RF08.18 MARKERS DI DISFUNZIONE CORTICO CEREBELLARE ASSOCIATA A DETERIORAMENTO COGNITIVO NELL INVECCHIAMENTO CEREBRALE

Transcript

1 RF08.18 MARKERS DI DISFUNZIONE CORTICO CEREBELLARE ASSOCIATA A DETERIORAMENTO COGNITIVO NELL INVECCHIAMENTO CEREBRALE Responsabile scientifico del progetto EGIDIO D ANGELO Fondazione Istituto Neurologico C. Mondino U.O.3 Giacomo Koch Università di Roma Tor Vergata Fondazione Santa Lucia Ministero della Salute Ricerca Finalizzata Art. 12 e 12bis, D. Lgs. 502/92 Finanziamento 2008

2 Sezione III: Attività per progetti ELENCO DELLE UNITÀ OPERATIVE U.O.1 IRCCS Fondazione Istituto Neurologico C. Mondino, Brain Connectivity Center Egidio D Angelo U.O.2 IRCCS Istituto Auxologico Italiano, Dipartimento di Neurologia e Laboratorio di Neuroscienze Vincenzo Silani U.O.3 IRCCS Fondazione Santa Lucia, Laboratorio di TMS Giacomo Koch DESCRIZIONE DEL PROGETTO Cosa è già noto sull argomento Recentemente il cervelletto ha ricevuto un attenzione particolare per il suo ruolo nelle funzioni cognitive: esso è in grado di controllare la memoria procedurale, l elaborazione di sequenze logiche, il rilevamento di modifiche in pattern sensoriali, l attenzione e diversi aspetti delle funzioni cognitive. Durante l invecchiamento, disfunzioni sensori-motorie e cognitive possono derivare da un deficit dell attività del circuito cortico cerebellare. Il cervelletto è strettamente connesso alla corteccia associativa e le sue alterazioni causano diverse sindromi cognitive affettive cerebellari [Schmahmann 2004; Courchesne et al. 1994]. Esistono indicazioni che i circuiti cortico cerebellari sono disfunzionali nel MCI (Mild Cognitive Impairment) e in diverse forme di demenza senile: 1) I pazienti affetti da MCI presentano, durante il test di Stroop, un alterazione dell attività talamo cortico cerebellare [Kauffmann et al. 2008] ed evidenziano delle connessioni talamo cortico cerebellari anomale [Teipel et al. 2009]. Pazienti affetti da MCI aggravata da amnesia mostrano una connettività funzionale dell ippocampo alterata, che coinvolge il lobo prefrontale, il lobo temporale, il lobo parietale ed il cervelletto [Bai et al. 2009]. 2) L invecchiamento fisiologico, la paralisi sopranucleare progressiva (PSP) e la demenza frontotemporale (FTD) sono caratterizzati da differenti gradi di declino delle funzioni del lobo frontale. I soggetti affetti da PSP, rispetto a soggetti sani, mostrano un deterioramento delle connessioni tra il tegmento e le regioni temporali, frontali, del nucleo pallido e del cervelletto [Garraux et al. 1999]. 3) Il cervelletto è implicato nella malattia di Alzheimer (AD). I lobi cerebellari posteriori sono significativamente più piccoli nei pazienti AD rispetto ai soggetti sani. Nell AD, l atrofia delle regioni cerebellari posteriori è associata a un deficit delle funzioni cognitive, a riprova del coinvolgimento del cervelletto nell AD [Thomann et al. 2008]. Cosa aggiunge il progetto alle informazioni già disponibili In questo progetto studieremo le proprietà anatomo-funzionali dei circuiti cortico cerebellari in soggetti anziani sani e in pazienti affetti da MCI,

3 RF08.18 Markers di disfunzione cortico cerebellare associata a deterioramento cognitivo AD e FTD utilizzando metodiche neuropsicologiche, di neuroimaging (fmri, DTI, DSI, spettroscopia) e di elettrofisiologia (EEG, eye-tracker). Questi esperimenti saranno integrati da test neurofisiologici e neuropsicologici associati all uso della TMS (transcranial magnetic stimulation) che andrà ad interferire con i circuiti cerebello-corticali. Inoltre, svolgeremo esperimenti sull animale utilizzando sia tecniche di imaging (VSD) che registrazioni extracellulari con microchip, in modo da confrontare la funzionalità dei circuiti cortico cerebellari in animali giovani ed anziani. In questo contesto, considereremo l azione di alcuni neuromodulatori (acetilcolina e serotonina) e valuteremo la loro azione sui circuiti cerebello corticali e il loro potenziale di correzione di difetti circuitali. Saranno inoltre valutati specifici bio-marcatori e mutazioni nei geni della progranulina e TDP43, per definire il loro coinvolgimento nelle alterazioni dei circuiti cortico cerebellari nelle sindromi in oggetto. Sarà infine studiato, col medesimo approccio, un sottogruppo selezionato di soggetti ultracentenari. Questo progetto fornirà nuove prospettive sulla fisiopatologia dei circuiti cortico cerebellari e sulla diagnosi ed eventuali approcci terapeutici innovativi per le patologie che sottendono il decadimento cognitivo nell anziano. OBIETTIVI Gli obiettivi principali del progetto sono: 1) Migliorare le conoscenze fisiopatologiche dei circuiti cortico cerebellari. In particolare, la connettività funzionale durante compiti specifici (programmazione motoria, verbale e dell attenzione) è tuttora sconosciuta. 2) Identificare l effettivo coinvolgimento dei circuiti cortico cerebellari nei deficit cognitivi e nelle patologie da invecchiamento (MCI, AD, FTD) su cui, al momento, disponiamo di informazioni frammentarie. 3) Elaborare ed applicare tests psico-fisiologici per valutare la funzione dei circuiti cortico cerebellari (programmazione motoria, verbale e attenzione). Oltre a migliorare le conoscenze fisiologiche dei circuiti, questi test permetteranno di esaminare le anomalie nei pazienti affetti da MCI, AD e FTD. 4) Definire bio-marcatori, sia genetici che non-genetici, associati a deficit cerebellari e cognitivi. 5) Definire il coinvolgimento dei circuiti cortico cerebellari nell invecchiamento fisiologico dopo aver analizzato una popolazione di soggetti sani over ) Considerare una mirata riabilitazione e interventi farmacologici per le patologie sopraccitate. Gli obiettivi secondari sono: 1) Dimostrare le attuali ipotesi sul funzionamento dei circuiti cortico cerebellari. In una visione integrata, le evidenze sui circuiti locali non sono sufficienti per comprenderne la funzione, dal momento che il circuito locale è subordinato alle attività trasmesse da (e da essere trasmesse a) aree cerebrali connesse

4 Sezione III: Attività per progetti 2) Elaborare ed applicare test neuropsicologici per dimostrare la principale ipotesi sulla novelty detection a livello del cervelletto e la sua importanza nel controllo dell attenzione. 3) Elaborare e applicare protocolli di TMS per attivare/interrompere i circuiti cortico cerebellari. 4) Elaborare e applicare protocolli di DTI per investigare l anatomia funzionale dei circuiti cortico cerebellari. 5) Elaborare e applicare simultaneamente protocolli di EEG/fMRI per studiare l effettiva connettività nelle sottoregioni dei circuiti cortico cerebellari. 6) Elaborare e applicare la tecnologia dell eye-tracker per osservare il coinvolgimento dei circuiti cortico cerebellari nelle diverse patologie cognitive. 7) Elaborare correlazioni con bio-marcatori. 8) Migliorare la conoscenza neurofisiologica di base dei circuiti cerebellari durante l invecchiamento. 9) Elaborare ed applicare tecniche di VSD per visualizzare l attività cerebellare negli animali. 10) Elaborare test per investigare coincidence detection nel cervelletto negli animali. TRASFERIBILITÀ GENERALE E POTENZIALE IMPATTO DEI RISULTATI Questo progetto intende ottenere questi principali risultati, ritenuti di importanza per la loro trasferibilità: 1. Aumentare le conoscenze del ruolo dei circuiti sottocorticali, in particolare del circuito cortico cerebellare, nel decadimento cognitivo che avviene durante l invecchiamento. Come anticipato negli scopi del progetto, questo è un risultato primario. Il progetto si aspetta di definire patterns di alterazioni con tecniche di imaging ed elettroencefalografiche e di stabilire tests neuropsicologici per la valutazione del circuito cerebro cerebellare in pazienti anziani normali, MCI, AD e FTLD. 2. Il progetto apre parecchie prospettive traslazionali. Prima di tutto, partendo dall analisi con tecniche di neuroimaging, elettroencefalografiche e neuropsicologiche, sarà possibile determinare sottogruppi di pazienti che potrebbero rispondere meglio a certe terapie riabilitative e farmacologiche. Ad esempio è prevedibile, nell immediato futuro, la messa a punto di protocolli di addestramento per incrementare le performance e l apprendimento cerebellare. Inoltre, verrà valutata l alterazione dei sistemi colinergici e monoaminergici durante l invecchiamento, che potrebbe avere un impatto profondo sul cervelletto, così come sul resto del circuito cortico cerebellare, suggerendo specifici trattamenti farmacologici. La definizione dei sottogruppi potrebbe essere incrementata effettuando appropriate analisi neurogenetiche

5 RF08.18 Markers di disfunzione cortico cerebellare associata a deterioramento cognitivo 3. Aumentare le conoscenze generali delle funzioni del circuito cortico cerebellare. L analisi dei correlati neurofisiologici e neuroanatomici delle patologie cognitive durante l invecchiamento fornirà un nuovo strumento per comprendere le funzioni fisiologiche del cervelletto. Questo è un aspetto intrigante della ricerca, in quanto il cervelletto viene di solito studiato misurando comportamenti sensori-motori, i quali riguardano una parte limitata delle funzioni cerebellari. Poiché il cervelletto nell uomo ha una connessione prevalentemente con le cortecce non-motorie (in gran parte associative) è ragionevole aspettarsi che, dall analisi appropriata delle funzioni cognitive, si otterranno nuove informazioni sulla funzione cerebellare. 4. Conoscenze generali del funzionamento del circuito cortico cerebellare. Il cervelletto è stato a lungo considerato una struttura in grado di rilevare novità ed errori e di immagazzinare le memorie (procedurali) di importanti patterns entranti. Il progetto analizzerà direttamente questa ipotesi sia nell uomo che nell animale da esperimento. Il risultato, accanto alla rilevanza ontologica, permetterà di incrementare ulteriormente l analisi neurofisiologica e neuropsicologica dei disordini cognitivi in generale e specialmente durante l invecchiamento. 5. Definizione di marcatori biologici (genetici o non-genetici) per stabilire i diversi sottogruppi di pazienti e le possibili differenze durante la progressione delle malattie. 6. Definizione dei normali parametri del coinvolgimento del circuito cortico cerebellare nel normale processo di invecchiamento dopo valutazione di una popolazione selezionata di ultra-centenari. PIETRE MILIARI NEL CORSO DEL PROGETTO M1) Determinazione della effettiva connettività (fmri, DTI) nel circuito cortico cerebellare durante paradigmi di rilevamento della novità e di apprendimento in soggetti sani e pazienti con deficit di apprendimento legati all invecchiamento cerebrale. M2) Determinazione di moduli di attività EEG corticali in pazienti con deficit di apprendimento legati all invecchiamento cerebrale. M3) Sviluppo di test neuropsicologici associati a TMS per verificare la funzionalità del circuito cortico-cerebellare. M4) Sviluppo di registrazioni combinate di fmri-eeg per verificare la funzionalità del circuito cerebello-corticale durante specifici test neuropsicologici. M5) Determinazione di pattern di attività e plasticità di cervelletti di ratti adulti e anziani durante paradigmi di detezione della novità e di apprendimento. M6) Determinazione dell attività del circuito cerbello-talamo-corticale in pazienti con deficit di apprendimento legati all invecchiamento cerebrale. M7) Determinazione di modulazione plastica della corteccia cerebellare usando rtms in pazienti con deficit di apprendimento legati all invecchiamento cerebrale

6 Sezione III: Attività per progetti M8) Definizione della tecnologia di tracciatura dell occhio (eye-tracker) nello studio del coinvolgimento del circuito cortico-cerebellare in pazienti affetti da diversi deficit cognitivi associati al coinvolgimento di moto-neuroni. M9) Sviluppo di biomarcatori per definire il coinvolgimento del circuito cortico cerebellare correlato a tecniche di imaging. M10) Definizione di protocolli sperimentali per lo studio di funzioni cortico cerebellari negli animali sperimentali. Bai F, Zhang Z, Watson DR, Yu H, Shi Y, Yuan Y, Zang Y, Zhu C, Qian Y (2009) Biol Psychiatry 65(11): Garraux G, Salmon E, Degueldre C, Lemaire C, Laureys S, Franck G (1999) Neuroimage 10(2): Schmahmann JD (2004) J Neuropsychiatry Clin Neurosci 16(3): Teipel SJ, Pogarell O, Meindl T, Dietrich O, Sydykova D, Hunklinger U, Georgii B, Mulert C, Reiser MF, Möller HJ, Hampel H (2009) Hum Brain Mapp 30(7): Thomann PA, Schläfer C, Seidl U, Santos VD, Essig M, Schröder J (2008) J Psychiatr Res 42(14): Daskalakis ZJ, Paradiso GO, Christensen BK, Fitzgerald PB, Gunraj C, Chen R (2004) J Physiol (Lond) 557: Koch G, Mori F, Marconi B, Codecà C, Pecchioli C, Salerno S, Torriero S, Lo Gerfo E, Mir P, Oliveri M, Caltagirone C (2008) Clin Neurophysiol 119(11): Thomann PA, Schläfer C, Seidl U, Santos VD, Essig M, Schröder J (2008) J Psychiatr Res 42(14): Ugawa Y, Uesaka Y, Terao Y, Hanajima R, Kanazawa I (1995) Ann Neurol 37: Si allega il programma dettagliato dell Unità Operativa 3 che fa capo alla Fondazione Santa Lucia

7 RF08.18 Markers di disfunzione cortico cerebellare associata a deterioramento cognitivo U.O.3 Laboratorio di TMS Giacomo Koch Contributo specifico dell Unità al progetto Studio neurofisiologico della connettività funzionale delle vie cerebello-corticali nei soggetti anziani e nei pazienti affetti da demenza. Faremo uso della stimolazione magnetica transcranica (TMS) per studiare come il pattern di eccitabilità delle connessioni che originano dal cervelletto laterale si modifica quando insorge la sindrome demenziale. Infatti con la TMS è possibile attivare una via che connette il cervelletto alla corteccia motoria primaria (M1) attraverso una stazione intermedia nel talamo ventrale (via cerebello-talamo-corticale) [Daskalakis et al. 2004]. Un singolo impulso condizionante di TMS (CS) applicato sul cervelletto è in grado di ridurre l ampiezza del potenziale evocato motorio (MEP) ottenuto tramite stimolazione della M1 controlaterale [Ugawa et al. 1995]. Modificazioni specifiche della connettività cerebello-motoria avvengono in corso di apprendimento di nuove procedure motorie [Torriero et al. sottomesso] ed è possibile indurre modificazioni a lungo termine di questi circuiti utilizzando una stimolazione a theta burst (TBS) [Koch et al. 2008]. Utilizzeremo pertanto questi metodi neurofisiologici in un ampio gruppo di pazienti affetti da mild cognitive impairment (MCI), malattia di Alzheimer di grado lieve (AD) e controlli di pari età (HS). Saranno arruolati 60 soggetti destrimani (20 MCI, 20 AD e 20 HS). In un primo esperimento studieremo la connettività cerebello-motoria analizzando l influenza della stimolazione magnetica a doppio impulso durante l esecuzione di un compito di apprendimento di una procedura motoria. In un secondo esperimento studieremo la connettività cerebello-motoria analizzando l influenza della stimolazione magnetica a doppio impulso durante l osservazione dell apprendimento procedurale svolto da un altro soggetto, prima dell esecuzione del task. In un terzo esperimento valuteremo come la via cerebello-motoria e l eccitabilità della M1 possano variare dopo theta burst stimulation (TBS) del cervelletto. Metodologia a) Saranno arruolati 60 soggetti destrimani (20 MCI, 20 AD e 20 HS). Tutti i soggetti daranno il loro consenso informato per partecipare alla ricerca. Lo studio sarà condotto in accordo con la dichiarazione di Helsinki. b) Studio della via cerebello-motoria (CBI) durante un compito di apprendimento procedurale. I potenziali evocati motori (MEP) saranno registrati dal primo muscolo dorsale interosseo (FDI) durante l esecuzione o l osservazione di un serial reaction time task (SRTT) modificato. Ai soggetti sarà richiesto di utilizzare il loro dito indice per toccare in sequenza dei quadrati neri che appaiono di

8 Sezione III: Attività per progetti uno schermo a sfondo bianco. I quadrati neri potranno apparire in quattro posizioni differenti (1, 2, 3, 4, da sinistra a destra), lungo una linea orizzontale. I soggetti completeranno tre differenti sequenze di 240 quadrati. La stimolazione magnetica a doppio impulso sarà applicata per studiare la connettività tra il cervelletto laterale e l area motoria controlaterale durante il compito di memoria procedurale. Le tracce elettromiografiche saranno registrate dal muscolo FDI della mano destra. Utilizzeremo una tecnica di TMS con due stimolatori Magstim 200 Mono Pulse connessi a due coil a forma di otto (diametro 70 mm). La stimolazione magnetica a doppio impulso consiste di uno stimolo condizionante seguito da uno stimolo test soprasoglia a differenti intervalli inter-stimolo (ISIs). Lo stimolo test sarà applicato sulla corteccia motoria sinistra, nella pozione dello scalpo migliore per indurre il MEP più ampio nel muscolo FDI della mano destra. Determineremo il sito di applicazione dello stimolo condizionante utilizzando un sistema di neuronavigazione basato sull acquisizione di risonanza magnetica. Il secondo coil sarà pertanto posizionato sul lobulo superiore posteriore dell emisfero cerebellare destro [Koch et al. 2007]. Modificazioni dell eccitabilità della via cerebello-motoria dopo TBS cerebellare. Uno stimolatore Magstim Super Rapid, connesso con un coil a forma di otto, sarà utilizzato per applicare TMS ripetitiva (rtms) sul cervelletto laterale. Saranno applicati tre impulsi a 50 Hz ripetuti ogni 200 ms per 40 secondi (equivalenti alla TBS continua, ctbs come in Huang et al. 2005), ad una intensità dell 80% della soglia motoria attiva (AMT). Nel pattern intermittente (itbs), un treno di 2 secondi è ripetuto 20 volte, ogni 10 secondi per un totale di 190 secondi (600 impulsi). Applicheremo la TBS sul cervelletto laterale e valuteremo possibili modificazioni nell eccitabilità della M1 controlaterale. L ampiezza del MEP e i circuiti intracorticali (inibizione intracorticale a breve intervallo-sici, ed inibizione intracorticale a lungo intervallo-lici) saranno misurati prima e dopo TBS cerebellare. c, d) In un primo esperimento studieremo la connettività cerebello-motoria analizzando l influenza della stimolazione magnetica a doppio impulso durante l esecuzione di un compito di memoria procedurale. In un secondo esperimento studieremo la connettività cerebello-motoria analizzando l influenza della stimolazione magnetica a doppio impulso durante l osservazione del compito svolto da un altro soggetto, prima dell esecuzione del task. In un terzo esperimento valuteremo come la via cerebello-motoria e l eccitabilità della M1 variano dopo TBS del cervelletto. e) Analisi dei dati. I tempi di risposta (RTs) saranno registrati durante l esecuzione del compito di apprendimento procedurale. Sarà eseguita una ANOVA a tre vie con i fattori intra-soggetto Sequenza e Blocco ed il fattore inter-soggetti Gruppo (MCI, AD, soggetti sani). L ampiezza dei MEP sarà registrata in ogni condizione del task. L ampiezza interpicco del MEP condizionato ad ogni ISI sarà quindi espressa come la percentuale dell ampiezza media del MEP non condizionato. Una ANOVA a tre vie sarà condotta con i fattori intra-soggetto Sequenza e ISI e fattore inter-soggetti Gruppo (MCI, AD, soggetti sani). Per gli esperimenti con TBS delle ANOVA separate saranno ese

9 RF08.18 Markers di disfunzione cortico cerebellare associata a deterioramento cognitivo guite su vari parametri neurofisiologici (MEP, CBI, SICI, LICI) prima e dopo la TBS nei vari gruppi di soggetti (MCI, AD, soggetti sani). Daskalakis ZJ, Paradiso GO, Christensen BK, Fitzgerald PB, Gunraj C, Chen R (2004) J Physiol (Lond) 557: Koch G, Mori F, Marconi B, Codecà C, Pecchioli C, Salerno S, Torriero S, Lo Gerfo E, Mir P, Oliveri M, Caltagirone C (2008) Clin Neurophysiol 119(11): Koch G, Oliveri M, Torriero S, Salerno S, Lo Gerfo E, Caltagirone C (2007) Exp Brain Res 179: Huang YZ, Edwards MJ, Rounis E, Bhatia KP, Rothwell JC (2005) Neuron 45: Thomann PA, Schläfer C, Seidl U, Santos VD, Essig M, Schröder J (2008) J Psychiatr Res 42(14): Torriero S, Oliveri M, Koch G, Lo Gerfo E, Salerno S, Ferlazzo F, Caltagirone C, Petrosini L (2011) J Cogn Neurosci 23(2): Ugawa Y, Uesaka Y, Terao Y, Hanajima R, Kanazawa I (1995) Ann Neurol 37: