EEG MEG TMS. smri. fmri. Esplorazione funzionale in vivo dei correlati neurometabolici dell attività cerebrale. richiesta di ossigeno e glucosio

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1 Esplorazione funzionale in vivo dei correlati neurometabolici dell attività cerebrale mv +50 Riposo EEG MEG TMS 2 3 msec Attivazione = Hb = HbO 2 FDG-PET smri attività neuronale sinaptica attività della pompa Na + /K + richiesta di ATP richiesta di ossigeno H 15 2 e glucosio 15 O-PET fmri flusso ematico cerebrale metabolismo ossidativo del glucosio e produzione di ATP

2 La tomografia ad emissione di positroni

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4 Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni 18 FDG per misurare il metabolismo glucidico H 15 2 O per misurare il flusso ematico emivita(min) tempo di osservazione (min) durata singolo studio (min) numero di studi possibili nella stessa sessione PET Sostanze di interesse biologico, quali substrati metabolici, possono essere marcati usando questi radionuclidi positroneemittenti Per lo studio in vivo del metabolismo cerebrale possiamo utilizzare: misurano l'attività sinaptica neuronale di un determinato distretto cerebrale Caratteristiche distintive 18 FDG H 15 2 O > 10

5 Il modello del 18 Fluoro-2-deossi deossi-d-glucosio nello Studio in vivo del Metabolismo Glucidico Cerebrale Plasma precursori Tessuto cerebrale prodotti metabolici [ 18 F]deossiglucosio glucosio K 1 K 2 Barriera emato-encefalica K* 1 K* 2 [ 18 F]deossiglucosio glucosio K* 3 esochinasi K 3 esochinasi G-6-Pasi [ 18 F]glicolipidi [ 18 F]deossiglicogeno [ 18 F]UDPDG [ 18 F]deossiglucosio-1-P [ 18 F]deossiglucosio-6-P glucosio-6-p fruttosio-6-p [ 18 F]glicoproteine fosfoglucosio isomerasi CO 2 + H 2 O HO-CH 2 H H HO OH O H H OH HO-CH 2 H H HO OH O H H OH H glucosio OH H H 2-deossi-D-glucosio ( 18 F )

6 Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni

7 Adapted from Gusnard & Raichle (2001)

8 Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell Uomo in Condizioni Fisiologiche 18 FDG -glucosio 18 F-fluorodopa Anziano Sano Malato AD 18 F-fluoroetilspiperone

9 Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell Uomo in Condizioni Fisiologiche

10 PET: Metodologia La raccolta dei dati e i metodi di analisi dipendono dallo studio in questione Immagine semiqualitativa singola (immagine statica clinica) Analisi più dettagliate richiedono un acquisizione dinamica (elaborazione di un modello, campionamento ematico, ecc. Confronto tra gruppi a riposo Attivazione vs condizione di riposo Confronto tra attivazioni di gruppi diversi

11 PET statica semiqualitativa singola

12 Metodologia PET: confronto tra gruppi GRUPPO A GRUPPO B #1 #2 #3 NORMALIZZAZIONE SPAZIALE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas) #4 #5 n ANALISI STATISTICA (ANOVA, T-TEST, CORRELAZIONE) IMMAGINE RISULTATO

13 Correlati neurometabolici delle emozioni ruolo contrapposto dell amigdala, della corteccia orbitofrontale mediale e ventrolaterale rispetto alla corteccia prefrontale sottogenicolata nella tristezza patologica (studio PET nella Depressione Maggiore) Amigdala C. Orb.. Front. Mediale CPF sottogenicolat a CPFVL CPFVL= Corteccia prefrontale ventro-laterale Talamo mediale Attivazione abnorme delle strutture cerebrali che controllano, modulano o inibiscono le espressioni emotive (amigdala, corteccia orbitale mediale e ventrolaterale): in presenza di metabolismo ridotto nella corteccia prefrontale sottogenicolata che modula la risposta viscerale alle emozioni e forse partecipa alla valutazione del significato di ricompensa degli stimoli. (da Drevets e coll., 2000)

14 Metodologia PET: Attivazione vs condizione di riposo ATTIVAZIONE RIPOSO CONTROLLO NORMALIZZAZIONE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas) IMMAGINI INDIVIDUALI DI DIFFERENZA IMMAGINE MEDIA DELLE DIFFERENZE

15 Logica della sottrazione La sottrazione cognitiva è nata con gli esperimenti di reazione motoria (F. C. Donders). Esempio: T1: Premi un bottone quando appare una luce T2: Premi un bottone quando appare una luce verde ma non rossa T3: Premi il bottone sinistro quando appare una luce verde e il bottone destro quando appare una luce rossa T2 T1 = tempo per fare una discriminazione tra colori T3 T2 = tempo per prendere una decisione F. C. Donders Assunzione della inserzione pura: Si può inserire una componente nel compito sperimentale senza interferire con le altre componenti (N.B. grosso limite inerpretativo!) Paradigma sperimentale

16 Perché la PET?? Può usufruire di un numero illimitato di traccianti È un metodo quantitativo Ha alta sensibilità Ha un elevata risoluzione chimica Ha una risoluzione spaziale discreta (2 mm)

17 Perché la PET??

18 La tomografia ad emissione di positroni tra applicazioni cliniche

19 Alzheimer s Disease: Diagnosis M 65 yrs

20 Alzheimer s Disease: Evolution

21 Alzheimer s Disease: Correlation with Clinical Symptoms

22 PET in the Evaluation of Dementia: Predicting Evolution Silverman DHS et al., JAMA, 2001

23 PET in the Evaluation of Dementia: Differentiating cognitive impairments

24 Fronto-temporal dementia

25 Vascular Dementia

26 Visual Variant

27 The role of in vivo brain functional exploration methodologies in understanding cognitive impairment during pathological aging Investigate the effects of neurodegenerative processes on: Brain metabolism Correlation between cognitive deficits, clinical evidences and metabolic changes Clinical differentiation and evolution Neurotransmitters Detect early evidence of cognitive impairment Genetic risk for dementia Stress test Recovery Insight into neuropathology Understanding and following therapy

28 Genetic risk: ApoE ε4 allele Alzheimer patients no ApoE ε 4 vs Healthy Subjects no ApoE ε 4 Alzheimer patients with ApoE ε 4 vs Healthy Subjects with ApoE ε 4 Alzheimer patients with ApoE ε 4 vs Alzheimer patients no ApoE ε 4 Parieto-occipital cortex

29 Early diagnosis: Stress test Close Eyes Open Eyes White light Open Eyes Complex scene

30 Early diagnosis: Stress test in Healthy Olders Pietrini P et al., J Nucl Med, 2000

31 PET - applicazioni cliniche Oncologiche Cardiache Cerebrali Malattie Infettive Farmacologiche Metaboliche

32 PET-FDG: diagnosi e caratterizzazione

33 PET-FDG: stadiazione

34 La PET cerebrale tra applicazioni cliniche e di ricerca

35 ESEMPIO DI SPM ricostruzione registrazione smoothing Interpretazione dei risultati, correlazione con dati comportamentali e verifica dell ipotesi Analisi dei dati: postprocessing Esperimento PET Rationale: ipotesi sperimentale Selezione,, screening, test psicologici e comportamentali Paradigma sperimentale Preprocessing e sessione sperimentale

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