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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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