastava una risposta riflessa. Era necessario capire se modificasse il modo in cui i soggetti si muovevano e si comportavano. Ed è qui che è entrato in gioco il team di Yttri.
Yttri e il dottorando Alex Hsu hanno fornito un quadro di riferimento e una serie di strumenti che hanno dato ai ricercatori un linguaggio condiviso e completo per descrivere i movimenti correlati al dolore. I loro metodi hanno dimostrato che, sebbene i soggetti potessero ancora percepire il tatto e la pressione, i comportamenti legati al disagio o all'evitamento erano significativamente ridotti.
Il team ha utilizzato A-SOiD e B-SOiD, algoritmi di intelligenza artificiale open-source sviluppati nel laboratorio di Yttri che categorizza autonomamente il comportamento. Analizzando il movimento in questo modo e creando una libreria comportamentale specifica per il dolore chiamata LUPE (Light aUtomated Pain Evaluator), i ricercatori hanno potuto determinare se un trattamento alleviasse realmente il dolore, e non si limitasse ad attenuarne la sensazione.
Per le persone che convivono con il dolore cronico, ha affermato Yttri, il sollievo non è un semplice interruttore on-off. Esiste un terzo stato in cui il dolore è presente ma non più insopportabile. Gli algoritmi hanno aiutato i ricercatori a identificarlo. Sopprimere i neuroni responsabili del dolore ha fornito sollievo in laboratorio, ha affermato Yttri.
"Stiamo trattando l'esperienza emotiva del dolore", ha detto. "Si continua a sentire il tatto, la pressione, la realtà della lesione. Ma l'agonia che impedisce di lavorare o vivere: ecco cosa miriamo a eliminare".
Mettere a fuoco il dolore nella drepanocitosi
Il dolore è un compagno costante e complesso che i medici spesso faticano a comprendere e misurare per le persone che vivono con la drepanocitosi. Le scale del dolore tradizionali riducono questa esperienza profondamente personale a un singolo numero che è spesso impreciso.
Uno studio condotto dal Wood Neuro Research Group della Carnegie Mellon University adotta un approccio più incentrato sulla persona, utilizzando tecniche avanzate di neuroimaging e uno strumento di visualizzazione digitale per far luce su come il dolore viene elaborato nel cervello, con l'obiettivo di colmare il divario nell'interpretazione del dolore tra pazienti e medici.
"I questionari tradizionali si limitano a sfiorare la superficie", ha spiegato Joel Disu, primo autore dell'articolo pubblicato sul Journal of Pain e dottorando in ingegneria biomedica. “Non riescono a cogliere la complessità o l'esperienza interiore del dolore causato dall'anemia falciforme. Volevamo capire cosa succede nel cervello quando le persone descrivono il loro dolore in un modo che sia più fedele a come lo percepiscono realmente.”
Il team ha esplorato come Painimation, una nuova app sviluppata dal collaboratore della Emory University, il Dr. Charles Jonassaint, potesse aiutare a decodificare le impronte neurali del dolore negli adulti affetti da anemia falciforme. Invece di valutare il dolore su una scala da 1 a 10, i partecipanti utilizzano animazioni visive per descrivere la sensazione del loro dolore, ad esempio pulsazioni, fitte, crampi o lancinanti.
Utilizzando dati di risonanza magnetica ad altissima risoluzione, i ricercatori hanno confrontato i modelli di connettività cerebrale tra 27 pazienti affetti da anemia falciforme e 30 partecipanti sani e senza dolore. Si sono concentrati su tre reti cerebrali chiave legate alla percezione del dolore: la rete di default, la rete di salienza e la rete somatosensoriale. I loro risultati hanno mostrato che i pazienti affetti da anemia falciforme presentavano una connettività significativamente ridotta in tutte e tre le reti, in particolare nelle regioni coinvolte nelle emozioni, nell'attenzione e nella percezione sensoriale.
Quando il team ha collegato questi risultati di imaging alle selezioni di Painimation dei partecipanti, è emerso uno schema sorprendente. Descrittori del dolore come crampi e fitte erano fortemente correlati a cambiamenti nella rete somatosensoriale, l'area responsabile dell'elaborazione delle sensazioni fisiche come il tatto e la pressione. Inoltre, i pazienti che hanno valutato queste sensazioni come più intense hanno mostrato un'alterazione ancora maggiore in quelle regioni cerebrali.
"Questo ci fornisce un passo fondamentale verso lo sviluppo di biomarcatori oggettivi del dolore", ha spiegato Disu. "Possiamo iniziare a vedere, in tempo reale, come la qualità e l'intensità del dolore si mappano sul cervello".
Oltre alla sua novità scientifica, lo studio affronta una lacuna critica nella comunicazione sanitaria. Il dolore nella drepanocitosi è spesso frainteso, il che porta a una sfiducia tra pazienti e operatori sanitari. Molti pazienti riferiscono di gestire le loro crisi dolorose a casa, perché temono di essere ignorati, di essere gravati da spese sanitarie eccessive o di essere etichettati come persone in cerca di farmaci quando si rivolgono al medico.
"Il nostro lavoro aiuta a visualizzare ciò che è stato a lungo invisibile o ignorato", ha osservato Sossena Wood, assistente professore di ingegneria biomedica alla Carnegie Mellon. “Questa ricerca convalida le esperienze dei pazienti con prove neuroscientifiche. Dimostra che il dolore che provano è reale, misurabile e radicato nella funzione cerebrale dei recettori del dolore vitali.”
Le implicazioni vanno oltre i laboratori di ricerca e si traducono in uno strumento digitale accessibile che può essere utilizzato a casa del paziente. Painimation è già in fase di adozione da parte di diverse comunità di pazienti affetti da anemia falciforme in tutto il paese, aiutando i medici a interpretare meglio l'esperienza del dolore. Il team di Wood spera di approfondire questi risultati esplorando come strumenti come la realtà virtuale e i sensori indossabili potrebbero un giorno contribuire a modulare la percezione del dolore o addirittura a ridurlo attraverso la stimolazione cerebrale mirata.
Colpire il dolore alla sua origine
Mentre alcuni ricercatori della Carnegie Mellon University si concentrano sulla misurazione e sull'interpretazione più accurate del dolore, altri lavorano per fermare il dolore cronico a livello del sistema nervoso stesso. Andreas Pfenning, professore associato di biologia computazionale, sta utilizzando l'intelligenza artificiale per progettare terapie geniche che colpiscano con precisione le cellule responsabili del dolore cronico, senza interferire con le altre sensazioni essenziali del corpo.
Gran parte del lavoro di Pfenning si concentra sul midollo spinale, un nodo complesso e delicato in cui convergono numerosi segnali diversi. In precedenti studi, ha definito i tipi cellulari del midollo spinale e li ha collegati al dolore cronico.
"Nel midollo spinale ci sono alcune cellule che trasmettono segnali responsabili del dolore cronico", ha spiegato Pfenning, "ma ci sono anche altre cellule coinvolte nel tatto e nella sensibilità normali, e non si vuole certo interferire con queste".
La sfida, ha affermato, sta nella precisione. Tutte le cellule del corpo condividono lo stesso DNA, ma diversi tipi cellulari attivano e disattivano geni diversi. Il laboratorio di Pfenning utilizza l'apprendimento automatico per decodificare questo linguaggio genomico, imparando cosa distingue un neurone che trasmette il dolore da uno sano. Con queste informazioni, il suo team può progettare interruttori genetici che si attivano solo nelle cellule responsabili del dolore cronico.
"Possiamo inserire una piccola "firma" creata con l'apprendimento automatico", ha detto Pfenning, "che indica che attiveremo il gene solo nelle cellule che ne hanno bisogno".
In studi sui topi condotti in collaborazione con Rebecca Seal dell'Università di Pittsburgh, l'approccio ha mostrato risultati promettenti. La terapia genica mirata ha bloccato con successo i segnali del dolore cronico, preservando al contempo la normale sensibilità tattile, il movimento e altre funzioni vitali.
Sebbene la ricerca sia ancora nelle sue fasi iniziali, Pfenning considera il dolore cronico un caso di studio cruciale per terapie più sicure e mirate. Se avrà successo, questo approccio potrebbe un giorno offrire sollievo senza i rischi degli oppioidi o la perdita di sensibilità che spesso accompagna i trattamenti attuali.
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