VARIAZIONE DEL PROCESSING VISIVO IN CONDIZIONI DI IPOSSIA IN PILOTI MILITARI

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1 Nicola Pescosolido* Barbara Imperatrice* Dario Di Blasio Andrea Mazzoni Alessandro Carboni VARIAZIONE DEL PROCESSING VISIVO IN CONDIZIONI DI IPOSSIA IN PILOTI MILITARI * Università degli Studi di Roma Sapienza I Facoltà di Medicina e Chirurgia Corpo Sanitario Aeronautico

2 Pressione barometrica a diverse altezze e concentrazione di ossigeno nell aria Altezza (piedi) Pressione barometrica (mmhg) PpO 2 aria (mmhg)

3 Altezza (piedi) po 2 alveolare a diverse altitudini CO 2 e vapor acqueo diluiscono l Ol 2 negli alveoli Pressione barometrica (mmhg) po 2 aria (mmhg) Vapor acqueo alveoli (mmhg) Residuo per altri gas (mmhg) pco 2 alveoli (mmhg) Residuo per altri gas (mmhg) po 2 alveolare in assenza di consumo di O 2 (1/5 O 2 ) (mmhg) po 2 alveolare in assenza di consumo di O 2 (4/5 N 2 ) (mmhg) po 2 alveolare con consumo di O 2 (mmhg)

4 Effetto dell altitudine sulla po 2 alveolare Altezza (piedi) Altezza (metri) po 2 alveoli non acclimatati (respirando aria) (mmhg) po 2 alveoli acclimatati (respirando aria) (mmhg) po 2 alveoli (respirando 100% O 2 ) (mmhg)

5 Saturazione dell emoglobina emoglobina respirando ossigeno o aria a diverse altezze Altezza (piedi) Altezza (metri) Respirando aria SaO 2 (%) Respirando 100% O 2 SaO 2 (%)

6 Saturazione dell Hb con O 2 Un soggetto non acclimatato rimane cosciente fino a quando la saturazione arteriosa dell ossigeno non scende al di sotto del 50% SaHb 50 % DANGER!

7 Saturazione dell Hb con O 2! Danger (50%) Si raggiunge da un aviatore in aereo non pressurizzato Se respira aria 7000 m (21000 piedi) Se respira O 2 puro m (45000 piedi)

8 Effetti acuti dell ipossia Soggetto non acclimatato che respira aria Altezza (piedi) Altezza (metri) Effetti Sonnolenza, astenia, affaticamento mentale e fisico, talvolta cefalea, nausea ed euforia Spasmi, convulsioni Coma

9 Effetti acuti dell ipossia Riduzione dell efficienza mentale con incapacità di eseguire movimenti complessi Altezza: piedi (4600 m) Dopo 1 ora Dopo 18 ore Efficienza mentale ridotta del 50% Efficienza mentale ridotta al 20% del normale

10 L ipossia è un evento da valutare in piloti militari Riduzione dei riflessi Rischio operativo

11 Acclimatazione alle basse po 2 Con permanenza ad alte quote (gg, settimane, anni) Grande aumento della ventilazione polmonare Aumento del numero di globuli rossi Aumento della capacità di diffusione polmonare Aumento della vascolarizzazione dei tessuti Maggiore capacità cellulare ad utilizzare l ossigeno

12 L occhio

13 La retina

14 Le vie visive

15 Scopo della sperimentazione

16 Considerando che: Mc Farland (1963) ha riportato l estrema sensibilità del sistema visivo umano all ipossia e cambiamenti delle funzioni visive ad un altitudine superiore ai 3000 m Fowler et al. (1993) hanno suggerito che l ipossia influisce sullo stadio pre-processing mentre essa influisce poco o nulla nello stadio di identificazione ed in quello della risposta In questi studi l ipossia è stata indotta con somministrazione di una miscela povera di O 2 (SaO %)

17 Considerando che: Bridges e Kolder (1964) concludevano, studiando la soglia di sensibilità al contrasto in ipossia, come la sua riduzione fosse riconducibile a modifiche dei processi inibitori responsabili del fenomeno della sensibilità al contrasto e che l effetto persisteva oltre i 10 minuti dalla riduzione della saturazione dell ossigeno (SaO 2 )

18 Gli Autori hanno inteso valutare due indici anterogradi di funzionalità dell apparato visivo in condizioni di ipossia negli stessi soggetti: Potenziali visivi evocati (PEV) Sensibilità al contrasto (FCS)

19 Materiali e Metodi

20 Ipossia E stata ottenuta facendo respirare a 4 piloti militari (età media di 38±2 anni, sesso maschile, acclimatati, visus naturale o corretto di 10/10) una miscela povera (a basso contenuto di ossigeno) che ha prodotto una saturazione arteriosa di ossigeno al 70% (equivalente a piedi-6000 m) in minuti valutata con ossimetro

21 Potenziali Evocati Visivi I POTENZIALI EVOCATI VISIVI (PEV) si definiscono come le variazioni dei potenziali bioelettrici della corteccia occipitale evocati da stimoli visivi. Essi costituiscono, quindi, la manifestazione di raffinati e complessi eventi neurosensoriali legati a fenomeni di traduzione e trasmissione dell impulso nervoso lungo le vie visive, cioè dai fotorecettori retinici fino alla corteccia cerebrale occipitale

22 Sistema Internazionale 10/20

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24 Acquisizione del segnale 1. Banda passante compresa tra 1 e 100 Hz 2. Amplificazione del segnale di volte 3. Tempo di analisi 250 msec per canale con risoluzione minima di 12 bit 4. Reiezione automatica degli artefatti eccedenti ± µv in ampiezza 5. Numero di tracce da mediare almeno 64

25 PEV: stimolo visivo e risposte bioelettriche corticali Flash

26 Parametri dello stimolo (PATTERN) Le dimensioni degli elementi del pattern in caso di barre devono essere definite dalla frequenza spaziale delle barre espressa in cicli per grado (c/g), intendendo il numero di coppie, elemento chiaro-elemento scuro (ciclo), che sottendono all occhio del soggetto un grado di angolo visivo.

27 Presentazione del Pattern Gli elementi chiari e scuri del pattern si invertono spazialmente sullo schermo in maniera continua con uno specifico numero di reversal per secondo (transiente, steady-state, on-off). Non deve esserci un cambiamento di luminanza dello schermo, ciò richiede un uguale numero di elementi chiari e scuri presenti.

28 Presentazione del Pattern È fondamentale utilizzare un pattern ad alto contrasto che sottenda un campo visivo di almeno 15 gradi. Elementi di min di arco stimolazione foveale. Elementi maggiori di 40 min di arco stimolazione para-foveale

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30 Morfologia della risposta normale da stimolo pattern transiente

31 Morfologia della risposta normale da stimolo pattern transiente

32 PEV Mettono in evidenza alterazioni funzionali precoci anche in assenza di riduzione del visus o modificazioni campimetriche. Costituendo una metodica semeiologica obiettiva, non invasiva e ripetibile nel tempo, offrono la possibilità di utili informazioni sia nella diagnosi che nel monitoraggio delle alterazioni funzionali indotte da numerose patologie neuroftalmologiche sull intero sistema visivo e disturbi funzionali.

33 Soglia di sensibilità al contrasto spaziale È la minima differenza di luminanza con la quale si riescono a percepire due mire di una determinata frequenza spaziale

34 Acquisizione della risposta La modalità utilizzata è stata quella con reticoli ad onda sinusoidale Vengono presentati monocularmente dei reticoli dei quali il soggetto in esame deve distinguere tra tre differenti orientamenti: verticale, inclinato 15 a dx e 15 a sn

35 Acquisizione della risposta La frequenza spaziale del reticolo è definita in cicli/grado (c/g) e vengono visualizzati i valori 0,5 1,0 1,5 3,0 6,

36 Acquisizione della risposta La soglia del contrasto che si può visualizzare per ogni frequenza spaziale va dal 100% allo 0,42%, calcolata secondo la formula di Michelson: C = L max L min / L max + L min C% = C x 100 S. C. = 1/contrasto

37 Acquisizione della risposta Nella procedura di presentazione si considera un intervallo di contrasto ottimizzato in funzione della frequenza spaziale

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39 Acquisizione della risposta Al fine di attenuare in modo costante la luminosità, si utilizzano filtri Wratten con un attenuazione media dell acutezza visiva di 0,49 ± 0,07 (min 0,33 max 0,76) Nel caso specifico, per ridurre l abbagliamento solare indotto e simulare una condizione di visione mesopica, si sono impiegati tre filtri sovrapposti

40 SOGLIA DI SENSIBILITA AL CONTRASTO Mette in evidenza alterazioni funzionali dell area maculare (15-20 ) in maniera concentrica Infatti, nell occhio umano la sensibilità al contrasto è massima per frequenze spaziali tra 1.5 e 3 c/g equivalenti ad un visus di 1-2/10 (area paramaculare) mentre è minima a frequenze spaziali elevate (18 c/g) corrispondenti ad un visus di 10/10 (area foveolare)

41 Risultati della sperimentazione PEV FCS

42 Risultati PEV Variazione dell'ampiezza della P100 tra condizioni basali ed ipossia a vari c/g 7 6 6,3 Ampiezza (microvolts) ,8 3,4 * 4,4 * 4,6 1 0 BL 0.25 Ipossia 0.25 BL 1 Ipossia 1 BL 2 Ipossia 2 Condizioni sperimentali c/g

43 Variazione dell'ampiezza della P100 tra condizioni basali ed ipossia (70% SaO 2 ) a vari c/g Pattern transient reversal (c/g) BL 0.25 Ipossia 0.25 BL 1 Ipossia 1 BL 2 Ipossia 2 Ampiezza P100 (µv) 4,8 3,4 6 4,4 6,3 4,6 Dev. St. 1,2 1,4 1,7 1,8 2,7 1,5 P<0.05 * *

44 Risultati PEV Variazione della latenza della P100 tra condizioni basali ed ipossia a vari c/g 135,0 130,6 130,0 125,0 121,4 Latenza (msec) 120,0 115,0 110,0 * 110,3 113,0 109,6 117,0 105,0 100,0 95,0 BL 0.25 Ipossia 0.25 BL 1 Ipossia 1 BL 2 Ipossia 2 Condizioni sperimentali c/g

45 Variazione della latenza della P100 tra condizioni basali ed ipossia (70% SaO 2 ) a vari c/g Pattern transient reversal (c/g) BL 0.25 Ipossia 0.25 BL 1 Ipossia 1 BL 2 Ipossia 2 Latenza P100 (msec) 121,4 130,6 110,3 113,0 109,6 117,0 Dev. St. 6,8 9,9 6,0 8,4 4,2 8,8 P<0,05 *

46 FCS con filtri in condizioni normossiche ed ipossiche Variazione della sensibilità al contrasto a varie frequenze spaziali in condizioni mesopiche 40,00 35,00 30,00 Sensibilità al contrasto 25,00 20,00 15,00 * BL Ipossia (70% so2) D.S. 10,00 * 5,00 0, Frequenze spaziali c/g

47 Risultati FCS Variazioni della soglia della sensibilità al contrasto a varie frequenze spaziali in condizioni mesopiche, normossiche ed ipossiche Frequenza spaziale (c/g) BL 15,95 28,77 37,09 29,35 17,43 3,97 1,77 D.S. 7,55 14,36 10,16 9,02 16,23 0,71 0,00 Ipossia (70% so2) 12,984 23,348 27,348 21,026 8,789 3,53 1,77 D.S. 4,55 7,92 7,50 6,41 2,88 0,00 0,00 P<0.05 *

48 Discussione

49 PEV I risultati ottenuti nello studio dei PEV hanno evidenziato che in condizioni mesopiche ed ipossiche (SaO 2 =70%) si ha:

50 PEV Una riduzione dell ampiezza del segnale alle frequenze che interessano i campi ricettivi peri- e para-foveolari Un aumento della latenza del segnale alle frequenze spaziali che interessano i campi ricettivi foveolari

51 PEV I risultati ottenuti dai PEV confermano quanto già in parte noto in letteratura ma solo ad un altezza di 4300m (Singh et al., 2004) in cui risultava un aumento di latenza della N1. I nostri studi sono stati condotti, di contro, ad un altezza equivalente di 6000m ottenendo aumento di latenza (P1) e riduzione di ampiezza (P1).

52 FCS I risultati ottenuti dallo studio della FCS hanno evidenziato che in condizioni mesopiche ed ipossiche (SaO 2 =70%) si ha:

53 FCS Una riduzione dell apice della curva di sensibilità al contrasto (1.5-3 c/g) che interessa i campi ricettivi peri-foveolari

54 FCS Anche i risultati dalla FCS confermano quanto in parte già noto in letteratura (Bridges e Kolder, 1964). La sensibilità al contrasto risultava diminuita appena dopo l induzione ipossica (ottenuta con il 10% di O 2 ed il 90% di N 2 ) e tale diminuzione rimaneva cotante durante tutto il periodo di osservazione di 15 minuti. Inoltre, tale riduzione persisteva per i 10 minuti successivi alla ritorno alle condizioni normossiche.

55 FCS Valutando l intera curva di sensibilità al contrasto in condizioni mesopiche i risultati della FCS sono molto più predittivi di quello che può accadere nella pratica quotidiana del pilota militare e cioè una netta riduzione di tale funzione Con l uso di filtri In condizioni ipossiche + uso di filtri

56 Presumibili eventi fisiopatologici PEV FCS

57 PEV IPOSSIA (diminuzione PpO 2 e PpCO 2 ) IPOCAPNIA (diminuzione CO 2 40mmHg 20 mmhg) IPERVENTILAZIONE ALCALOSI RESPIRATORIA (diminuzione CO 2, aumento ph) MECCANISMI RENALI DI COMPENSO NON RAPIDI (eliminazione HCO 3- ) DEPRESSIONE CENTRO BULBARE DELLA RESPIRAZIONE DA DIMINUZIONE DI CO 2 ) APNEA (fenomeno di compenso) IPERCAPNIA

58 PEV IPERCAPNIA IPERPOLARIZZAZIONE NEURONALE CEREBRALE (aree striate) DIMINUZIONE DELL ECCITABILITA AUMENTO DEI TEMPI DELLA CONDUZIONE NERVOSA RIDUZIONE DELL AMPIEZZA DELLO STIMOLO LUMINOSO PER DESINCRONIZZAZIONE

59 Il neurone

60 FCS I processi inibitori responsabili del fenomeno della sensibilità al contrasto risultano essere sensibili all ipossia e ne sono in special modo influenzati

61 Conclusioni

62 I risultati del nostro lavoro si differenziano profondamente da quelli degli Autori precedenti in quanto negli stessi soggetti sono stati eseguiti due esami che avevano finalità diverse: PEV: conduzione retino-corticale FCS: attività retinica

63 Il fatto di aver riscontrato un aumento della latenza dei PEV associato ad una riduzione dell ampiezza della curva della FCS induce a pensare che l ipossia intervenga contemporaneamente su due livelli: Retinico Cerebrale

64 Tali studi considerando l importanza funzionale e del notevole interesse nell aviazione militare necessitano di più approfondite valutazioni in varie condizioni sperimentali

65 Ringraziamenti Gli Autori ringraziano tutto il Corpo Sanitario Aeronautico in specie il Gen.Isp.Capo Manlio CARBONI, il Col. Giuseppe CIMIGLIO AGGIONI ed il Maresciallo 1^ Classe Operatore Spec. Sanitario Gregorio ANGELINO

66 Grazie per l attenzione