Laboratorio di metodi di raccolta e analisi di dati morfologici e funzionali nelle neuroscienze cognitive. Leonor J. Romero Lauro

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1 Laboratorio di metodi di raccolta e analisi di dati morfologici e funzionali nelle neuroscienze cognitive Leonor J. Romero Lauro

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3 Legge di Faraday

4 Un campo elettrico applicato sul tessuto neuronale eccita le cellule nervose COME?

5 Il campo elettrico allinea le cariche elettriche libere nello spazio intracellulare La membrana cellulare diviene iperpolarizzata o depolarizzata Con un grado sufficiente di depolarizzazione viene generato un potenziale d azione o un ESPS (potenzialepost sinaptico eccitatorio)

6 MA l attivazione neuronale dipende da due caratteristiche del campo elettrico 1. La direzione 2. La forza

7 DIREZIONE

8 La posizione del coil influenza la direzione della corrente. Per es, nella corteccia motoria diversi orientamenti inducono onde diverse. L orientamento ottimale per elicitare un MEP su M1 e 45 º rispetto alla linea mediana Corrente posteriore anteriore perpendicolare al solco centrale Pertanto e fondamentale monitorare tale parametro mediante sistemi di neuronavigazione.

9 FORZA Nessuna resistenza dello scalpo o del cranio al campo magnetico. Decade in funzione della distanza (< 1/100,000th dell energia magnetica del coil è trasferita al cervello)

10 Genera sia D waves che I waves a seconda della direzione e della forza D waves: Derivano dalla stimolazione Diretta degli assoni delle cellule piramidali Non cambiano a secondo dei livelli di eccitabilità della corteccia I waves: Derivano dalla stimolazione Indiretta (trans sinaptica) degli assoni delle cellule piramidali Vi e una stimolazione diretta di una popolazione cellulare (presumibilmente network orizzontali) che attivano i neuroni piramidali attraverso una sinapsi Altamente sensibile al livello di eccitabilità corticale

11 Misurabili direttamente: MEP Fosfeni Misurabili indirettamente: Misure comportamentali (ACC, TR) Altre tecniche (EEG, fmri, PET)

13 Le neuroscienze cognitive adoperano la TMS soprattutto per indagare i CORRELATI NEURALI delle funzioni cognitive. La TMS consente di interferire con l attività di una determinata area cerebrale VIRTUAL LESION PARADIGM Se un area è il correlato neurale di una funzione, allora stimolando quell area dovrei ottenere un effetto di interferenza sull esecuzione di un compito che richiede quella funzione (per es. aumento RT o riduzione dell ACC)

14 Presupposti delle neuroscienze cognitive: Modularità Localizzazione delle funzioni

15 Network piuttosto che aree Interferenza piuttosto che lesione virtuale Areax Areay Inibisce funzione Areax Areay Aumenta funzione Areax Areay Inibisce funzione Areax Areay Aumenta funzione

16 Le neuroscienze cognitive impiegano la TMS anche per studiare la CRONOMETRIA, ovvero gli aspetti temporali del contributo di un area al comportamento

17 ESEMPIO: Effetto su LBA22 a 80ms, no a 120ms Effetto su LPFC a 80ms e 120ms

19 Diversi studi hanno esaminato gli effetti della TMS mediante fmri Per. es sono stati confrontati gli effetti di una stimolazione alta (110% rmt0) vs bassa (80% rmt) o gli effetti della stimolazione della corteccia prefrontale. Biological Psychiatry 1999, 45, Biological Psychiatry 2001, 50,

20 Diversi studi hanno esaminato gli effetti della TMS mediante PET La figura mostra attivazioni PET eseguite dopo la rtms a 5Hz su m1 sinistra.

22 La SOGLIA MOTORIA (MT) = intensita % MSO elicitare un MEP di almeno 50 μv 5 volte su 10 La soglia motoria cambia a riposo o durante contrazione volontaria E minore per i muscoli della mano rispetto a quelli degli arti o del tronco

23 La soglia ai fosfeni (PT) viene utilizzata come misura dell eccitabilità della corteccia visiva MT e PT non sono correlate

24 Tipi di impulso (mono, bi, or polifasico) Tipi di coil TMS coil effetti collaterali

25 Impulso Monofasico Crea uno stimolo in un unica direzione Ideale se si vuole stimolare una specifica popolazione neuronale (è il tipo di coil che usiamo noi) Impulsi bi e poli fasici Creano stimoli multidirezionali Ideale se si vuole attivare un area generale, ma non si è sicuri su quale sia la giusta direzione di stimolazione per tale popolazione

26 Coil circolare Attiva la regione sotto la circonferenza del coil Il campo elettrico e diffuso, in modo da esser certi di colpire una certa area target, ma puo anche stimolare altre aree

27 Coil a farfalla La direzione delle correnti e opposta, cosi gli effetti si sommano nel punto di incontro, al centro. Il campo e piu concentrato e piu forte. E il coil piu indicato per gli studi di mappaggio cerebrale.

28 Coil conico Le ali sono curve in modo da seguire la curvatura della testa Il campo e meno concentrato ma piu forte del coil a farfalla Ideale per stimolare aree corticali piu profonde, come l area motoria della gamba.

29 Coil 25 mm E disegnato per facilitare l accuratezza della posizione per la stimolazione periferica. Può essere adoperato per stimolare nervi (facciale, mediano, ulnare) Per elicitare potenziali evocati somatosensoriali Elicitare riflessi

30 Coil SHAM Girare il coil di 90º perpendicolare allo scalpo Sollevare il coil dalla testa: di 20 mm diminuisce la forza del campo a < 30% Usare il coil SHAM (a 8): la direzione di una delle correnti è invertita, in modo che le correnti si annullino

31 Stimolazione on line vs off line TMS singolo impulso TMS doppio impulso TMS (rtms) ripetitiva Bassa frequenza (< 1 Hz) Alta frequenza (> 1 Hz) Theta burst (3 5 impulsi a 100 Hz ripetuti s 5 Hz)

32 Quale paradigma scegliere? Online Offline + Risoluzione Temporale Effetti più specifici < Durata complessiva Effetti più generici > Durata dell esperimento Può essere necessaria una > frequenza Effetti collaterali interferiscono con il compito + Frequenza bassa Nessuna interferenza sul compito

33 Usando la TMS su BA45 ottengo un effetto di interferenza rispetto alla baseline (senza TMS) sull esecuzione di un compito di linguaggio. Posso concludere che tale area fa parte dei correlati neurali del linguaggio?

34 Importanzadella CONDIZIONE di CONTROLLO Per essere sicuri che eventuali effetti di interferenza della TMS sull esecuzione di un compitox non siano dovuti al fastidio della TMS posso: Utilizzare il coil SHAM > no effetti sul compitox Far eseguire un compitoy (che chiama in gioco una funzione cognitiva diversa ) e mostrare che la TMS non ha effetto sulla sua esecuzione

35 L importanza di una localizzazione precisa EEG 10 20

36 L importanza di una localizzazione precisa Neuronavigazione

37 L importanza di una localizzazione precisa Neuronavigazione

38 L intensità basata sul campo elettrico indotto V/m piuttosto che come % rmt

39 Il suono click: e causato nei cavi e nell estremita del coil dalla forza radiale della scarica elettrica (~10 kn!) Riscaldamento del coil: causato dalla resistenza del cavo. Richiede un raffreddamento attivo mediante acqua o aria altrimenti la temperatura puo salire fino 50ºC/100 impulsi.

40 Il click Puo essere una variabile da tenere in considerazione (es. TMS-EEG). Una soluzione puo essere far ascoltare un rumore di fondo con le stesse proprieta audiometriche. TMS Corso di Dottorato a.a

41 Sensazioni tattili: sono causate dalla stimolazione dei muscoli dello scalpo. Area of stimulation: Occipitofrontalis

42 Vantaggio della TMS rispetto alle altre tecniche di neuroimaging è che individua una RELAZIONE CAUSALE fra area e funzione piuttosto che una semplice correlazione AREA Fx AREA Fx Fy

43 Rispetto agli studi neuropsicologici I soggetti sono controlli di sè stessi La lesione virtuale, essendo temporanea, non è associata a fenomeni di riorganizzazione o diaschisi Utilizzare un sito/compito di controllo consente di definire la specificità (funzionale o topografica) del sito stimolato.

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45 Fastidio locale Mal di testa Attacco epilettico Aumento della soglia uditiva Controindicazioni all uso della TMS Epilissia Convulsioni Emicrania Presenza di clip metalliche

46 Nessun caso riportato al mondo con TMS a bassa frequenza 1 caso riportato con TMS a singolo impulso 9 casi al mondo con alta frequenza (< 15) Rischio aumenta con Alta frequenza (>3) Alta intensità (> 100%MT) Lunga durata Intervalli brevi tra treni di stimolazione

47 Durata massima (in sec) dei treni di stimolazione (rtms) in funzione della frequenza e dell intensità Frequenza (Hz) Intensità (% della soglia MT) >1800 > >50 >50 >50 5 >10 > 10 > 10 > > 5 > Wasserman et al., 1998

48 Studi sull eccitabilita corticale Studi comportamentali (on line) Studi comportamentali (off line) Clinical trials of rtms

49 Studi sull eccitabilità corticale

50 La latenza del MEP e utilizzata per stimare il tempo di conduzione del SN Il periodo silente successivo al MEP e una misura della funzione inibitoria corticospinale Cantello, Neurology, 1991; 41: Le recruitment curves sono le misure dei MEP in risposta a stimoli di crescente intensita della TMS o alla contrazione volontaria e sono una misura dell eccitabilita corticospinale.

51 Over three days Leonor's RC Amplitude (V) Day 1 Day 2 Day 3 %RMT

52 Un paradigma utilizzato generalmente per indagare l eccitabilita corticale; Vengono dati 2 stimoli: 1 condizionante (CS) 1 stimolo test (TS) Lo stimolo coondizionante modula il MEP evocato dallo stimolo test CS + TS MEP change

53 Il risultato finale puo essere una facilitazione o una inibizione del MEP a secondo di alcuni fattori: Localizzazione di entrambi gli stimoli (intra vs inter emisferico) Intensita di entrambi gli stimoli (sotto vs sopra soglia) Intervallo di tempo tra gli stimoli (corto vs lungo) Se il muscolo e contratto volontariamente o no

54 Intracortical Facilitation (ICF) CS, 5 7ms prima di TS a 80% rmt TS a 110% rmt Muscolo non contratto CS TS

55 Studio comportamentale on line: I correlati neurali della MBT verbale

56 Baddeley,1990

57 Ph.store impairment Rehearsal impairment Vallar et al, 1997 Awh, Smith & Jonides, 1995 Paulesu et al, 1993

58 TMS on line: 5 Hz, 110% rsm, 1500ms 3 compiti sperimentali: Giudizi Fonologici Ripasso articolatorio Memoria di cifre Memoria di matrici Ripasso articolatorio + magazzino fonologico No circuito fonologico Romero et al., 2006, JoCN, 18(7),

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64 Studio comportamentale off line: Il ruolo della MBT verbale nella comprensione di frasi TMS Laboratorio di metodi di raccolta e analisi di dati morfologici e funzionali nelle neuroscienze cognitive a.a

65 LBA44 LBA40 CZ SHAM Correlati neurali del circuito fonologico Condizioni di controllo Frasi: Semplici Lunghe Complesse1 Complesse2 rtms COMPRENSIONE DI FRASI COMPITO VISUO- SPAZIALE 30 min 10min 2min Romero Lauro et al., 2010, Neuropsychologia,

66 TMS Corso di Dottorato a.a Romero Lauro et al., 2010, Neuropsychologia,

67 Trial Clinici con rtms

68 Meccanismi dell effetto terapeutico della rtms Locali Aumento (o diminuzione) dell eccitabilità corticale in casi di anomalia Effetti distanti Neuromodulazione di network corticali sottocorticali per migliorare il comportamento I sintomi (es, diminuzione dell inibizione, migliore responsività, aumento della connettivià funzionale) Effetti neurochimici Stimola il rilascio ( o modula I livelli) di neurotrasmettitori (es. Dopamina) TMS Corso di Dottorato a.a

69 Meccanismi dell effetto terapeutico della rtms Nel 2008 la FDA ha approvato l uso della rtms per il trattamento dei sintomi della Depressione Maggiore Hamilton Left DLPFC rtms 5 giorni alla settimana 10HZ rtms, 120%rMT, 4 sec ON, 26 sec PAUSA O Reardon et al., (2007) Biol. Psychiatry 62(11):

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72 Artefatto da TMS a 20 Hz, 30%MSO, registrato sotto il coil D. Veniero et al., (2009) Clinical Neurophysiology 120:

73 3 sistemi: Sample and hold (Virtanen et al., 1999); Nessun artefatto Slew rate pre amplifiers (Thut et al., 2003, 2005); Artefatto breve Metodo sottrattivo Amplificatori TMS compatibili (Bonato et al., 2006). Registrazione continua

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75 Per esplorare l eccitabilità e la connettività corticale (Massimini et., 2005; Rosanova et al., 2009) Per esplorare quando, dove e come la TMS interferisce con il network funzionale durante l esecuzione di un compito (Taylor et al., 2007) Per indagare il funzionamento della TMS stessa (Thut & Pascual Leone, 2010)

76 Su MRI individuali Guida il posizionamento corretto Visualizza e quantifica il campo elettrico Permette di digitalizzare la posizione degli elettrodi

77 Cuffia a 60 canali Registrazione continua da dopo 3 ms dall impulso Controllo impedenze (<5 KΩ) Elettrooculogramma (EOG) registrato tramite due sensori extra Traccia audio con rumore mascherante

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79 Confronto in un soggetto tra stimolazione BA19 vs BA6, stessa I%, angolo 0

80 Confronto in un soggetto della stimolazione su BA19 con intensità pari a 40% o 50% MSO

81 Confronto in un soggetto della stimolazione su BA19 con stemmi parametri dopo 1 settimana

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