Indagine sull' impatto di una lesione focale sulla attività elettrofisiologica relativa al ciclo sonno-veglia in vivo

Abstract

Le lesioni cerebrali, causate da traumi cranici o ictus, rappresentano la principale causa di disabilità tardiva negli adulti. Ogni anno, circa 12,2 milioni di persone subiscono un ictus, con oltre 101 milioni di sopravvissuti a livello globale, e il numero è destinato a crescere. È cruciale intervenire tempestivamente per ridurre gli effetti acuti dell'ictus, ma una delle sfide principali della medicina futura è affrontare lesioni cerebrali croniche. Anche se molti sopravvissuti mostrano miglioramenti motori dopo trattamenti avanzati, più della metà non recupera completamente le capacità di vita quotidiana. Recenti progressi nella neuroingegneria e nella bioelettronica hanno introdotto approcci riabilitativi innovativi, come interfacce cervello-macchina, capaci di bypassare le lesioni e promuovere il recupero funzionale. Un paradigma promettente è l'uso di neuroprotesi per sfruttare la plasticità neurale e favorire l'apprendimento motorio. Inoltre, esiste una forte relazione tra condizioni neurologiche e sonno, che è fondamentale per la plasticità cerebrale e l'apprendimento motorio. Il progetto EU-funded MoRPHEUS mira a sviluppare una neuroprotesi in grado di sfruttare il rapporto tra sonno e plasticità neurale. Questa tesi, condotta nella fase esplorativa del progetto, ha raggiunto due obiettivi principali: (1) lo sviluppo di un metodo efficiente per la rilevazione automatica del ciclo sonno-veglia, utilizzando reti neurali con caratteristiche biologiche interpretabili; (2) l'identificazione di biomarcatori neurali dell'ictus in cronico collegati al ciclo sonno-veglia. I risultati mostrano un impatto significativo delle lesioni ischemiche sull'attività neurale e sull'architettura del ciclo sonno-veglia, aprendo la strada a ulteriori ricerche e all’ avanzamento di MoRPHEUS.

Brain lesions, caused by traumatic brain injuries or strokes, are the leading cause of late-onset disability in adults. Every year, approximately 12.2 million people suffer a stroke, with over 101 million survivors globally, and this number is expected to grow. Timely intervention is crucial to reduce the acute effects of stroke, but one of the main challenges for future medicine is addressing chronic brain injuries. Although many survivors show motor improvements after advanced treatments, more than half do not fully recover their daily living abilities. Recent advances in neuroengineering and bioelectronics have introduced innovative rehabilitation approaches, such as brain-machine interfaces, capable of bypassing lesions and promoting functional recovery. A promising paradigm is the use of neuroprostheses to exploit neural plasticity and facilitate motor learning. Moreover, there is a strong relationship between neurological conditions and sleep, which is crucial for brain plasticity and motor learning. The EU-funded project MoRPHEUS aims to develop a neuroprosthesis capable of leveraging the relationship between sleep and neural plasticity. This thesis, conducted during the project's exploratory phase, achieved two main objectives: (1) the development of an efficient method for automatic detection of the sleep-wake cycle using neural networks with biologically interpretable features; (2) the identification of chronic stroke-related neural biomarkers linked to the sleep-wake cycle. The results show a significant impact of ischemic lesions on neural activity and the architecture of the sleep-wake cycle, paving the way for further research and the advancement of MoRPHEUS.