Nuovi biomarcatori

Questa attività di ricerca è dedicata all’introduzione di tecnologie e modelli per la rilevazione di potenziali marcatori neurofisiologici, comportamentali e biologici. Questi biomarcatori possono supportare la diagnosi clinica, descrivere l’eterogeneità all’interno delle diverse condizioni e identificare i predittori della risposta al trattamento. Queste ricerche intendono promuovere e sviluppare un nuovo concetto nello studio e nel trattamento dei diversi disturbi dello sviluppo e del sistema nervoso centrale. Attraverso l’applicazione di nuovi paradigmi sperimentali, la raccolta controllata e l’estrazione di informazioni biologiche e prove cliniche multimodali viene combinata con la modellizzazione neuro-funzionale in tempo reale dei fattori causali.

All’interno dell’attività di ricerca sono combinati:

1. endpoint clinici, comportamentali, neurobiologici, neurofisiologici e omici,
2. tecnologie ingegneristiche e conoscenze neuropsicologiche per la rilevazione delle funzioni superiori del cervello (ad es. funzioni esecutive, cognizione sociale, linguaggio, percezione sensoriale, coordinamento motorio),
3. metodologie robotiche di trattamento adattativo e tecniche di machine learning avanzate per l’analisi di grandi moli di dati,

al fine di:

1. anticipare in modo significativo il riconoscimento dell’insorgenza di disturbi cerebrali e disturbi dello sviluppo,
2. rilevare altri tipi di condizioni cliniche o subcliniche nelle popolazioni a rischio e nella popolazione generale
3. studiare modelli di intervento altamente individualizzati

In assenza di terapie farmacologiche mirate, per la maggioranza dei disturbi mentali e del sistema nervoso, di  la sorveglianza e la valutazione precoci, uniche strategie che portano all’intervento precoce, rappresentano l’unica strategia efficace per ridurre la gravità dei sintomi e migliorare la qualità della vita. Il raggiungimento dell’indipendenza funzionale e il miglioramento del benessere per la persona, la sua famiglia e la comunità in cui è inserito pertanto inoltre ad una netta riduzione dei costi per il Sistema Sanitario Nazionale. L’uso di biomarcatori diagnostici e la possibile identificazione di una serie di elementi prognostici aiuterà a stabilire nuovi protocolli terapeutici.

Le ricerche in quest’ambito consentiranno l’introduzione di tecnologie in grado di effettuare una caratterizzazione fenotipica profonda, quali: metodi di valutazione neurocomportamentale e neurocognitiva, strumentazioni neurofisiologiche ad alta risoluzione e neuroimaging che permetteranno la correlazione dei risultati molecolari con i cambiamenti nei circuiti neuronali, la struttura del cervello e la connettività funzionale. La connettività funzionale è definita come correlazione temporale di eventi neurologici che sono spazialmente separati. Fra le tecnologie di valutazione neurocomportamentale e cognitiva, saranno utilizzati metodi computazionali avanzati per la caratterizzazione non invasiva della funzionalità motoria e vocale. Recentemente, anomalie motorie e vocali sono state identificate in bambini piccoli ai quali in seguito è stato diagnosticato un disturbo dello spettro autistico.

L’ipotesi è che le misure comportamentali motorie e vocali siano indicatori affidabili dello sviluppo neurologico e possano essere efficaci nel predire uno sviluppo neurologico atipico nei bambini con i conseguenti effetti comportamentali. Oltre a identificare e affrontare i modelli di movimento atipico, le tecnologie mireranno alla trasduzione di meccanismi di cognizione sociale come attenzione congiunta, riconoscimento delle espressioni facciali e gesti comunicativi.

In questo obiettivo saranno ottimizzati ed integrati strumenti tecnologici intelligenti, non solo in dimora, ma anche in mobilità, ed applicazioni software in grado di acquisire e convalidare misure del comportamento e modelli di sistemi fisiologici affidabili sia per il neurosviluppo sia per la neurodegenerazione.

Le nuove tecnologie introdotte dal CNR possono essere utili strumenti per ottenere nuove informazioni rilevanti durante la diagnosi e la valutazione funzionale. Possono inoltre generare nuovi strumenti di abilitazione o costituire un aiuto per acquisire nuove conoscenze sulla condizione e l’applicazione di un approccio abilitativo a casa. Il raggiungimento di questo obiettivo globale contribuirà sostanzialmente a guidare una diagnosi precoce affidabile e selezionare e valutare l’efficacia degli interventi personalizzati. La possibile identificazione di un insieme di marcatori oggettivi, sia comportamentali che cognitivi, potrà aiutare nella definizione di un protocollo per la valutazione delle terapie. Finora, è sconosciuto il ruolo o l’impatto di questi biomarcatori fuori dal laboratorio, tendenzialmente a causa di barriere metodologiche e tecnologiche in grado di acquisire queste variabili in modo rapido, affidabile e riproducibile in contesto naturalistico.

Le piattaforme tecnologiche saranno progettate per integrarsi, in prospettiva, con le strutture cliniche territoriali colmando il vuoto nei servizi dedicati alla diagnosi precoce e alla valutazione del trattamento dei disturbi del neurosviluppo. Le tecnologie avanzate di valutazione personalizzata del comportamento, del linguaggio e dell’interazione sociale, quali sistemi di tracciamento oculare e del corpo e sistemi indossabili di misura, nonché strumentazione neuro- e elettro-fisiologica, saranno realizzate con la specifica di non interferire con le dinamiche relazionali del paziente.

Le tecnologie che saranno utilizzate sono:

1. sistemi di eye-tracking remoto per la trasduzione del focus visivo e del contatto oculare in determinati compiti;
2. sistemi di tracciamento della testa e riconoscimento delle espressioni facciali;
3. sistemi indossabili wireless di acquisizione di segnali EEG a 20 elettrodi ed algoritmi di signal processing quantitativo (qEEG) per l’analisi di ritmi e sincronizzazioni cerebrali;
4. micro-sistemi indossabili di acquisizione, costituiti da sensori miniaturizzati e non invasivi di parametri fisiologici (ECG, EDR, temperatura, movimento) per lo studio del sistema autonomico;
5. sistemi di telecamere ed algoritmi di signal processing per l’analisi del movimento e delle performance in task di interazione sociale, attenzione ed imitazione;
6. sistemi di acquisizione audio ed algoritmi di signal processing per l’analisi del contenuto frequenziale della voce.

Le tecnologie utilizzate, nell’ambito dello studio approfondito dello sviluppo cerebrale, saranno dedicate alla trasduzione di informazioni dalle diverse aree del neurosviluppo:

1. tappe dello sviluppo,
2. comunicazione, sviluppo del linguaggio e delle sue caratteristiche prosodiche,
3. reciprocità e cognizione sociale, attenzione verso stimoli sociali,
4. coordinazione e pianificazione motoria, movimenti spontanei e intenzionali
5. attenzione e funzioni esecutive,
6. livello di attività,
7. comportamenti adattativi e maladattativi,
8. stati umorali e affettivi,
9. sonno e processi autonomici,
10. sensorialità e percezione;

Inoltre, si intende studiare sistematicamente i diversi percorsi clinici fin dal primo anno di sviluppo e di correlare i dati comportamentali con dati fisiologici per supportare l’individuazione di endofenotipi più omogenei e clinicamente consistenti e potenziali biomarcatori delle diverse condizioni.

Ad esempio, indicatori precoci di disturbi dello Spettro Autistico sono deficit o ritardi nell’insorgenza dell’attenzione condivisa (ad esempio condividere con un’altra persona l’attenzione su un oggetto) ed il gioco di finzione, le difficoltà nella presa di prospettiva, i deficit nella reciprocità affettiva, la diminuita capacità di risposta al proprio nome, la diminuita capacità di imitare, la presenza di comportamenti ripetitivi, l’atipica esplorazione visuo-motoria, l’evitare l’attenzione visiva e l’estrema variabilità del temperamento e della risposta agli stimoli sensoriali. Molti bambini nello Spettro possono presentare inoltre difficoltà nella comprensione e comunicazione verbale, nella coordinazione motoria sia grossa che fine e difficoltà in diversi aspetti delle funzioni esecutive e dell’attenzione. La misura di questi indicatori è fondamentale per gli strumenti di screening e di diagnosi moderni.

Queste tecnologie possono essere integrate in strutture che simulano l’ambiente domestico e che accolgono paziente e famiglia al fine di valutare i segni comportamentali e fisiologici del disturbo, nonché l’interazione sociale, attraverso strumentazioni che scompaiono all’interno dell’ambiente senza interferire con le dinamiche relazionali.