Spettroscopia Protonica con Risonanza Magnetica nella schizofrenia: considerazioni cliniche

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1 Spettroscopia Protonica con Risonanza Magnetica nella schizofrenia: considerazioni cliniche GIUSEPPE BLASI, ALESSANDRO BERTOLINO Gruppo di Neuroscienze Psichiatriche, Dipartimento di Scienze Neurologiche e Psichiatriche, Università degli Studi di Bari, Bari; Unità Operativa di Neuroradiologia, IRCCSS Ospedale Casa Sollievo della Sofferenza, San Giovanni Rotondo, Foggia RIASSUNTO La Spettroscopia Protonica con Risonanza Magnetica (1H-MRS) è diventata un importante strumento per lo studio in vivo di alcuni aspetti biochimici dei disturbi del cervello. Nell ultima decade questa tecnica è stata utilizzata per l investigazione in vivo della patofisiologia dei disturbi psichiatrici. Questo articolo descrive i principi su cui si basa la MRS e gli studi effettuati nella schizofrenia con questa metodologia, con particolare riferimento a quelli che hanno chiarito alcuni elementi della relazione fra gli aspetti biochimici e quelli clinici. I dati sembrano coinvolgere nella patofisiologia della schizofrenia fondamentalmente due strutture: l ippocampo, soprattutto per quanto riguarda una potenziale suscettibilità, e la corteccia prefrontale dorsolaterale, che sembra invece essere la regione anatomica effettrice della disregolazione del sistema dopaminergico, dei deficit di working memory e dei sintomi negativi. Coerentemente a ciò, gli antipsicotici, ed in particolare quelli di seconda generazione, sembrano modificare i segnali di MRS particolarmente nella corteccia prefrontale. Parole chiave: Spettroscopia Protonica con Risonanza Magnetica, N-acetilaspartato, corteccia prefrontale dorsolaterale, ippocampo, schizofrenia. ESPLORAZIONE MORFOFUNZIONALE DEL CERVELLO E POTENZIALI APPLICAZIONI CLINICHE NELLA SCHIZOFRENIA NÓOς 4:2002; SUMMARY Proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) has become an important tool to study in vivo certain biochemical aspects of brain disorders. In the last decade this technique has been applied to the in vivo investigation of the pathophysiology of psychiatric disorders. This review will describe the principles on which MRS is based, and it will focus on the studies that have been performed in schizophrenia with this technique. More specifically, it will focus on studies that have clarified some aspects of the relationship between biochemical and clinical features of this disorder. Generally, data suggest involvement of two structures in the pathophysiology of schizophrenia: the hippocampus, conferring potential susceptibility, and dorsolateral prefrontal cortex, that seems to be the effector for the dysregulation of dopamine, for working memory deficits, and for negative symptoms. Consistent with these data, antipsychotic drugs, especially second generation antipsychotic drugs, seem to modify MRS signals specifically in prefrontal cortex. Key words: Proton magnetic resonance spectroscopy, N-acetylaspartate, dorsolateral prefrontal cortex, hippocampus, schizophrenia. Indirizzo per la corrispondenza: Alessandro Bertolino, Gruppo di Neuroscienze Psichiatriche, Dipartimento di Scienze Neurologiche e Psichiatriche, Università degli Studi di Bari Bari. Tel ; Fax ; bertolia@psichiat.uniba.it 265

2 NÓOς G. BLASI - A. BERTOLINO SPETTROSCOPIA PROTONICA CON RISONANZA MAGNETICA NELLA SCHIZOFRENIA: CONSIDERAZIONI CLINICHE PRINCIPI FISICI La Spettroscopia Protonica con Risonanza Magnetica ( 1 H-MRS) è una delle possibili applicazioni della Spettroscopia con Risonanza Magnetica (MRS), una tecnica non invasiva che permette lo studio in vivo di alcuni aspetti della biochimica cerebrale. Per comprendere come si possano ottenere informazioni di questo tipo dalla MRS bisogna descrivere i principi su cui si basa la Risonanza Magnetica Nucleare (NMR). Essa utilizza le proprietà dei nuclei atomici, che sono definiti magnetici quando non hanno una carica elettrica neutra, poiché il numero dei protoni (carichi positivamente) che li costituiscono ed il numero degli elettroni (che hanno carica negativa) che li circondano è dispari. Ogni nucleo ha inoltre una sua caratteristica frequenza di risonanza, dove, in termini laici, per risonanza si intende un fenomeno generale per il quale un nucleo assorbe nella maniera più efficiente energia da una fonte elettromagnetica esterna che lo fa ruotare intorno al suo asse principale (spin). Possiamo quindi definire frequenza di risonanza la frequenza alla quale un nucleo è più fortemente eccitato da un determinato impulso elettromagnetico. Ogni nucleo ha una sua propria frequenza di risonanza, e, sfruttando questa caratteristica e le succitate proprietà magnetiche, la NMR permette di ottenere immagini strutturali di altissima qualità eccitando il nucleo dell idrogeno contenuto nelle molecole dell acqua, il maggior costituente del nostro organismo. Infatti, se nuclei magnetici come quelli dell idrogeno sono posti in un forte campo magnetico, come quello fornito dalla macchina utilizzata per la NMR, essi tendono ad allinearsi con l asse maggiore del campo, la cui direzione è quella dell asse maggiore della macchina. Successivamente a questo allineamento, se sono applicati degli impulsi elettromagnetici su un asse differente da quello maggiore, i nuclei tendono ad allontanarsi dal campo magnetico principale secondo un determinato angolo. Nel momento in cui l impulso magnetico è eliminato, i nuclei tendono a riallinearsi con il campo magnetico principale, cedendo energia; quest ultima, se captata da un antenna, fornisce un segnale che, tramite un procedimento matematico (la trasformata di Fourier), viene convertito in immagini. Fin qui abbiamo parlato dei principi di base della NMR, ma la MRS ha una peculiarità rispetto a quest ultima, e cioè la possibilità di ottenere informazioni non solo relative a molecole abbondanti come quelle dell acqua, ma anche da altre molecole che contengano il nucleo dell idrogeno. Questa capacità deriva dallo sfruttamento del principio fisico del chemical shift, per il quale ogni molecola possiede un numero specifico di elettroni che creano un piccolo campo magnetico, il quale a sua volta modifica leggermente la frequenza di risonanza dei nuclei in essa contenuti. Questo rende le suddette molecole discernibili tramite la Spettroscopia, ed associabili a picchi di uno spettro sottesi da un area proporzionale alla concentrazione delle molecole stesse. In particolare, la 1 H-MRS, di cui qui ci occupiamo, utilizza l eccitazione del nucleo dell idrogeno, e ciò permette di quantificare la concentrazione di alcuni composti che lo contengono e che siano abbondanti, in soluzione e liberi di risuonare. 266

3 Due sono le modalità di acquisizione del segnale con la 1 H-MRS: la Single- Voxel 1 H-MRS e l Imaging di Spettroscopia Protonica con Risonanza Magnetica ( 1 H-MRSI). La prima consente di ottenere un singolo spettro da un volume (voxel) di encefalo limitato e di solito ampio, mentre la seconda permette di acquisire centinaia di spettri da voxel piccoli e molto meglio determinati dal punto di vista anatomico, permettendo quindi di ricavare informazioni da diverse zone encefaliche nello stesso momento. Ma quali sono i metaboliti che abbiamo la possibilità di studiare e sui quali si è soffermato fino ad oggi in misura maggiore l interesse della letteratura scientifica psichiatrica? Il primo è l N-acetilaspartato (NAA), il cui picco di risonanza si ritrova nello spettro a 2,01 parti per milione (ppm, una scala nominale che è basata sulla collocazione del picco di risonanza di un composto di riferimento, il tetrametilxilano) ed in misura molto minore a 2,5 ppm. Nel cervello completamente maturo l NAA si trova soltanto nei neuroni, ed in più alte concentrazioni nei neuroni piramidali glutammatergici 1,2. Esso è sintetizzato nei mitocondri, e proviene da una reazione di transaminazione catalizzata dall l-aspartato-n-acetil-transferasi, i cui substrati sono il glutammato per l aspartato e il piruvato o il 3-idrossibutirrato per l acetil CoA 3. Dal punto di vista biochimico, è noto che l NAA, attraverso l azione sui recettori NMDA per il glutammato, provoca un aumento del calcio intracellulare 4 ; inoltre, la sua concentrazione è ridotta dall inibizione farmacologica del metabolismo mitocondriale e correla con la riduzione relativa del consumo di ATP e O 2 5. Numerosi studi hanno dimostrato peraltro che la riduzione di NAA è reversibile. Tutti questi dati suggeriscono che questo metabolita può essere considerato come un marker dell integrità funzionale dei neuroni 6-9. Il segnale dei composti contenenti colina (CHO), situato a 3,2 ppm, è generato in massima parte da fosfolipidi di membrana (quali fosfocolina e glicerofosfocolina), ed un suo incremento riflette un aumento del loro turnover. La creatina e la fosfocreatina danno insieme origine ad un picco unico (CRE) a 3,0 ppm che si associa prevalentemente ai processi energetici cellulari sia neuronali che gliali. Il glutammato, la glutammina e il GABA danno origine ad uno stesso picco (tglx) a 2,1 ppm, a 2,29 ppm, ed in una regione collocata tra i 3,72 e i 3,82 ppm; ciò non permette una definizione individuale dei singoli tre metaboliti, anche se sono state utilizzate funzioni matematiche che utilizzano una conoscenza a priori delle loro concentrazioni nel tentativo di ottenere misurazioni differenziate 10. In ogni caso, tglx fornisce informazioni riguardo al pool metabolico di glutammato (la larga parte del segnale di tglx), al turnover di neurotrasmettitori come il GABA e il glutammato e di sostanze coinvolte nel metabolismo di entrambi, come la glutammina 11. Il picco Myo-I (3,56 ppm) comprende l inositolo-1-fosfato, il fosfatidil-inositolo, l inositolo-3-fosfato, e l inositolo-4-fosfato. Le informazioni fornite da questo segnale non sono chiare 12, anche se un suo aumento è stato riscontrato in situazioni di gliosi, e quindi può essere considerato un indice di degenerazione neuronale. Un ultimo punto metodologico riguarda la quantificazione dei metaboliti misurati. La misurazione delle concentrazioni vere comporterebbe una correzione per molti parametri, e quindi la maggior parte delle ricerche è ricorsa ESPLORAZIONE MORFOFUNZIONALE DEL CERVELLO E POTENZIALI APPLICAZIONI CLINICHE NELLA SCHIZOFRENIA NÓOς 4:2002;

4 NÓOς al rilevamento dei rapporti tra i segnali dei metaboliti (ad esempio NAA/CRE, NAA/CHO, CHO/CRE), mentre altre hanno preso in considerazione il rapporto tra i segnali dei metaboliti ed il segnale dell acqua, o tra i segnali dei metaboliti ed il segnale del rumore. GLI STUDI DI 1 H-MRS NELLA SCHIZOFRENIA G. BLASI - A. BERTOLINO SPETTROSCOPIA PROTONICA CON RISONANZA MAGNETICA NELLA SCHIZOFRENIA: CONSIDERAZIONI CLINICHE La ricerca sulla schizofrenia ha prodotto una serie di dati che hanno messo in evidenza l importanza di aree cerebrali come la corteccia prefrontale dorsolaterale, l ippocampo, ed alcune aree sottocorticali per la patofisiologia di questo disturbo. Di conseguenza, gli studi che si sono avvalsi della 1 H-MRS si sono orientati prevalentemente verso l analisi di quelle zone dell encefalo. Passeremo in rassegna prima le ricerche effettuate con tecnica Single-Voxel 1 H-MRS, poi quelle con 1 H-MRSI; in seguito focalizzeremo l attenzione sugli studi che si sono occupati della relazione fra alterazioni metaboliche cerebrali e variabili cliniche, per poi soffermarci su quelli tesi ad evidenziare gli effetti che la farmacoterapia provoca sulla biochimica neuronale. Infine, prenderemo in considerazione alcuni studi con modelli animali che hanno esplorato la relazione fra aree cerebrali considerate importanti per la patogenesi della schizofrenia. Studi con Single-Voxel 1 H-MRS Nasrallah et al. nel hanno studiato l ippocampo di 11 pazienti con schizofrenia ed 11 controlli utilizzando un voxel di 12 cc, ed hanno evidenziato una diminuzione di NAA che raggiungeva livelli di significatività statistica solo a destra (circa 30% di riduzione). Maier et al. 14 hanno rilevato nell ippocampo di sinistra una riduzione della concentrazione di NAA, CHO e CRE (normalizzata con il segnale dell acqua) in 25 pazienti rispetto a 32 controlli, prendendo in considerazione un voxel di dimensioni variabili da 4 a 9 cc. In un secondo studio dello stesso gruppo di ricerca 15, che ha utilizzato in questo caso un voxel di 5-7 cc, si è messa in evidenza nella parte anteriore dell ippocampo di 26 pazienti con schizofrenia e 38 controlli, una diminuzione della concentrazione di NAA che correlava con l età nella stessa maniera nei due gruppi, ed inoltre un minore incremento (ancora correlato all età) della concentrazione di CHO nei pazienti; quest ultimo dato è stato interpretato come dovuto ad un alterazione della mielinizzazione nei soggetti con schizofrenia. Due altri studi hanno centrato la loro attenzione sui lobi temporali: il primo, effettuato da Renshaw et al. 16, ha messo in evidenza una riduzione bilaterale di NAA, ricavando il dato da un voxel di che comprendeva i lobi temporali mediali ed una porzione dell ippocampo; nel secondo, Yurgelun-Todd et al. 17, usando una tecnica ed una regione di interesse simili, hanno riscontrato differenze nella concentrazione di NAA dello stesso segno. La differenza sostanziale tra questi due studi era nel campione utilizzato, che nel primo caso era composto da pazienti al primo episodio di psicosi (n=13, trattati da 268

5 meno di una settimana con antipsicotici), nel secondo da soggetti con schizofrenia cronica trattati con psicofarmaci da anni (n=16). Siccome questi due studi hanno riportato riduzioni di NAA di entità simile, è possibile ipotizzare che la riduzione di NAA nell area studiata non è un prodotto della cronicizzazione della patologia né del prolungarsi del trattamento nel tempo. Una ricerca condotta da Buckley et al. 18 che ha utilizzato un campione di 28 pazienti con schizofrenia, dei quali 4 drug-naïve, e 20 soggetti sani, ha focalizzato l analisi sui lobi temporali e su quelli frontali (voxel di 11 cc). I risultati hanno evidenziato solo nei soggetti di sesso maschile una riduzione di NAA a fronte di un aumento di CHO in una regione che includeva la porzione anterodorsale del lobo frontale, mentre nessuna differenza si riscontrava a livello dei lobi temporali mediali. Fukuzako et al. 19 hanno studiato il lobo frontale sinistro (voxel di 3 cc) e il lobo temporale mediale (voxel di 2 cc) in 30 pazienti con schizofrenia e 30 soggetti sani, riscontrando nei pazienti una riduzione di NAA/CRE e di NAA/CHO ed un incremento di CHO/CRE nel lobo temporale, mentre non erano evidenti differenze a livello del lobo frontale. Fra le ricerche che hanno avuto come oggetto il lobo frontale, Steel et al. 20 hanno utilizzato insieme alla 1 H-MRS la Diffusion Tensor Imaging (DTI), la cui utilizzazione permette di ottenere degli indicatori relativi all integrità strutturale di un tratto di fibre nervose. La comparazione tramite entrambe le tecniche della sostanza bianca prefrontale (voxel di 1,5 cc) di 10 pazienti con schizofrenia e 10 controlli sani ha messo in evidenza una riduzione non statisticamente significativa, ma consistente (10-15%), di NAA, a fronte di un assenza di differenze rilevate dalla DTI. Gli autori concludevano che la riduzione di NAA nella sostanza bianca prefrontale non può essere attribuita ad un anomalia strutturale delle fibre, ma ad una anomalia della funzione neuronale. La corteccia prefrontale dorsolaterale è sicuramente una delle aree corticali di maggiore importanza nella patofisiologia della schizofrenia. Una ricerca del 1998 di Cecil et al. 21 ha studiato questa zona dell encefalo (voxel di ) e il lobo temporale (voxel di 4,5 cc) in 10 pazienti drug-naïve, comparandoli con 24 controlli sani. I risultati hanno evidenziato una diminuzione di NAA in entrambi i lobi dei soggetti con schizofrenia, nonché un leggero aumento del rapporto CHO/CRE nella corteccia prefrontale dorsolaterale; inoltre, si notava una diminuzione di CHO/CRE ed un aumento di AMINOACIDI/CRE nel lobo temporale, dove per AMINOACIDI si intendevano i metaboliti i cui picchi di risonanza si collocavano nella zona dello spettro compresa fra i 2,1 ppm e i 2,5 ppm. L importanza di questo studio consiste anche nel fatto che veniva esclusa tramite la selezione del campione la variabile associata al trattamento farmacologico, che non poteva essere concausa dei risultati ottenuti. Uno studio di Rakow et al. 22 ha esaminato con un voxel di la corteccia prefrontale dorsolaterale ed il centro semiovale di 14 pazienti con schizofrenia e 14 controlli sani, riscontrando una riduzione di NAA e tglx solo a livello della corteccia prefrontale dorsolaterale. Anche altre aree cerebrali sono state analizzate nella schizofrenia con la Single-Voxel 1 H-MRS. Sharma et al. 23 hanno esaminato i gangli della base, siti nei pressi del corno anteriore del ventricolo laterale, e la corteccia occipitale ESPLORAZIONE MORFOFUNZIONALE DEL CERVELLO E POTENZIALI APPLICAZIONI CLINICHE NELLA SCHIZOFRENIA NÓOς 4:2002;

6 NÓOς G. BLASI - A. BERTOLINO SPETTROSCOPIA PROTONICA CON RISONANZA MAGNETICA NELLA SCHIZOFRENIA: CONSIDERAZIONI CLINICHE di 9 pazienti con schizofrenia e di 9 controlli sani con un voxel di 2,5 cc, non rilevando nessuna differenza nei metaboliti presenti in queste due aree. Sempre a livello dei gangli della base, uno studio di Shioiri et al. 24 ed un altro di Fuijmoto et al. 25 hanno riscontrato un aumento della CHO, e nessuna differenza nella concentrazione di NAA. Heinberg et al. 26 hanno studiato 24 pazienti e 39 controlli sani utilizzando ancora la Single-Voxel 1 H-MRS, ma prendendo in considerazione più voxel da che coprivano aree cerebrali quali la sostanza bianca prefrontale sinistra, il lobo temporale sinistro escluso l ippocampo, i gangli della base di sinistra, ed il talamo bilateralmente; i risultati hanno evidenziato un trend di incremento di Myo-I/CRE nel lobo temporale ed una riduzione di NAA/CRE nel talamo. Il talamo è stato investigato anche da altri gruppi. Omori et al. 27 hanno riscontrato nei soggetti con schizofrenia una diminuzione di NAA/CRE e CHO/CRE solo a livello talamico e non nel lobo frontale studiando 20 pazienti e 16 controlli sani (voxel di 2 cc). Delamillieure et al. 28, invece, non hanno riscontrato alcuna differenza in NAA/CRE, CHO/CRE, Myo/CRE fra il talamo di 27 pazienti e di 24 controlli sani studiati con un voxel di, mentre hanno rilevato una riduzione del rapporto NAA/CRE in entrambi i gruppi (ma più evidente nei pazienti) all aumentare dell età. Auer et al. 29 hanno incluso nel loro studio 32 pazienti con schizofrenia in fase acuta e 17 controlli comparabili per età, ed hanno analizzato con un voxel di 5,8 ml i nuclei medio-dorsali e laterali del talamo, e con un voxel di 6,8-8 ml la sostanza bianca parietale. I risultati hanno messo in evidenza una diminuzione di NAA a livello talamico ed un aumento di CHO e di Myo-I a livello della sostanza bianca parietale. In base ai dati ottenuti sulla diminuzione di CHO nella sostanza bianca parietale, gli autori suggerivano la presenza nella schizofrenia di un disordine generalizzato delle membrane cellulari. Fra le altre aree cerebrali analizzate ricordiamo il nucleo caudato, oggetto di un lavoro di Bustillo et al. 30, che ha utilizzato un campione di 11 pazienti drug-naïve e 11 controlli sani ed un voxel di 6 cc che copriva il nucleo caudato di sinistra. I risultati mostravano un aumento della concentrazione di CHO nei pazienti, mentre non vi erano differenze nel livello di NAA e CRE. Gli autori concludevano affermando che gli alti livelli di CHO nella schizofrenia non sono secondari al trattamento farmacologico antipsicotico. Eluri et al. 31 hanno preso invece in considerazione il ponte ed il cervelletto di 12 pazienti e 8 controlli sani utilizzando un voxel di, ed hanno riportato una riduzione di NAA/CRE solo nel ponte. Tibbo et al. 32 hanno studiato ancora una area del cervelletto, il verme, con un voxel di 2 cc, in 12 pazienti e 12 controlli sani, non trovando alcuna differenza nei rapporti NAA/CRE e CHO/CRE. Altri studi hanno cercato di evidenziare differenze nella concentrazione del glutammato, della glutammina e del GABA; queste ricerche, come già detto, si basano su una conoscenza a priori della concentrazione dei metaboliti e quindi sull ipotetica possibilità di identificare quantitativamente le suddette tre molecole. In realtà questo metodo ha il problema di avere una bassa riproducibilità nello stesso campione in paragone ad altre tecniche. Ricordiamo due studi di questo tipo: nel primo, Stanley et al. 33 hanno analizzato la corteccia prefrontale dorsolaterale sinistra di 29 pazienti con schizofrenia 270

7 divisi in tre gruppi (drug-naïve, acuti trattati farmacologicamente, cronici trattati farmacologicamente) e li hanno confrontati con 24 controlli rispetto alle concentrazioni di GABA, glutammato e glutammina, considerando un voxel di. I risultati non hanno evidenziato alcuna differenza fra il gruppo dei drug-naïve ed i controlli, mentre negli altri due sottocampioni di pazienti la concentrazione di glutammina appariva aumentata rispetto ai controlli, facendo pensare ad un effetto del trattamento farmacologico sul turnover di questi metaboliti. Nel secondo, Bartha et al. 34 hanno esaminato il cingolo anteriore sinistro in 10 pazienti e 10 controlli, rilevando nei pazienti un incremento della concentrazione di glutammina. Studi sulla schizofrenia ad esordio nell infanzia Altre ricerche sono state orientate verso lo studio dei cambiamenti biochimici che si verificano all esordio o nei primi stadi della patologia. Brooks et al. 35 utilizzando un voxel di hanno riportato una riduzione di NAA/CRE nel lobo frontale sinistro di 16 bambini con schizofrenia rispetto a 12 controlli sani. Uno studio di Thomas et al. 36, che ha utilizzato un voxel di, ha anch esso evidenziato nella sostanza grigia frontale di 13 bambini ed adolescenti con disturbi dello spettro schizofrenico una diminuzione di NAA/CRE. Bartha et al. 37, hanno sottoposto a Single-Voxel 1 H-MRS 11 pazienti al primo episodio di schizofrenia ed 11 controlli sani, utilizzando un voxel di 6 cc che copriva il lobo temporale mediale sinistro. Dei pazienti, 8 avevano esperito i primi sintomi meno di 18 mesi prima dello studio, 2 da due anni ed uno da sette. Nessuna differenza tra i metaboliti è stata riscontrata fra i due gruppi. Il disegno di questo studio prevedeva la determinazione quantitativa della sostanza grigia e bianca analizzata, ed essendo la prima largamente preponderante rispetto alla seconda, gli autori concludevano che, nelle ricerche dove si era evidenziata una diminuzione di NAA, questa era da attribuire solo alla sostanza bianca. ESPLORAZIONE MORFOFUNZIONALE DEL CERVELLO E POTENZIALI APPLICAZIONI CLINICHE NELLA SCHIZOFRENIA NÓOς 4:2002; Studi sui sottotipi di schizofrenia Uno dei filoni di ricerca in questo campo ha cercato di differenziare il pattern metabolico a seconda dei diversi sottotipi di schizofrenia. Fukuzako et al. 38 hanno comparato i livelli di NAA, CHO, CRE e Myo-I ottenuti dal lobo temporale mediale sinistro di 40 pazienti con schizofrenia (16 con schizofrenia disorganizzata, 11 paranoide, 4 residua, 9 indifferenziata) e 40 controlli sani con un voxel di 2 cc che comprendeva la formazione ippocampale, la corteccia entorinale, l amigdala, il corno temporale del ventricolo laterale e la coda del nucleo caudato. In generale, i pazienti mostravano una riduzione del rapporto NAA/CRE, ed in particolare quelli con schizofrenia indifferenziata evidenziavano un più basso rapporto NAA/CRE e CHO/CRE di quelli affetti da schizofrenia paranoide, suggerendo una peggiore funzionalità neuronale nei primi rispetto ai secondi a livello del lobo temporale mediale sinistro. Delamillieure et al. 39, distinguendo il loro campione di 22 pazienti in 5 affetti da schizofrenia deficitaria e 17 con schizofrenia non deficitaria, e confrontando- 271

8 NÓOς li con 21 controlli sani con un voxel di, hanno riscontrato a livello della corteccia prefrontale mediale di destra e di sinistra un minor rapporto NAA/CRE nei pazienti con schizofrenia deficitaria rispetto agli altri due gruppi. Ohara et al. 40 hanno utilizzato un campione di 10 pazienti con schizofrenia semplice e 10 controlli sani ed un voxel di, ed hanno quantificato i rapporti CHO/CRE, NAA/CRE ed NAA/CHO a livello dei nuclei lenticolari, non rilevando nessuna differenza tra i due gruppi analizzati, concludendo che la patofisiologia della schizofrenia semplice potrebbe essere differente da quella di altri sottotipi di schizofrenia. Studi sulla familiarità G. BLASI - A. BERTOLINO SPETTROSCOPIA PROTONICA CON RISONANZA MAGNETICA NELLA SCHIZOFRENIA: CONSIDERAZIONI CLINICHE Alcuni gruppi hanno cercato di evidenziare l influenza di determinanti legate all ereditarietà sul pattern metabolico dei pazienti schizofrenici. Fukuzako 41 ha considerato 64 pazienti e 51 controlli sani a livello del lobo temporale mediale, evidenziando una riduzione del rapporto NAA/CRE nei gruppo dei pazienti, ed in particolare una maggiore riduzione di questo valore nei 13 pazienti con storia familiare di disturbo psicotico. Block et al. 42 hanno studiato il lobo frontale sinistro (voxel di 40 x 30 x 25 mm) ed i gangli della base (voxel di 35 x 25 x 20 mm) di 25 pazienti con schizofrenia familiare, 13 membri della loro famiglia con varie diagnosi psichiatriche, 35 membri della famiglia non affetti, e 19 controlli sani provenienti dalla comunità. I risultati hanno messo in evidenza soltanto una riduzione del rapporto NAA/CHO nei pazienti con schizofrenia rispetto ai membri della famiglia non affetti ed ai controlli sani a livello del lobo frontale sinistro, e nessuna differenza nei gangli della base. Non sono emerse differenze significative fra i membri della famiglia non affetti e i controlli. Dalla revisione della letteratura degli studi con 1 H-MRS nella schizofrenia emerge dunque in maniera più evidente e meno contraddittoria un interessamento di aree come il lobo frontale (ed in particolare della corteccia prefrontale dorsolaterale), e dell ippocampo. Il dato più saliente in queste due aree cerebrali è la riduzione della concentrazione dell NAA, che tra l altro non sembra essere prodotta né dalla cronicità di malattia né da quella di trattamento, come dimostrano gli studi effettuati in soggetti nelle fasi precoci del disturbo. Studi con 1 H-MRSI Gli studi di 1 H-MRSI si sono affiancati a quelli di single-voxel 1 H-MRS solo dopo alcuni anni dall inizio dell utilizzazione della MRS. Nel 1996 Bertolino et al. 43, utilizzando circa 700 voxel di 1,4 cc che coprivano l intero encefalo, hanno studiato la concentrazione di NAA, CRE e CHO in diverse aree cerebrali (corteccia prefrontale dorsolaterale, ippocampo, giro frontale inferiore, giro temporale superiore, corteccia occipitale, cingolato anteriore e posteriore, putamen, talamo, sostanza bianca prefrontale, centro semiovale) di dieci pazienti con schizofrenia e 10 controlli sani, riscontrando differenze 272

9 Legenda: NAA: N-acetilaspartato; CHO: colina; CRE: creatina. Figura 1a. Studio 1 H-MRSI in un paziente con Disturbo Schizofreniforme. A sinistra in bianco e nero sono mostrate le immagini di Risonanza Magnetica strutturale acquisite a livello dell ippocampo e della corteccia prefrontale dorsolaterale in maniera coplanare rispetto alle immagini di 1 H-MRSI. In basso sono riportati due spettri dall area ippocampale (HIPPO) e dalla corteccia prefrontale dorsolaterale (DLPFC) con l evidenziazione dei picchi di NAA (N-acetilaspartato), CHO (composti contenenti colina), CRE (creatina-fosfocreatina). ESPLORAZIONE MORFOFUNZIONALE DEL CERVELLO E POTENZIALI APPLICAZIONI CLINICHE NELLA SCHIZOFRENIA NÓOς 4:2002; in NAA/CRE ed NAA/CHO solo a livello della corteccia prefrontale dorsolaterale e dell ippocampo. In uno studio successivo, ancora Bertolino et al. 44 hanno riscontrato con la stessa tecnica le medesime differenze in 12 pazienti non trattati farmacologicamente rispetto a 12 controlli sani, suggerendo che queste variazioni metaboliche non possono essere dovute al trattamento farmacologico, in accordo con alcuni dei sopra citati studi di single-voxel 1 H- MRS 16,21. Callicott et al. 45, sempre con la metodologia utilizzata per i precedenti citati studi di Bertolino et al. 43,44, ha messo in evidenza, confrontando un campione di 103 pazienti con schizofrenia e 71 controlli sani, una diminuzione dei rapporti NAA/CHO ed NAA/CRE nella corteccia prefrontale dorsolaterale e nell ippocampo dei pazienti, suggerendo che l assenza di questo dato riportato in alcuni studi precedenti poteva derivare dalla bassa numerosità del campione utilizzato. Nello stesso studio, inoltre, sono stati sottoposti ad 1 H-MRSI 47 pazienti con schizofrenia, la loro fratria non affetta (n=60), e 66 controlli sani, ed anche qui si è evidenziata una diminuzione dei livelli di NAA nell ippocampo sia nei pazienti, sia nella loro fratria rispetto ai controlli, suggerendo da una parte la possibile esistenza di fenotipi intermedi nelle famiglie con membro affetto da schizofrenia, dall altra il fatto che queste variazioni metaboliche sono familiari e non indotte dal trattamento farmacologico o dalla psicosi cronica. È altresì importante sottolineare che nei pazienti le differenze di livelli di NAA si evidenziavano soltan- 273

10 NÓOς Tabella I. Gli studi con Single-Voxel 1 H-MRS nella schizofrenia. Autori N Pazienti + Controlli Area Voxel TE misure RISULTATI Nasrallah et al., Ippocampi 12 cc 50 - rapporti Significativa riduzione NAA solo a destra Maier et al., Aree ippocampali 4-9 cc 135 -concentrazioni Riduzione di tutti i metaboliti a sx Maier et al., Aree ippocampali 5-7 cc 135 -concentrazioni Riduzione NAA correlata all età; aumento CHO G. BLASI - A. BERTOLINO SPETTROSCOPIA PROTONICA CON RISONANZA MAGNETICA NELLA SCHIZOFRENIA: CONSIDERAZIONI CLINICHE Renshaw et al.,1995 Yurgelun-Todd et al., 1996 Buckley et al., 1994 Fukuzako et al., 1995 Steel et al., naïve (4 naïve) Lobi temporali mesiali Lobi temporali mesiali Lobi temporali Lobi frontali Lobi temporali mesiali Lobo frontale sx Sostanza bianca prefrontale 11 cc 27 cc 27 cc 3,4 cc 30 - rapporti 30 - rapporti 68 - % metaboliti totali, rapporti rapporti 96 - concentrazioni Riduzione bilaterale NAA Riduzione bilaterale NAA Riduzione NAA; aumento CHO Riduzione NAA/CRE, NAA/CHO; aumento CHO/CRE Riduzione NAA Cecil et al., naïve +24 Lobo temporale Corteccia prefrontale dorsolaterale 4,5 cc rapporti Riduzione NAA, riduzione CHO/CRE; aumento AMINOACIDI/CRE rid. NAA, aum. CHO/CRE Rakow et al., Corteccia prefrontale dorsolaterale Centro semiovale 30 - concentrazioni Riduzione NAA e tglx Sharma et al., Gangli della base Corteccia occipitale 2,5 cc rapporti Shioiri et al., Gangli della base 9 cc rapporti Aumento CHO Fuijmoto et al., (ο >) + 12 Gangli della base 15.6 cc rapporti Aumento CHO Heinberg et al., Lobo temporale sx Talamo Bianca prefrontale sx, gangli della base sx rapporti Riduzione Myo-I/CRE Riduzione NAA/CRE Omori et al., Talamo Lobo frontale rapporti Riduzione NAA/CRE CHO/CRE 274

11 Autori N Pazienti + Controlli Area Voxel TE misure RISULTATI Delamillieure et al., Talamo 30 - rapporti Diminuzione NAA/CRE all aumentare dell età Auer et al., acuti + 17 Talamo Sostanza Bianca parietale 5, 6, concentrazioni Diminuzione NAA Aumento CHO e Myo-I Bustillo et al., 2002 Eluri et al., 1998 Tibbo et al., 2000 Stanley et al., 1996 Bartha et al., 1998 Brooks et al., 1998 Thomas et al., naïve naïve + 12 acuti in terapia +12 cronici in terapia (esordio infantile) (esordio infantile) + 13 Caudato sx Ponte cervelletto Verme del cervelletto Regioni prefrontali dorsolaterali sx (soprattutto bianca) Cingolo anteriore sx Lobo frontale Sostanza grigia frontale 6 cc 4,5 cc 40 - concentrazioni 30 - rapporti rapporti 20 - concentrazioni 20 -concentrazioni rapporti 30 - rapporti Aumento CHO Riduzione NAA/CRE Nei pazienti trattati, aumento glutammina Aumento glutammina Riduzione NAA/CRE Riduzione NAA/CRE ESPLORAZIONE MORFOFUNZIONALE DEL CERVELLO E POTENZIALI APPLICAZIONI CLINICHE NELLA SCHIZOFRENIA NÓOς 4:2002; Fukuzako et al., SCZ dis SCZ par. + 4 SCZ res. + 9 SCZ ind Area con ippocampo, amigdala, corno temporo ventricolare laterale, caudato 60 - rapporti Riduzione di NAA/CRE, SCZ indicativa diminuzione NAA/CRE CHO/CRE rispetto a SCZ Delamillieure et al., SCZ deficit SCZ non deficit + 21 Corteccia prefrontale mediale 30 - rapporti Diminuzione NAA/CRE in SCZ def. rispetto agli altri due gruppi Ohara et al. 10 SCZ sempl Nuclei lenticolari 40 - rapporti Fukuzako, Lobo temporale mediale Rapporti Riduzione NAA/CRE, maggiore in pz. con storia familiare Block et al., SCZ fam loro familiari con altre diagnosi + 35 loro familiari non affetti + 19 Lobo frontale sx Gangli della base 40 x 30 x 25 mm 35 x 25 x 20 mm 272/30 - rapporti Riduzione NAA/CHO in SCZ rispetto ai membri non affetti e NC Legenda: NAA: N-acetilaspartato; CHO: colina; CRE: creatina+fosfocreatina; tglx: glutammato, glutammina, GABA; Myo-I: inositolo-1-fosfato, fosfatidil-inositolo, inositolo-3-fosfato, inositolo-4-fosfato; SCZ: schizofrenia. 275

12 NÓOς G. BLASI - A. BERTOLINO SPETTROSCOPIA PROTONICA CON RISONANZA MAGNETICA NELLA SCHIZOFRENIA: CONSIDERAZIONI CLINICHE to a livello della corteccia prefrontale dorsolaterale e nell ippocampo, e nella loro fratria soltanto a livello dell ippocampo, nonostante le aree analizzate fossero, come abbiamo visto, numerose. Deicken et al., in una prima ricerca 46 con la stessa tecnica di imaging già citata 43 ed un voxel di 1,3 cc hanno considerato il solo ippocampo di 30 pazienti cronici e 18 controlli, ed hanno riscontrato a questo livello una riduzione bilaterale di NAA ed un trend di aumento di CRE a sinistra; in un secondo studio 47 effettuato su 24 pazienti e 15 controlli sani è stata inoltre messa in evidenza una riduzione di NAA nella corteccia prefrontale dorsolaterale di sinistra. In una recente ricerca, Weber- Farh et al. 48 hanno utilizzato un campione di 15 pazienti con schizofrenia e 15 controlli sani, ed una tecnica che prevedeva sia l acquisizione spettroscopica (voxel di 2,4 cc) sia la segmentazione (differenziazione di sostanza bianca, grigia e liquor). La misura della concentrazione dei metaboliti, corretta per diversi parametri, ha messo in evidenza un ridotto livello di NAA nell ippocampo. Ancora Deicken et al. 49 hanno successivamente misurato la concentrazione di NAA, CRE e CHO a livello del talamo di 17 pazienti con schizofrenia di sesso maschile e 10 soggetti di controllo, rilevando una diminuzione di NAA nei pazienti, non correlato con la durata della malattia o con il trattamento farmacologico. Questo risultato è stato replicato da Ende et al. 50 in pazienti di entrambi i sessi; in questo studio in piùsi è riscontrata una riduzione della concentrazione di CHO sempre allo stesso livello. Deicken et al. hanno anche riportato una riduzione di NAA e di CRE nel verme cerebellare di 20 pazienti maschi rispetto a 15 controlli 51 e una riduzione di NAA nel cingolato anteriore in 26 pazienti rispetto a 16 controlli 52. Anche Ende et al. 53 hanno riscontrato, utilizzando una tecnica simile a quella di Deicken et al. 52 ed un voxel di 2,4 cc, una riduzione dell NAA nel cingolo anteriore di 19 pazienti rispetto a 16 controlli sani, che tra l altro correlava con la durata della malattia e l età. Lim et al. 54 hanno utilizzato una metodologia differente di 1 H-MRSI, acquisendo 16 immagini spettroscopiche i cui voxel avevano una grandezza di 1,1 cc. In più, essi hanno impiegato un protocollo per la segmentazione. Gli autori hanno studiato 10 pazienti e 9 controlli, ed hanno analizzato soltanto le tre immagini spettroscopiche più craniali, includendo quindi parte della corteccia prefrontale, motoria e parietale; inoltre, non hanno identificato in questo studio alcuna regione d interesse. I risultati non hanno messo in evidenza alcuna differenza di NAA fra i due gruppi, a fronte di una riduzione di sostanza grigia. In più, è stata riscontrata nella sostanza bianca una diminuzione di NAA ma nessuna differenza di volume; gli autori hanno suggerito che queste differenze erano in accordo con una perdita neuronale non-degenerativa. Tuttavia, in questo studio le discordanze fra riscontri sul volume e sull NAA sono difficilmente riconciliabili. Nel tentativo di dimostrare un continuum fra la schizofrenia dell adulto e quella ad esordio nell infanzia, Bertolino et al. 55 con la medesima tecnica sopra descritta 43 hanno studiato un campione di 14 adolescenti (età media: 16,4 aa.) con insorgenza del disturbo in età infantile e 14 controlli, evidenziando una diminuzione dell NAA nella corteccia prefrontale dorsolaterale e nell ippocampo, anche in questo caso in accordo con gli studi sulla schizofrenia nei bambini e negli adolescenti di single-voxel 1 H-MRS 35,

13 Le ricerche effettuate con 1 H-MRSI, quindi, sembrano in generale confermare quelli di single-voxel 1 H-MRS rispetto alla diminuzione di NAA nel lobo frontale (ed in particolare nella corteccia prefrontale dorsolaterale) e nell ippocampo. Anche in questi studi, inoltre, sembra non esistere un influenza su questi dati della cronicità di malattia. Inoltre, l utilizzazione di questa tecnica ha permesso di raggiungere una maggiore specificità anatomica dei dati ottenuti. Emerge, in aggiunta, la possibilità di individuazione di fenotipi intermedi nelle famiglie con membro affetto da schizofrenia, la cui predisposizione all insorgenza del disturbo sembra essere testimoniata dalla diminuzione di NAA a livello dell ippocampo della fratria dei pazienti rispetto ai controlli sani. POSSIBILI IMPLICAZIONI DELLE RIDUZIONI DI NAA PER LA PATOFISIOLOGIA DELLA SCHIZOFRENIA Come abbiamo visto, una serie di studi sulla schizofrenia ha ipotizzato la presenza di una disfunzione in aree come la corteccia prefrontale dorsolaterale; in particolare, l alterazione funzionale di questa zona dell encefalo sarebbe fondamentale per l insorgenza di alcuni deficit caratterizzanti la schizofrenia, come quelli più volte evidenziati della working memory. Inoltre, l alterazione delle connessioni anatomo-funzionali tra questa ed altre aree cerebrali sarebbe rilevante per la più generale patofisiologia del disturbo. Rispetto a quest ultimo punto, Bertolino et al. 56 hanno studiato con 1 H- MRSI con la tecnica sopra esposta 43 e 123 I-IBZM SPECT, 14 pazienti con schizofrenia che non assumevano farmaci da almeno due settimane, ed hanno riportato che il livello di NAA (e quindi l integrità della funzione neuronale) a livello della corteccia prefrontale dorsolaterale prediceva il rilascio striatale di dopamina in condizioni basali: maggiore era quindi la patologia neuronale, minore era il rilascio basale di dopamina nello striato. In un secondo esperimento sempre dello stesso laboratorio 57, si è focalizzato l interesse sulla relazione fra il livello di NAA nella corteccia prefrontale dorsolaterale ed il release striatale di dopamina questa volta indotto dall anfetamina (misurato con la 11 C-raclopride PET) in un campione di 8 pazienti ed 8 controlli sani; i risultati hanno messo in evidenza che l NAA nella corteccia prefrontale dorsolaterale prediceva il rilascio striatale di dopamina indotto dall anfetamina: maggiore era quindi il deficit funzionale dei neuroni prefrontali, maggiore era il rilascio anfetamina-indotto a livello striatale. I soggetti sani, invece, mettevano in evidenza, dove presente, una relazione opposta fra questi due parametri. Questi due studi, come vedremo, hanno un immediata ricaduta speculativa per la comprensione dei meccanismi che potrebbero essere associati all insorgenza della sintomatologia positiva e negativa nella schizofrenia. In un altro esperimento dello stesso gruppo 58 effettuato su 13 pazienti e 13 controlli sani con la stessa tecnica di 1 H-MRSI 43 è stato evidenziato come il livello di NAA nella corteccia prefrontale dorsolaterale predicesse l attivazione dell intero network soggiacente l esecuzione di compiti di working ESPLORAZIONE MORFOFUNZIONALE DEL CERVELLO E POTENZIALI APPLICAZIONI CLINICHE NELLA SCHIZOFRENIA NÓOς 4:2002;

14 NÓOς G. BLASI - A. BERTOLINO SPETTROSCOPIA PROTONICA CON RISONANZA MAGNETICA NELLA SCHIZOFRENIA: CONSIDERAZIONI CLINICHE memory misurata dalla H 2 15 O PET. Questo studio permetteva di ipotizzare che i neuroni della corteccia prefrontale dorsolaterale potessero essere gli effettori del reclutamento patologico di un network diffuso che sottende l esecuzione dei compiti di working memory e che comprende la corteccia del lobo temporale, del lobo parietale inferiore e la stessa corteccia prefrontale dorsolaterale. Ancora in relazione alla working memory, Callicott et al. 59 hanno studiato 13 pazienti e 18 controlli sani con la Risonanza Magnetica Funzionale (fmri) e la 1 H-MRSI secondo le modalità sopra descritte 43, utilizzando come test per la valutazione della working memory una versione parametrica dell n-back, con il quale questo particolare gruppo di pazienti aveva una discreta performance. Secondo i risultati di questo studio, le caratteristiche fondamentali che differenziavano i soggetti con schizofrenia dai controlli si riferivano alla maggiore attivazione della corteccia prefrontale pur essendo la performance al test più bassa, alla opposta correlazione fra performance al test ed attivazione prefrontale (nel senso che per i pazienti più bassa era la performance, più elevata era l attivazione prefrontale), alla predicibilità della risposta fmri tramite la misura dei livelli di NAA (nel senso che più bassa era la misura dell NAA prefrontale, maggiore era la risposta fmri all aumentare della difficoltà del compito di working memory, a fronte di una performance, come abbiamo visto, più scarsa). Inoltre, a conferma degli studi precedenti, il livello di NAA nella corteccia prefrontale dorsolaterale era inferiore nei pazienti rispetto ai controlli. Tutti questi dati suggerivano che in certe condizioni la patologia dei neuroni prefrontali dorsolaterali si esprime con una attività corticale esagerata ed inefficiente. La relazione tra working memory e livelli di NAA è stata evidenziata anche in uno studio di Bertolino et al. 60, dove è stata condotta un analisi 1 H-MRSI secondo le modalità descritte 43 su 24 pazienti con disturbo schizofreniforme e su 24 controlli sani. Il campione, inoltre, veniva sottoposto a valutazione della working memory mediante l n-back. I risultati, oltre a mostrare ancora una volta la presenza di più bassi livelli di NAA nella corteccia prefrontale dorsolaterale e nell ippocampo dei pazienti rispetto ai controlli, mettevano in evidenza una correlazione statistica fra livelli di NAA della corteccia prefrontale dorsolaterale e performance all n-back nella condizione di maggior carico di working memory: minore era la misura dell NAA in quell area cerebrale, minore era la performance. È rilevante notare, anche in questo caso, che i pazienti utilizzati in questo studio erano in una fase di esordio della psicosi schizofrenica, e questo implica che i risultati non potevano essere influenzati dalla cronicizzazione o dal trattamento farmacologico cronico. L importanza della corteccia prefrontale dorsolaterale nella patofisiologia della schizofrenia si è anche evidenziata quando si è cercata una relazione fra i parametri del metabolismo neuronale e il quadro sintomatologico espresso. Ancora Callicott et al. 61 hanno utilizzato la 1 H-MRSI con la tecnica descritta 43 per studiare 36 pazienti con schizofrenia, che erano stati valutati con la PSAS (Psychiatric Symptoms Assessment Scale) e con la SANS (Scale for the Assessment of Negative Symptoms) per la rilevazione dei sintomi positivi e negativi. I risultati hanno evidenziato una correlazione selettiva fra NAA della corteccia prefrontale dorsolaterale e sintomi negativi, nel 278

15 senso che minore era la concentrazione di NAA presente a quel livello e maggiore era la sintomatologia negativa espressa. STUDI SULLA FARMACOTERAPIA Alcuni studi hanno utilizzato la Spettroscopia Protonica con Risonanza Magnetica per individuare le variazioni metaboliche cerebrali indotte dal trattamento farmacologico dei pazienti con schizofrenia. Ad esempio, in una ricerca condotta nel 2001 da Bertolino et al. 62 si è cercato di comprendere se e come la terapia con antipsicotici influenzi la biochimica neuronale. Sono stati studiati 23 pazienti con schizofrenia, che sono stati sottoposti a 1 H-MRSI per due volte: una dopo dosaggi stabili di antipsicotici assunti per almeno 4 settimane, ed un altra dopo un wash out di almeno 2 settimane. La tecnica utilizzata per l acquisizione delle immagini spettroscopiche era quella già delineata precedentemente 43. I risultati hanno messo in evidenza la presenza di un maggiore livello di NAA soltanto a livello della corteccia prefrontale dorsolaterale quando i pazienti erano sotto trattamento farmacologico. Inoltre, suddividendo i pazienti a seconda della tipologia dei farmaci utilizzati, sembrava che gli antipsicotici di seconda generazione producessero questo effetto in maniera più consistente. Bustillo et al. 63 hanno disegnato uno studio che cercava di ottenere una più precisa differenziazione della risposta metabolica agli antipsicotici tipici ed atipici. In questo studio sono stati esaminati con singlevoxel 1 H-MRS 19 pazienti trattati con aloperidolo, 19 con clozapina e 21 controlli sani. I pazienti avevano ricevuto diagnosi di schizofrenia o disturbo schizoaffettivo. La aree analizzate erano il lobo frontale sinistro (voxel di 12,6 cc) ed il nucleo caudato bilateralmente (voxel di 6 cc). I risultati, corretti per la proporzione di liquor presente all interno del voxel, non mostravano alcuna differenza nella concentrazione di NAA, CHO, CRE. Braus et al. 64 hanno analizzato con 1 H-MRSI a livello del cingolato anteriore 23 pazienti con schizofrenia, di cui 11 sotto trattamento con antipsicotici tipici, e 12 in terapia con antipsicotici atipici, ed hanno evidenziato una minore concentrazione di NAA nei pazienti del primo gruppo. Infine, Goff et al. 65 hanno studiato le concentrazioni sieriche di glutammato di 11 pazienti con schizofrenia e stimato le concentrazioni di glutammato (Glx/CRE) a livello del cingolo in 10 degli 11 pazienti tramite single-voxel 1 H-MRS (voxel di 1,25 x 1,25 x 2 cm) Le misurazioni sono state effettuate 2 volte: la prima con i pazienti in trattamento con antipsicotici tipici, la seconda dopo 8 settimane dal passaggio a terapia con olanzapina. I risultati hanno messo in evidenza un aumento delle concentrazioni sieriche di glutammato e nessuna differenza di Glx/CRE nel cingolo alla seconda misurazione; comunque, Glx/CRE nel cingolo era maggiore nei pazienti responder rispetto ai non responder, così definiti in relazione ai punteggi ottenuti con la sottoscala per i sintomi negativi della PANSS. Pur con la scarsità di studi in questo campo, dai dati è possibile desumere che il trattamento della schizofrenia con antipsicotici, ed in particolare con antipsicotici di seconda generazione, sembra aumentare il livello di NAA, in particolare a livello di aree come la corteccia prefrontale dorsolaterale. ESPLORAZIONE MORFOFUNZIONALE DEL CERVELLO E POTENZIALI APPLICAZIONI CLINICHE NELLA SCHIZOFRENIA NÓOς 4:2002;

16 NÓOς G. BLASI - A. BERTOLINO SPETTROSCOPIA PROTONICA CON RISONANZA MAGNETICA NELLA SCHIZOFRENIA: CONSIDERAZIONI CLINICHE STUDI SU MODELLI ANIMALI Alcuni studi di Spettroscopia Protonica con Risonanza Magnetica su modelli animali hanno cercato di acquisire informazioni rispetto alle connessioni funzionali tra aree cerebrali ritenute importanti per lo sviluppo della schizofrenia. Bertolino et al. 66 hanno sottoposto ad ablazione chirurgica dell area temporo-limbica mesiale sei scimmie a tre mesi di vita, ed altre sei a cinque anni. Esse sono state confrontate con sei controlli sani tramite 1 H-MRSI con le procedure descritte 43 al raggiungimento dell età adulta, ed i risultati hanno permesso di riscontrare una riduzione di NAA solo a livello della corteccia prefrontale bilateralmente e solo nelle scimmie con lesione neonatale. Questo risultato permetteva di far concludere che una lesione neonatale nell area limbica comportava una riduzione della funzionalità a livello prefrontale, facendo intuire che le connessioni funzionali che si creano nel periodo perinatale fra queste due zone cerebrali sono di fondamentale importanza per la funzionalità della corteccia prefrontale, che, come abbiamo visto, sembra essere deficitaria nella schizofrenia. Ancora Bertolino et al. 67 hanno misurato con single-voxel 1 H-MRS il livello di NAA nella corteccia prefrontale e nello striato di 11 ratti su cui era stata prodotta una lesione eccitotossica dell ippocampo ventrale con acido ibotenico a sette giorni dalla nascita, ed in 10 ratti con una lesione simulata dell ippocampo (veniva effettuata la stessa procedura chirurgica con l infusione di liquido cefalo-rachidiano anziché di acido ibotenico). La misurazione spettroscopica è stata eseguita due volte, a 36 e a 71 giorni dalla nascita degli animali, ed ha mostrato solo nel primo gruppo di ratti una riduzione dei livelli di NAA solo alla seconda misurazione ed esclusivamente nella corteccia prefrontale. Per confermare il dato, una seconda coorte di ratti (n=7) è stata sottoposta alla stessa lesione a sette giorni dalla nascita ad una misurazione spettroscopica a 120 giorni, i cui risultati confermavano la riduzione di NAA soltanto a livello prefrontale e non nello striato. Inoltre la misurazione post-mortem dell EAAC1 mrna, marker dei neuroni glutamatergici, ha evidenziato una riduzione della sua concentrazione solo nei ratti lesionati del primo gruppo a livello ancora della corteccia prefrontale. Infine, l inizio della patologia neuronale era temporalmente associato all iperlocomozione indotta dall anfetamina, che è un modello per l insorgenza della sintomatologia schizofrenica nell uomo. Questi dati, come vedremo più dettagliatamente nelle conclusioni, sembrano confermare l importanza delle connessioni fronto-ippocampali ed un ipotesi sulla eziopatogenesi della schizofrenia di tipo neuroevolutivo. CONCLUSIONI Pur con alcune contraddizioni, la maggior parte delle ricerche sulla schizofrenia che hanno utilizzato come strumento la Spettroscopia Protonica con Risonanza Magnetica, hanno messo in evidenza una riduzione di NAA in alcune aree cerebrali, quali l area ippocampale e la corteccia prefrontale. Se, in accordo con le più recenti ipotesi, consideriamo l NAA un marker della 280

17 salute del neurone, dai dati emerge che in queste aree vi è una compromissione della funzionalità neuronale. Questo deficit, peraltro, non sembra avere caratteristiche neurodegenerative, come fanno intuire i dati relativi all assenza di un aumento della concentrazione della CHO, che come abbiamo detto in precedenza è un indice dell insorgenza di gliosi. A supporto di tale interpretazione concorrono i dati ottenuti in pazienti in fasi precoci di malattia in cui l entità della riduzione di NAA era del tutto simile a quella di pazienti con malattia cronica. I dati sull NAA potrebbero avere anche una funzione euristica rispetto alla patofisiologia della schizofrenia, e questo si rende ancora più evidente quando si sofferma l attenzione sul rapporto tra i livelli di questa molecola nella corteccia prefrontale dorsolaterale e: la dopamina, la working memory, la sintomatologia negativa della schizofrenia. Infatti, i due studi precedentemente riportati 56,57 relativi alla correlazione fra il tasso di NAA a livello della corteccia prefrontale dorsolaterale ed il rilascio striatale di dopamina, sono in accordo con l ipotesi di Grace 68 sulla patogenesi dei sintomi della schizofrenia. Grace, infatti, attribuisce la sintomatologia negativa ad una riduzione del rilascio tonico di dopamina (conseguenza di un deficit funzionale della corteccia prefrontale), e quella positiva ad un aumento del release fasico. I due esperimenti succitati evidenziano come in una situazione di deficit funzionale elicitato dalla riduzione di NAA a livello della corteccia prefrontale dorsolaterale (che è una condizione che si riscontra nella gran parte degli studi sulla schizofrenia) vi sia una riduzione del rilascio basale (tonico) di dopamina ed un aumento del rilascio secondario a stress (fasico), mimato dall anfetamina. Inoltre, la riduzione di NAA a livello della corteccia prefrontale dorsolaterale nei pazienti con schizofrenia, come abbiamo visto, predice sia un deficit nell esecuzione di compiti di working memory, che è una delle caratteristiche di questo disturbo, sia la presenza di sintomatologia negativa, e tutti questi dati lasciano pensare che quest area cerebrale sia di fondamentale importanza per la generazione di sintomi tipici della schizofrenia. Ma abbiamo detto che in questa entità nosografica si è evidenziata una riduzione del livello di NAA anche a livello ippocampale, e quando proviamo a capire l importanza di questo dato rispetto alle variabili cliniche e patofisiologiche succitate, non riscontriamo alcuna correlazione. Inoltre, riduzioni del livello di NAA sempre a livello dell ippocampo si sono riscontrate, come abbiamo visto, anche nella fratria dei pazienti con schizofrenia, in studi volti all individuazione di eventuali fenotipi intermedi, nonché in ricerche condotte su pazienti con disturbo bipolare. Questo ci lascia pensare che la riduzione di concentrazione di NAA a livello dell ippocampo possa assumere un significato diverso rispetto a quella riscontrata nella corteccia prefrontale dorsolaterale, laddove il deficit funzionale neuronale ippocampale potrebbe essere interpretato come un fattore di predisposizione alla psicosi, mentre il disturbo nella funzionalità neuronale nella corteccia prefrontale dorsolaterale, come abbiamo detto, potrebbe avere un ruolo chiave nella genesi della sintomatologia. Ippocampo e corteccia prefrontale dorsolaterale, quindi, assumerebbero ESPLORAZIONE MORFOFUNZIONALE DEL CERVELLO E POTENZIALI APPLICAZIONI CLINICHE NELLA SCHIZOFRENIA NÓOς 4:2002;

18 NÓOς G. BLASI - A. BERTOLINO SPETTROSCOPIA PROTONICA CON RISONANZA MAGNETICA NELLA SCHIZOFRENIA: CONSIDERAZIONI CLINICHE un importanza determinante nella genesi della schizofrenia, pur con ruoli diversi. Non è possibile, comunque, pensare a queste due aree cerebrali come entità separate e non interagenti tra di loro, e questo anche sulla base dei dati derivanti dai succitati studi su modelli animali, che evidenziano come le lesioni ippocampali sembrano essere associate ad un deficit funzionale a livello della corteccia prefrontale dorsolaterale. Questi studi mettono inoltre in luce che il danno funzionale si evidenzia solo dopo un tempo di latenza relativamente lungo, e quest ultimo dato, insieme a tutti gli altri finora citati in questa discussione, è coerente con l ipotesi che vede la schizofrenia come un disturbo del neurosviluppo 69, e che assume che un danno ippocampale intervenuto precocemente nella vita di un individuo possa provocare un deficit funzionale prefrontale che si evidenzia nel periodo dell adolescenza-giovinezza. Infine, è evidente che i dati sopra esposti relativi al rapporto fra NAA e working memory o sintomatologia della schizofrenia creano un importante raccordo tra il livello metabolico neuronale e quello comportamentale, e quindi clinico. La clinica ha ricevuto altre informazioni dalla Spettroscopia con Risonanza Magnetica Nucleare, come abbiamo visto dagli studi precedentemente citati. In particolare, ciò che è emerso in maniera più evidente, anche se con dati a volte contrastanti, è che il trattamento con farmaci antipsicotici modifica l assetto metabolico in alcune aree cerebrali, come la corteccia prefrontale dorsolaterale, nel senso che provoca un innalzamento dei livelli di NAA. In più, i dati suggeriscono come quest azione sul metabolismo sembrerebbe essere maggiore e più evidente nel caso degli antipsicotici di seconda generazione. Bibliografia 1. Urenjak J, Williams SR, Gadian DG, Noble M. Proton nuclear magnetic resonance spectroscopy unambiguously identifies different neural cell types. J Neurosci 1993; 13: Moffett JR, Namboodiri MA. Differential distribution of N-acetylaspartylglutamate and N- acetylaspartate immunoreactivities in rat forebrain. J Neurocytol 1995; 24: Clark JB. N-acetylaspartate: a marker for neuronal loss or mitochondrial dysfunction. Dev Neurosci 1998; 20: Rubin Y, LaPlaca MC, Smith DH, Thibault LE, Lenkinski RE. The effect of N-acetylaspartate on the intracellular calcium concentration in NTera2-neurons. Neurosci Lett 1995; 198: Bates TE, Strangward M, Keelan J, Davey GP, Munro PMG, Clark JB. Inhibition of N- acetylaspartate production: implications for 1HMRS studies. Neuroreport 1996; 7: Cendes F, Andermann F, Dubeau F, Matthews PM, Arnold DL. Normalization of neuronal metabolic dysfunction after surgery for temporal lobe epilepsy. Evidence from proton MR spectroscopic imaging. Neurology 1997; 49: De Stefano N, Matthews P, Antel JP, Preul M, Francis G, Arnold DL. Chemical pathology of acute demyelinating lesions and its correlations with disability. Ann Neurol 1995; 38:

19 8. Vion-Dury J, Salvan AM, Confort-Gouny S, Dhiver C, Cozzone P. Reversal of brain metabolic alterations with zidovudine detected by proton localized magnetic resonance spectroscopy. Lancet 1995; 345: Hugg JW, Kuzniecky RI, Gilliam FG, Morawetz RB, Fraught RE, Hetherington HP. Normalization of contralateral metabolic function following temporal lobectomy demonstrated by 1H magnetic resonance spectroscopic imaging. Ann Neurol 1996; 40: Stanley JA, Drost DJ, Williamson PC, Thompson RT. The use of a priori knowledge to quantify short echo in vivo 1HMR spectra. Magn Reson Med 1995; 34: Shulman RG, Rothman DL. Interpreting functional imaging studies in terms of neurotransmitter cycling. PNAS 1998; 95: Kreis R, Ross BD, Farrow NA, Ackerman Z. Metabolic disorders of the brain in chronic hepatic encephalopathy detected with H-1 MR spectroscopy. Radiology 1992; 182: Nasrallah HA, Skinner TE, Schmalbrock P, Robitaille PM. Proton magnetic resonance spectroscopy of the hippocampal formation in schizophrenia: a pilot study. Br J Psychiatry 1994; 165: Maier M, Ron MA, Barker GJ, Tofts PS. Proton magnetic resonance spectroscopy: an in vivo method of estimating hippocampal neuronal depletion in schizophrenia. Psychol Med 1995; 25: Maier M, Ron MA. Hippocampal age-related changes in schizophrenia: a proton magnetic resonance spectroscopy study. Schizophr Res 1996; 22: Renshaw PF, Yurgelun-Todd DA, Tohen M, Gruber S, Cohen BM. Temporal lobe proton magnetic resonance spectroscopy of patients with first-episode psychosis. Am J Psychiatry 1995; 152: Yurgelun-Todd DA, Renshaw PF, Gruber SA, Waternaux CM, Cohen BM. Proton magnetic resonance spectroscopy of the temporal lobes in schizophrenics and normal controls. Schizophr Res 1996; 19: Buckley PF, Moore C, Long H, et al. 1H Magnetic resonance spectroscopy of the left temporal and frontal lobes in schizophrenia: clinical neurodevelopmental and cognitive correlates. Biol Psychiatry 1994; 36: Fukuzako H, Takeuchi K, Hokazono Y, et al. Proton magnetic resonance spectroscopy of the left medial temporal and frontal lobes in chronic schizophrenia: preliminary report. Psychiatry Res Neuroimag 1995; 61: Steel RM, Bastin ME, McConnell S, et al. Diffusion tensor imaging (DTI) and proton magnetic resonance spectroscopy (1HMRS) in schizophrenic subjects and normal controls. Psychiatry Res 2001; 106: Cecil KM, Lenkinski RE, Gur RE, Gur RC. Proton magnetic resonance spectroscopy in the frontal and temporal lobes of neuroleptic naive patients with schizophrenia. Neuropsychopharmacology 1998; 20: Rakow, RL, Bertolino A, Callicott JH, Mattay VS, Frank JA, Weinberger DR. N-acetylaspartate reduction in dorsolateral prefrontal cortex of patients with schizophrenia as revealed by short echo time 1H-MRS. Abstract. Society of Biological Psychiatry. Washington, DC, Sharma R, Venkatasubramanian PN, Barany M, Davis JM. Proton magnetic resonance spectroscopy of the brain in schizophrenic and affective patients. Schizophr Res 1992; 81: Shioiri T, Hamakawa H, Kato T, et al. Proton magnetic resonance spectroscopy of the basal ganglia in patients with schizophrenia: a preliminary report. Schizophr Res 1996; 22: Fujimoto T, Nakano T, Takano T, et al. Proton magnetic resonance spectroscopy of basal ganglia in chronic schizophrenia. Biol Psychiatry 1996; 40: Heimberg C, Komoroski R, Lawson WB, Cardwell D, Karson CN. Regional proton magnetic resonance spectroscopy in schizophrenia and exploration of drug effect. Psychiatry Res 1998; 83: ESPLORAZIONE MORFOFUNZIONALE DEL CERVELLO E POTENZIALI APPLICAZIONI CLINICHE NELLA SCHIZOFRENIA NÓOς 4:2002;

20 NÓOς G. BLASI - A. BERTOLINO SPETTROSCOPIA PROTONICA CON RISONANZA MAGNETICA NELLA SCHIZOFRENIA: CONSIDERAZIONI CLINICHE 27. Omori M, Murata T, Kimura H, et al. Thalamic abnormalities in patients with schizophrenia revealed by proton magnetic resonance spectroscopy. Psychiatry Res 2000; 98: Delamillieure P, Constans J, Fernandez J, Brazo P, Dollfus S. Proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) of the thalamus in schizophrenia. Eur Psychiatry 2000; 15: Auer DP, Wilke M, Grabner A, Heidenreich JO, Bronisch T, Wetter TC. Reduced NAA in the thalamus and altered membrane and glial metabolism in schizophrenic patients detected by 1H-MRS and tissue segmentation. Schizophr Res 2001; 52: Bustillo JR, Rowland LM, Lauriello J, et al. High choline concentrations in the caudate nucleus in antipsychotic-naive patients with schizophrenia. Am J Psychiatry 2002; 159: Eluri R, Paul C, Roemer R, Boyko O. Single-voxel proton magnetic resonance spectroscopy of the pons and cerebellum patients with schizophrenia: a preliminary study. Psychiatry Res 1998; 84: Tibbo P, Hanstock CC, Asghar S, Silverstone P, Allen PS. Proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) of the cerebellum in men with Schizophrenia. J Psychiatry Neurosci 2000; 25: Stanley JA, Williamson PC, Drost DJ, et al. An in vivo proton magnetic resonance spectroscopy study of schizophrenia patients. Schizophr Bull 1996; 22: Bartha R, Williamson PC, Drost DJ, et al. Measurement of glutamate and glutamine in the medial prefrontal cortex of nevertreated schizophrenic patients and healthy controls by proton magnetic resonance spectroscopy. Arch Gen Psychiatry 1997; 54: Brooks WM, Hodde-Vargas J, Vargas LA, Yeo RA, Ford CC, Hendren RL. Frontal lobe of children with schizophrenia spectrum disorders: a proton magnetic resonance spectroscopic study. Biol Psychiatry 1998; 43: Thomas AM, Ke Y, Caplan R, et al. Preliminary study of frontal lobe 1H MR spectroscopy in childhood-onset schizophrenia. Magn Reson Imaging 1998; 84: Bartha R, al-semaan YM, Williamson PC, et al. A short echo proton magnetic resonance spectroscopy study of the left mesial-temporal lobe in first-onset schizophrenic patients. Biol Psychiatry 1999; 45: Fukuzako H, Kodama S, Fukuzako T, et al. Subtype-associated metabolite differences in the temporal lobe in schizophrenia detected by proton magnetic resonance spectroscopy. Psychiatry Res 1999; 92: Delamillieure P, Fernandez J, Constans JM, et al. Proton magnetic resonance spectroscopy of the medial prefrontal cortex in patients with deficit schizophrenia: preliminary report. Am J Psychiatry 2000; 157: Ohara K, Isoda H, Suzuki Y, et al. Proton magnetic resonance spectroscopy of lenticular nuclei in simple schizophrenia. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry 2000; 24: Fukuzako H. Heritability heightens brain metabolite differences in schizophrenia. J Neuropsychiatry Clin Neurosci 2000; 12: Block W, Bayer TA, Tepest R, et al. Decreased frontal lobe ratio of N-acetyl aspartate to choline in familial schizophrenia: a proton magnetic resonance spectroscopy study. Neurosci Lett 2000; 289: Bertolino A, Nawroz S, Mattay VS, et al. A specific pattern of neurochemical pathology in schizophrenia as assessed by multislice proton magnetic resonance spectroscopic imaging. Am J Psychiatry 1996; 153: Bertolino A, Callicott JH, Elman I, et al. Regionally specific neuronal pathology in untreated patients with schizophrenia: a proton magnetic resonance spectroscopic imaging study. Biol Psychiatry 1998; 43: Callicott JH, Egan MF, Bertolino A, et al. Hippocampal N-acetylaspartate in unaffected siblings of patients with schizophrenia: a possible intermediate phenotype. Biol Psychiatry 1998; 44: