RAPPRESENTAZIONE CORPOREA: UNO STUDIO fmri IN SOGGETTI CON ALTERAZIONI PERIFERICHE

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1 Dipartimento di Psicologia Facoltà di Medicina e Psicologia Corso di laurea Magistrale in Neuroscienze Cognitive e Riabilitazione Psicologica Tesi di Laurea: RAPPRESENTAZIONE CORPOREA: UNO STUDIO fmri IN SOGGETTI CON ALTERAZIONI PERIFERICHE Relatore: Prof.ssa Cecilia Guariglia Correlatore: Prof. Gaspare Galati Laureanda: Propato Filomena Matr Anno Accademico 2014/2015

2 INTRODUZIONE.1 CAPITOLO I: La Rappresentazione Mentale Del Corpo Origine del concetto scientifico della rappresentazione corporea Tassonomia diadica: schema corporeo e immagine corporea Tassonomia triadica della rappresentazione corporea Plasticità Cerebrale e rappresentazione corporea CAPITOLO II: Elaborazione Sensorimotoria In Pazienti Con Deafferentazione Periferica Aree cerebrali selettive per il corpo Meccanismi Top-Down e Bottom-Up della rappresentazione corporea Simulazione mentale di azioni motorie in pazienti amputati Cambiamenti strutturali in seguito a cambiamenti periferici CAPITOLO III: Rappresentazione Corporea: Uno Studio fmri In Soggetti Con Alterazioni Periferiche Introduzione Metodologia Soggetti Stimoli Test Procedura Acquisizione delle immagini Preprocessamento delle immagini Analisi dei test carta e matita Analisi dei dati comportamentali Analisi dei dati fmri Risultati T-Test nei compiti carta e matita Anova: Accuratezza Anova: Tempi di risposta Aree attivate durante il compito di rotazione mentale Voxel Based Morphometry Discussione CONCLUSIONI... 49

3 BIBLIOGRAFIA RINGRAZIAMENTI...60

4 Introduzione L immagine corporea è il quadro mentale che ci facciamo del nostro corpo, vale a dire il modo in cui il nostro corpo appare a noi stessi (Shilder, 1935). Nel sistema nervoso centrale esistono diverse rappresentazioni del corpo utili per la percezione della posizione degli arti nello spazio, la localizzazione di stimoli cutanei, la programmazione di movimenti e per la coscienza del proprio corpo. La percezione ed il controllo del proprio corpo richiede però l'integrazione di informazioni provenienti da più canali sensoriali e relative a più parti del corpo. A tal fine è necessario che informazioni somatosensoriali, visive, propriocettive, acustiche e vestibolari siano integrate in rappresentazioni più complesse, di natura multisensoriale (Tessari et al., 2010). Quindi, mediante informazioni top-down e bottom-up viene a crearsi una rappresentazione del corpo astratta. Ma cosa succederebbe alla nostra rappresentazione se avvenisse un cambiamento improvviso conseguente alla perdita di informazioni derivanti dalla periferia del nostro corpo? Le aree deputate all elaborazione dello schema corporeo sono sovrapponibili tra pazienti amputati e soggetti sani? La perdita di informazioni sensorimotorie comporta una modifica della struttura cerebrale? L obiettivo del presente studio è quello di chiarire le modificazioni a livello funzionale e strutturale in pazienti con amputazione di arto inferiore. Nel primo capitolo verrà presentata una descrizione dell origine del concetto di rappresentazione corporea seguita da un dibattito sul binomio schema corporeo - immagine corporea e sulla difficoltà nel sopraggiungere ad un unica definizione di questi due concetti utilizzati da diversi autori in modo intercambiabile (Macdonald Critchley, 1979). Successivamente verrà esposto il concetto di tassonomia triadica della rappresentazione del corpo sottolineando l indipendenza funzionale di ogni rappresentazione corporea; in seguito saranno descritti casi in cui mediante cambiamenti fisici e/o conflitti multisensoriali, il nostro cervello va incontro a processi di riorganizzazione e riprogrammazione. Nel secondo capitolo verranno discusse le aree cerebrali che codificano in modo selettivo il nostro corpo e i relativi studi; inoltre verrà discussa l influenza della perdita di informazioni topdown e bottom-up sulla mappa visuo-spaziale del corpo (mediante il sub test di rievocazione frontecorpo di Daurat-Hmeljiak et al. 1978) in pazienti con danno cerebrale unilaterale e pazienti con amputazione di un arto (Palermo et al., 2014). In seguito saranno presentate diverse prove sperimentali per indagare l efficacia della simulazione mentale dell azione in soggetti amputati. In 1

5 particolare sarà presentato uno studio di rotazione mentale di mani (Nico et al., 2004) in cui i soggetti con amputazione si mostreranno più lenti e meno accurati rispetto al gruppo di controllo. Un altro studio condotto da Curtze et al. (2010) su pazienti amputati e un paziente con chirurgia plastica rotazionale, mostrerà un assenza di effetto di lateralità rispetto ai controlli e una riduzione dei tempi di risposta; successivamente saranno presentate le varie ipotesi su questi risultati. Infine, in questo capitolo, verranno discussi i cambiamenti strutturali in seguito a deafferentazione periferica mediante un analisi VBM in soggetti amputati con dolore da arto fantasma lieve e medioalto (Preißler et al., 2013). I risultati dello studio mostreranno l influenza di questi due fattori sull aumento e la riduzione di materia grigia nelle strutture della corteccia cerebrale. L ultimo capitolo verterà sulla nostra ricerca e verranno introdotte le ipotesi, il metodo, materiali, i processi relativi all acquisizione e al processamento delle immagini fmri. Verranno poi esposte le analisi condotte mediante neuroimaging funzionale e analisi Voxel Based Morphometry (VBM). La prima utilizzata per indagare i pattern di attivazione di pazienti con amputazione di arto inferiore durante un compito di rotazione mentale di parti corporee e non; la seconda per indagare se la perdita di informazioni sensorimotorie potesse portare ad una modificazione strutturale della corteccia. Saranno infine presentati e discussi i risultati della presente ricerca. 2

6 CAPITOLO I La rappresentazione mentale del corpo. 1.1 Origine del concetto scientifico della rappresentazione corporea. L interesse scientifico per le rappresentazioni corporee risale al XVI secolo, quando un chirurgo francese, Ambroise Paré, migliorando le tecniche di amputazione, evitò che i pazienti andassero incontro ad un destino infausto. Egli notò in soldati provenienti dai campi di battaglia europei, in seguito all amputazione di un arto, l insorgere di manifestazioni anomale riguardanti la parte del corpo mancante; diede una prima descrizione medica dei sintomi, consistente in sensazioni tattili, spesso anche dolorose, provenienti dall arto asportato. Dall inizio di questo secolo il corpo come rappresentazione mentale incomincia ad avere una rilevanza sempre maggiore, diventando oggetto di studio di varie discipline. Fino alla fine del XIX secolo la consapevolezza corporea è stata concepita come un insieme di sensazioni corporee interne (Frederique de Vignemont, 2010). Bonnier, nella sua pubblicazione L Aschématie (1905), fu il primo a introdurre il termine schema con riferimento all organizzazione spaziale delle sensazioni del corpo. Il neurologo definì l aschematia come un disturbo della rappresentazione topografica del corpo, basata principalmente su sistemi di informazione spaziale, di forma, posizione del corpo nello spazio e di posizionamento delle parti del corpo, come ad esempio l orientamento e la postura. Su questa linea di pensiero, molti neurologi del tempo accettarono l esistenza di rappresentazioni mentali del corpo, spesso chiamate schema o immagine corporea. Tuttavia, lo studio di questa raffigurazione mentale nel corso degli anni non si è presentata priva di difficoltà, a causa della mancanza di un unica definizione del concetto. Vi è stata una confusione diffusa sulla natura e le proprietà delle nozioni di schema e immagine del corpo (Gallagher, 1986). Una situazione inevitabile data la varietà di modi che abbiamo di rapportarci al nostro corpo, non si tratta solo di percezione, ma anche di come riusciamo a costruire una rappresentazione durevole, che si realizza grazie alle esperienze passate e presenti attraverso il tatto, 3

7 la vista, la propriocezione, il comportamento motorio, la comprensione semantica e anche per mezzo dell influenza derivante dalle esperienze affettive, dalle esigenze biologiche e dai molteplici disturbi della consapevolezza corporea (De Vignemount, 2010). 1.2 Tassonomia diadica: Schema corporeo e Immagine corporea. Lo studio di come il cervello rappresenta il proprio corpo è stata oggetto di interesse già dal secolo scorso, ma nonostante i vari riferimenti alle due rappresentazioni di schema e immagine corporea, gli autori non sono riusciti a giungere ad un consenso univoco. Il binomio costituito da schema corporeo e immagine corporea, non ha dunque subito nel corso degli anni chiarificazioni per giungere ad una netta distinzione tra le due definizioni tanto che, spesso, assumono lo stesso significato nei lavori di autori diversi. Due neurologi britannici, Head e Holmes ( ), sono stati i primi a descrivere pazienti con deficit relativi alla rappresentazione, alla localizzazione e alle sensazioni del corpo. Da queste osservazioni hanno ipotizzato che tali deficit fossero dovuti ad un malfunzionamento della rappresentazione posturale e hanno tentato di affrontare l importante problema di come il cervello sia in grado di elaborare il proprio corpo attraverso esperienze tattili e propriocettive, proponendo uno schema corporeo per la valorizzazione della postura o del movimento passivo e un altro schema corporeo che rende possibile la localizzazione delle sensazioni tattili applicate alla superficie corporea. In questi termini la rappresentazione mentale del corpo viene concepita come un modello plastico di se stessi in cui vengono valutate tutte le successive modifiche della postura, del movimento e della stimolazione tattile (Giovanni Berlucchi, Salvatore M. Aglioti, 2009). Macdonald Critchley (1979) volge una critica ai due autori a causa del loro linguaggio poco chiaro che ha fatto sì che i termini di immagine, schema corporeo e immagine di sé, fossero usati in letteratura in modo intercambiabile creando una confusione maggiore. Schilder ( ), in accordo con Head, equipara il modello posturale con la sensazione cosciente della posizione corporea, ovvero, equipara lo schema corporeo, come definito da Head, con l'immagine o rappresentazione del proprio corpo che formiamo nella nostra mente (Schilder, 1935, p.11). Merleau-Ponty ( ) infine, utilizza il termine immagine corporea per designare un esperienza e un funzionamento dinamico del corpo che agisce nel suo ambiente. Questa rappresentazione include una consapevolezza marginale del corpo e funziona come un sistema 4

8 dinamico che appartiene ad una sfera di abitudine piuttosto che ad una scelta consapevole (Merleau- Ponty, , pp.141/142). Nasce la necessità di coniare un termine onnicomprensivo capace di integrare sia le componenti concettuali che le componenti percettive della rappresentazione mentale del corpo. Un primo tentativo di chiarimento fu realizzato da Shaun Gallagher (1986), che distinse la consapevolezza conscia del proprio corpo e la sua rappresentazione inconscia. Gallagher considera la prima come base dell immagine corporea, la cui consapevolezza è limitata solo a certe situazioni, come ad esempio la fatica, l eccitamento sessuale, situazioni stressanti o cambiamenti fisici come avviene negli atleti. Inoltre, a volte, il corpo viene concepito come un pensiero, un oggetto, un peso o un fastidio (Plügge, 1967). Con il termine pre-intenzionalità, Gallagher(1986) intende il corpo normalmente impegnato nel mondo, allorché la consapevolezza è occupata in compiti o processi di pensiero, ovvero, quando il corpo non è esplicitamente un oggetto della coscienza. Non si è consapevoli del proprio corpo fino a quando non vi è un riflesso volontario o un riflesso forzato causato dal dolore, dal disagio, dal piacere, dalla fatica. Inoltre, quando l attenzione conscia è diretta al nostro corpo, avviene di solito una discriminazione o isolamento della funzionalità fisica, definito dalla circostanza. In tale consapevolezza il corpo diventa disintegrato, coscientemente articolato in parti, sebbene la caratteristica fisica o parte corporea isolata continui a funzionare solo in relazione al resto del corpo che è rappresentato in maniera non consapevole. Nell'immagine cosciente del corpo non si ha una consapevolezza olistica, ma una consapevolezza delle parti che possiamo controllare perché le percepiamo come nostre, mentre le altre parti del corpo, come gli organi interni che non possono essere controllati, non riusciamo ad averne coscienza. Questa consapevolezza del proprio corpo viene definita dall autore come immagine corporea, un concetto complesso che include in sé tre caratteristiche principali: percettiva, il corpo come viene percepito dalla mia coscienza immediata; cognitiva, come costrutto concettuale e di comprensione intellettuale del proprio corpo; emotiva, una caratteristica che concerne i sentimenti e l atteggiamento emotivo. Al contrario lo schema corporeo è una rappresentazione non consapevole e operativa, è il modo in cui il corpo sperimenta il suo ambiente. Lo schema rispecchia e determina la postura, la posizione generale che occupa il corpo nell ambiente. La postura non equivale alla posizione di un oggetto in uno spazio oggettivo ma è un esperienza spaziale del corpo, uno spazio vissuto che non è mai pienamente rappresentato nella coscienza. Questa non consapevolezza riflette due aspetti: il primo, interessa la mancanza di consapevolezza della maggior parte delle reazioni che avvengono ad un livello neurologico inferiore all'interno del nostro corpo 5

9 (Mason, 1961). Il secondo aspetto riguarda la non consapevolezza del nostro corpo applicata non solo al nostro vissuto fisiologico ma anche al modo in cui il nostro corpo vive il suo ambiente. L affaticamento degli occhi ne è un esempio; la consapevolezza è diretta intenzionalmente all ambiente piuttosto che al nostro corpo. Quando durante una lettura gli occhi si stancano, il lettore non percepisce la sua fatica, ma rileva che la luce è troppo debole o che il libro è davvero noioso o incomprensibile...i pazienti non percepiscono immediatamente che le funzioni corporee sono disturbate, ma si lamentano circa il fatto che il lavoro non riesce, che l'ambiente è irritante e faticoso (Buytendijk, 1967/1974, p.62). Non siamo consapevoli della nostra postura e di come il nostro sistema visivo scorre le pagine, avvertiamo la stanchezza attraverso la percezione di cambiamenti nell ambiente. Compaiono la fatica e il mal di testa e, gradualmente, l assenza di consapevolezza intenzionale dei nostri occhi cambia, perché ora la nostra attenzione è rivolta ad essi ed entrano nel dominio della consapevolezza corporea. Il dolore diventa l inquietudine principale e causa del turbamento della lettura. Gallagher (1986) ha allontanato la confusione che gravitava intorno al concetto di rappresentazione corporea, definendo in modo chiaro la distinzione dicotomica tra schema e immagine corporea. A sostegno di questa teoria, alcuni autori hanno cercato di fornire una base neuronale attraverso lo studio delle doppie dissociazioni in pazienti con lesioni neurologiche. Paillard (1999) ha associato la dicotomia schema-immagine corporea con due dicotomie anatomo-funzionali, quella del cosa-dove di Ungerleider and Mishkin (1982) e quella di visione-per-percezione e visione-perazione di Milner e Goodale (1995). L autore identifica l immagine del corpo come oggetto della coscienza e lo schema corporeo come oggetto non consapevole, anche se a volte quest ultimo può influenzare la percezione spaziale, la percezione degli oggetti e l azione intenzionale. La tesi di Paillard (1999) assume che una modalità sensorimotoria di elaborazione delle informazioni spaziali coesiste con una modalità di rappresentazione, ed entrambe si organizzano e generano la propria mappatura dello spazio (Paillard, 1987). La modalità sensorimotoria include principalmente quella parte del mondo fisico con cui l'organismo è in relazione in virtù del suo apparato sensorimotorio di base. Gli strumenti sensorimotori locali mantengono un rapporto diretto con il mondo fisico e contribuiscono così al continuo aggiornamento della mappa del corpo in relazione con lo spazio extra-corporeo in cui si trovano gli oggetti e a cui sono dirette le azioni. La modalità di rappresentazione derivante dall attività neurale, che esplora e consulta le rappresentazioni interne dell'ambiente fisico, vengono immagazzinate nei sistemi di memoria. Essi comprendono rappresentazioni mentali locali, relazioni spaziali di percorsi relativi a punti di riferimento, le 6

10 posizioni relative tra gli oggetti e la posizione del corpo stesso in relazione al suo ambiente. La domanda che nasce spontanea è se le due modalità di elaborazione operino in parallelo, ciascuna utilizzando i propri circuiti neurali e generando la propria mappatura dello spazio in due diversi sistemi di riferimento, rispettivamente centrati sul corpo e sull ambiente. Studi su pazienti con lesioni neurologiche hanno tentato di rispondere a questo quesito. Paillard (1999) applicò degli stimoli tattili su due pazienti con due differenti lesioni; il primo, con infarto parietale sinistro, ebbe una anestesia sensoriale completa della mano destra; l esaminatore, dopo aver bendato il paziente, applicò uno stimolo tattile sulla mano non sensibile del soggetto, il quale riuscì a toccare il punto esatto che era stato stimolato pur continuando a negare qualsiasi sensazione corrispondente. Il secondo paziente, colpito da una neuropatia periferica con assenza di propriocezione nei quattro arti, al contrario, riusciva ad identificare consapevolmente il punto toccato dall esaminatore ma non poteva indicarlo se non aiutato dalla vista. Questi risultati hanno portato Paillard a concludere che nel primo paziente il deficit fosse correlato ad un danno a livello dell immagine corporea, quindi al sistema di percezione conscia e del cosa, mentre nel secondo caso il deficit nella performance poteva essere ricondotto ad un danno inerente lo schema corporeo, una disfunzione del sistema di azione inconscia e del dove. Con How the Body Shapes the Mind, Shaun Gallagher (2005) fornisce un quadro generale dell importanza del corpo nei processi cognitivi. Gallagher riassume significativi risultati sperimentali provenienti da un'ampia varietà di domini: neuropsicologia (deafferentazione, arto fantasma e schizofrenia), neuroscienze (neuroni specchio), psicologia dello sviluppo (imitazione nel neonato) e psicologia sociale (gesti comunicativi). Dall insieme dei suoi studi Gallagher vuole fornire una descrizione dettagliata della consapevolezza corporea e analizzare l influenza del corpo sull autocoscienza, sulla percezione, sul linguaggio e sulla cognizione sociale. L autore indica con immagine corporea un sistema di percezioni, atteggiamenti e credenze relative al proprio corpo, in contrasto con lo schema corporeo, un sistema di capacità sensorimotorie che operano senza consapevolezza o necessitano di un monitoraggio percettivo (Gallagher, 2005). Egli giustifica l esistenza della dicotomia immagine/schema corporeo attraverso risultati ottenuti da studi di doppia dissociazione in pazienti neurologici. Ha analizzato soggetti con neglect personale, il cui deficit si esprime mediante un incapacità ad orientare l attenzione verso il lato controlaterale alla lesione che si manifesta, di solito, più frequentemente a sinistra. Egli ipotizza che questo potrebbe essere causato da un'interruzione della percezione dell immagine corporea. Al contrario, in pazienti con deafferentazione, che non ricevono informazioni tattili o propriocettive sotto il collo, il deficit si 7

11 manifesta con un incapacità motoria se non osservano con attenzione ciò che stanno facendo. In questo caso è il loro schema corporeo ad essere gravemente compromesso. Queste dissociazioni possono essere riassunte affermando che lo schema corporeo è generalmente dedicato all'azione inconscia e l'immagine del corpo è generalmente dedicato alla percezione e all'azione cosciente (Berlucchi e Aglioti, 2010). La comprensione di come il cervello rappresenta il proprio corpo è un argomento di studio complesso e di difficile concettualizzazione, ma l identificazione di aree della corteccia associate alla rappresentazione corporea, che argomenterò nel secondo capitolo, hanno portato dei contributi empirici e teorici importanti. 1.3 Tassonomia triadica della rappresentazione corporea. I dati riportati dalla letteratura su casi singoli e piccoli gruppi di studio hanno suggerito una distinzione tra rappresentazioni del corpo che va oltre la tassonomia diadica, proponendo una tripla rappresentazione. Il concetto di schema corporeo rimane invariato, conservando la caratteristica di rappresentazione sensorimotoria del corpo che guida le azioni mediante informazioni efferenti ed afferenti; il concetto originario di immagine corporea viene respinto e trasformato in due ulteriori rappresentazioni: la descrizione strutturale del corpo (o mappa visuo-spaziale del corpo) e la semantica del corpo. A livello visuo-spaziale si parla di una mappa topologica che origina principalmente dall input visivo che definisce i confini, la vicinanza e la posizione delle parti del corpo (Buxbaum e Coslett, 2001; Sirigu, Grafman, Bressler, e Sunderland, 1991). Questa rappresentazione si basa principalmente sulla visione e sulla percezione somatica. A livello semantico, l'immagine del corpo è in primo luogo concettuale e linguistico. Descrive lo scopo funzionale delle parti del corpo, ne definisce il nome e il rapporto categorico, ad esempio, polsi e caviglie sono entrambe articolazioni (De Vignemont, 2010). Diverse evidenze in letteratura supportano la distinzione tra queste tre differenti rappresentazioni. Molti ricercatori hanno riportato dati fisiologici che suggeriscono che l efficacia di un azione probabilmente dipende dalla codifica della posizione tra le parti del corpo, come la relativa posizione di ogni dito rispetto all'altro (Gallese, Fadiga, Fogassi, e Rizzolatti, 1996), nonché le posizioni relative degli occhi, della testa e del tronco (Snyder, Grieve, Brotchie, e Andersen, 1998). Alcuni studi sul controllo motorio hanno suggerito che sia le informazioni sensoriali che quelle di copia efferente (segnale motorio che informa il sistema sensoriale dell azione che è in fase di programmazione o di attuazione), possono essere integrati per consentire la correzione on-line di errori motori così da generare una stima più accurata della posizione del corpo (Desmurget & 8

12 Grafton, 2000; Wolpert & Ghahramani, 2000;. Desmurget et al, 1999; Wolpert, Ghahramani, e Jordan, 1995). Inoltre, Buxbaum, Giovannetti, e Libon (2000) hanno esaminato un paziente con aprassia sostenendo che il suo deficit potesse dipendere da danni dello schema corporeo. Gli autori suggeriscono che il deficit nel paziente aprassico con alterazione della pantomima, del riconoscimento e dell imitazione non dipende principalmente dall integrità della rappresentazione del gesto ma da un deficit della codifica dinamica delle posizioni intrinseche delle parti del corpo. Anche Lackner (1988) ha dimostrato l importanza tra queste relazioni, infatti, inducendo una stimolazione vibratoria del muscolo del bicipite mantenendo il braccio fermo, si percepisce non solo un prolungamento del braccio, ma anche la distorsione di altre parti del corpo con cui la mano del braccio stimolato è in contatto. Questi studi suggeriscono la presenza di una rappresentazione on-line delle relative posizioni tra le parti del corpo che implica quindi un richiamo dello schema corporeo. Per quanto riguarda la rappresentazione della struttura, ovvero, la mappa topologica del corpo, diversi dati ne mostrano la validità. Pick (1922) ha descritto pazienti incapaci di indicare il nome di parti del corpo su stessi e sugli altri (autotopoagnosia). E possibile ipotizzare che alla base ci sia un danno della rappresentazione strutturale del corpo, che diversamente dallo schema corporeo, riceve principalmente input visivi (Buxbaum & Coslett, 2001; Sirigu et al., 1991). Buxbaum e Coslett (2001) hanno osservato un paziente autotopagnosico con danno diffuso dell emisfero sinistro che risultava deficitario rispetto al gruppo di controllo in un compito in cui veniva chiesto di indicare verbalmente le parti del corpo o identificarle visivamente su se stessi o su gli altri. Tuttavia questo paziente era in grado di eseguire perfettamente compiti in cui gli veniva chiesto di indicare parti del corpo di animali e parti di oggetti inanimati. Questi risultati suggeriscono un incapacità di accedere in modo selettivo alla descrizione strutturale delle parti del corpo umano, mantenendo una rappresentazione intatta dello schema corporeo dimostrata dall assenza di una differenza significativa rispetto ad un soggetto di controllo normale durante la preparazione di un azione motoria che permettesse di afferrare un oggetto. L ultima rappresentazione è quella della mappa semantica e lessicale del corpo deputata all elaborazione delle relazioni tra le parti, alle funzioni e ai nomi delle parti del corpo. Sirigu et al. (1991) hanno riportato un caso di un paziente con autotopoagnosia e atrofia cerebrale diffusa che aveva una conservazione selettiva dell'immagine del corpo. La prestazione del paziente non era deficitaria quando doveva indicare le funzioni delle parti del corpo, ma risultava deficitario quando doveva indicare verbalmente le relazione spaziali tra le parti del corpo (ad esempio, '' è il polso 9

13 accanto al braccio? ''). Anche Buxbaum e Coslett (2001) hanno osservata nel loro paziente autotopagnosico con danno diffuso dell emisfero sinistro, un esecuzione non deficitaria durante n compito in cui doveva indicare l associazione tra parti del proprio corpo e abbigliamento (ad esempio con la presentazione di una foto che raffigurava una scarpa veniva chiesto di indicare la parte del suo corpo con il quale era più strettamente associato), suggerendo che la sua conoscenza semantica di parti del corpo era intatta. Inoltre Coslett et al. (2002) hanno osservato un paziente con conservazione selettiva di informazioni semantiche di parti del corpo nonostante presentasse un deficit nella comprensione delle parole da altre categorie (Coslett et al., 2002). Quando il paziente doveva indicare e nominare le immagini raffiguranti parti del corpo e oggetti non corporei, egli identificava correttamente tutte le parti del corpo e solo la metà degli stimoli di altre categorie. Risultati differenti emergono da uno studio condotto da Suzuki, Yamadori, e Fujii (1997) che hanno riportato un paziente con afasia di Broca ed infarto dell emisfero sinistro con inclusione dell opercolo frontale. Il soggetto presentava danni a livello della rappresentazione semantica di parti del corpo ma un intatta comprensione semantica di parole inerenti categorie non corporee e una conservata capacità di identificazione visiva di parti del proprio corpo. I singoli casi descritti con deficit nelle diverse tre rappresentazioni corporee non mostrano prove concrete in merito alla validità psicologica e alle basi anatomiche. Schwoebel e Coslett (2005) hanno effettuato uno studio atto ad indagare la prevalenza e i substrati anatomici di queste tre rappresentazioni del corpo. Gli autori hanno esaminato la performance di 70 pazienti con ictus unilaterale e 18 controlli sani di pari età in una serie di compiti sviluppati per valutare lo schema corporeo, la descrizione strutturale del corpo e l'immagine del corpo semantico/lessicale. I compiti relativi alla valutazione dello schema corporeo sono: Compito di immaginazione/azione della mano : quattro movimenti con difficoltà variabile, che va dal tocco ripetitivo di pollice e indice, all estensione indipendente dell indice e del mignolo. I soggetti sono stati testati in entrambe le condizioni sia con la mano ipsilesionale che con quella controlesionale. Quando l esaminatore dava verbalmente il via i pazienti avevano il compito di immaginare di eseguire il movimento specifico della prima condizione per 5 volte, in modo rapido e accurato e dichiarare verbalmente la fine dell attività mentale; nella seconda condizione, è stato chiesto ai pazienti di eseguire lo stesso movimento per 5 volte. Ogni movimento immaginato ed eseguito è stato testato due volte e sono stati registrati i tempi. 10

14 Compito di lateralità della mano : compito spesso utilizzato in letteratura (Parsons, Fox et al., 1995;. Parsons, 1987, 1994; Tomasino, Rumiati, e Umiltà, 2003; Johnson, 2000; Coslett 1998). Sono state presentate ai soggetti delle immagini con stimoli di mani con la prospettiva del palmo o del dorso in quattro orientamenti diversi: le dita che puntano verso l esterno, dita rivolte verso il soggetto, le dita che puntano a sinistra e le dita che puntano a destra. I soggetti avevano il compito di dare un giudizio di lateralità muovendo la mano destra o sinistra. I pazienti emiplegici rispondevano indicando alla mano controlesionale. Per ogni soggetto è stata calcolata l accuratezza complessiva per la mano ipsilesionale e controlesionale. Compiti per la valutazione della descrizione strutturale del corpo: Localizzazione di parti del corpo isolate : sono state presentate 24 immagini di parti del corpo ed è stato chiesto ai pazienti di indicare la stessa parte sul proprio corpo. Localizzazione di stimoli tattili : l esaminatore dopo aver applicato degli stimoli tattili con un pennello sul corpo del soggetto che si trovava seduto con gli occhi chiusi, ha chiesto di localizzare su un manichino il punto esatto in cui aveva percepito lo stimolo sul proprio corpo. Abbinamento di parti del corpo mediante localizzazione : una parte del corpo target è stata presentata visivamente ed è stato chiesto ai pazienti di indicare 1 delle 3 parti del corpo raffigurate che era più vicino sulla superficie del corpo alla parte del corpo target. Compiti di valutazione dell'immagine corporea semantico/lessicale: Abbinamento di parti del corpo rispetto alla funzione : sono stati utilizzati gli stimoli del precedente compito di localizzazione. I pazienti avevano il compito di selezionare 1 delle 3 parti del corpo della foto più strettamente correlata in termini di funzione alla parte del corpo target. Le immagini comprendevano anche una parte sulla superficie del corpo in prossimità alla parte del corpo raffigurato e una parte del corpo estranea. Ad esempio, se l'obiettivo era un gomito le opzioni di risposta includevano un ginocchio (la scelta giusta), un avambraccio, e il naso. Abbinamento di parte del corpo con abbigliamento e oggetti : un capo di abbigliamento è stato presentato con 4 parti del corpo. Ai soggetti è stato chiesto di indicare l'immagine della parte del corpo con la quale il capo di abbigliamento o un accessorio era più strettamente associato. Le foto includevano anche immagini concettualmente correlate, non collegate e parti del corpo contigue. 11

15 In linea con i dati dei singoli casi e piccoli gruppi in letteratura, i risultati dello studio di questo gruppo molto ampio hanno confermato con forza l indipendenza delle tre rappresentazioni del corpo. Lo schema corporeo, la descrizione strutturale del corpo e l'immagine del corpo sono rappresentazioni dissociabili. Sette soggetti hanno mostrato un deficit sul compito di immaginazione/azione della mano con esecuzione nella norma su tutti gli altri compiti di rappresentazione del corpo. Allo stesso modo, 6 soggetti hanno eseguito in modo anomalo il solo compito di giudizio di lateralità della mano e due soggetti in modo deficitario solo il compito di descrizione strutturale del corpo. Infine, tre soggetti hanno avuto una performance carente nel compito di immagine corporea. Inoltre mediante studi di imaging Schwoebel e Coslett (2005) hanno indagato le basi neurali delle rappresentazioni del corpo. I risultati suggeriscono che le rappresentazioni della descrizione della struttura del corpo e l immagine del corpo sono lateralizzate nell'emisfero sinistro. In particolar modo il danno al lobo temporale sinistro è più costantemente associato con prestazioni ridotte su tali compiti (Schwoebel e Coslett, 2005). Nonostante queste evidenze, i risultati riportati inerenti al deficit di performance associato a lesioni del lobo temporale non consente la discriminazione della differenza tra le regioni temporali associate alla rappresentazioni strutturale del corpo e all immagine corporea. L analisi dello schema corporeo ha evidenziato una doppia dissociazione tra le prestazioni in compiti di immaginazione/azione di una mano e compiti di lateralità della mano associato ad un deficit bilaterale in entrambi i casi. In letteratura ci sono dati discordanti sull'attivazione bilaterale o unilaterale rispetto a questi compiti. La spiegazione potrebbe dipendere dalle differenti richieste del compito o dalla localizzazione della lesione (Schwoebel e Coslett, 2005). Tuttavia, nonostante i dubbi sulla lateralizzazione emisferica, i risultati dei due compiti mostrano un attivazione della Corteccia Frontale dorso-laterale e/o lobo parietale ma la base anatomica per la dissociazione non è stata chiarita. Complessivamente questi risultati mostrano una tripla dissociazione tra schema corporeo, immagine strutturale del corpo e immagine del corpo semantico/lessicale, suggerendo che le rappresentazioni sono funzionalmente dissociabili. Anche l associazione delle basi anatomiche correlano con i processi e le regioni cerebrali che mediano il riconoscimento e la rappresentazione delle parti del corpo nello spazio (Goodale e Milner, 1992; Mishkin, Ungerleider, e Macko, 1983). Alla luce di questi dati non sorprende che la descrizione strutturale e l'immagine del corpo siano compromesse da lesioni temporali e che le alterazioni dello schema corporeo siano associate con lesioni che coinvolgono la Corteccia Frontale dorso-laterale e / o lobi parietali. 12

16 1.4 Plasticità cerebrale e rappresentazione corporea. Ognuno di noi possiede rappresentazioni multiple del proprio corpo a livello cerebrale. La neuropsicologia suggerisce che la simulazione mentale di qualsiasi movimento è guidato dal nostro schema corporeo (de Lange et al. 2005; Parsons 1994; Schwoebel et al. 2001), inteso come una mappa topologica del nostro corpo in generale (Corradi-Dell Acqua et al. 2009; Schwoebel and Coslett 2005; Buxbaum and Coslett 2001; Sirigu et al. 1991; Pick 1922). Quando una parte anatomica subisce una modificazione, come nel caso dell amputazione di un arto, la rappresentazione mentale del nostro corpo deve essere sottoposto ad un rimappaggio. Ramachandran e Rogers-Ramachandran (1996) individuano la presenza di tre fattori che giocano un ruolo fondamentale in pazienti con amputazione che avvertono la presenza di un arto fantasma: a) Se a causa di una lesione del nervo periferico, prima dell amputazione, l arto è paralizzato, dopo l asportazione chirurgica il paziente percepisce la presenza dell arto fantasma con la stessa sensazione di paralisi precedente. Questo fenomeno è stato nominato paralisi appresa (Ramachandran, 1994); b) I pazienti, dopo aver subito l amputazione, riferiscono di poter generare volontariamente dei movimenti con l arto fantasma, ma con il passare del tempo questa capacità svanisce in quasi tutti i soggetti. c) Come succede nella maggior parte dei casi, gli amputati provano sensazioni dolorose a livello del moncone e hanno difficoltà nell avviare il movimento poiché un tale tentativo potrebbe amplificare il dolore. A volte i pazienti percepiscono movimenti involontari dell arto fantasma, probabilmente perché la parte frontale del cervello continua ad inviare messaggi ai muscoli dell arto nonostante quest ultimo non ci sia più. Questo avviene perché il cervello non è a conoscenza del fatto che la mano ad esempio, è stata amputata, probabilmente questi comandi di movimento sono contemporaneamente monitorati dai lobi parietali che si occupano dell immagine corporea (Ramachandran, 1996). L autore crea uno strumento, la virtual reality box, al fine di aiutare i pazienti a risolvere il problema della paralisi dell arto fantasma che induce sensazioni dolorifiche. La virtual reality box è composta da una scatola nella cui superficie interna è posizionato uno specchio, mediante il quale, il paziente, attraverso l immagine riflessa dell arto sano, riesce a ricreare quello mancante su cui è 13

17 localizzato il dolore. Il soggetto dopo aver inserito entrambi gli arti (arto sano e moncone) all interno della scatola ha il compito di svolgere alcuni esercizi. Vedendo l immagine dell arto sano riflessa allo specchio, il paziente è in grado di compiere il movimento oltre che con l arto sano, anche con quello amputato. In assenza di feedback tattili e propriocettivi, viene attivata una strategia diversa a livello cerebrale, con cui, attraverso la vista e l osservazione del movimento riflesso che attiva i neuroni specchio, il paziente riceve un feedback per il controllo del movimento. Avviene una riprogrammazione a livello corticale dello schema corporeo, il soggetto perviene ad un illusione propriocettiva dell arto amputato e questo controllo permette la diminuzione del dolore. La capacità di riorganizzazione e riprogrammazione a livello della corteccia è un processo che affascina tuttora la neuropsicologia. Molti studi hanno dimostrato che questa plasticità può, nella maggior parte dei casi, portare ad un adattamento in risposta ad una lesione cerebrale. Il cervello riesce ad attuare delle modifiche in brevissimo tempo e può anche indurci ad allucinare una diversa percezione del nostro corpo. La rappresentazione cerebrale del corpo origina dall integrazione delle informazioni sensoriali, quali vista, tatto e propriocezione. Mettendo in conflitto queste diverse modalità sensoriali è stato dimostrato come esse possano influenzare la rappresentazione mentale del nostro corpo. Lo studio condotto da Lackner (1988) ha evidenziato come un conflitto tra tatto e propriocezione distorca la rappresentazione della superficie corporea. Questa distorsione, creata sperimentalmente, è stata denominata illusione di pinocchio (Lackner, 1988). I fusi muscolari, sono dei recettori propriocettivi localizzati nei muscoli che forniscono informazioni sulla variazione di lunghezza di questi ultimi. Oltre che fisiologicamente, i fusi possono essere attivati sperimentalmente mediante la stimolazione del tendine con uno stimolo vibratorio. Se la stimolazione viene applicata sul bicipite, nonostante questo rimanga fermo, si ha la sensazione che il braccio si sia steso. Se la stimolazione viene effettuata mentre il soggetto tocca la punta del suo naso con le dita dello stesso braccio si origina una condizione paradossale, ossia, la percezione che il braccio si allunghi, la mano si allontani dal viso e il naso si allunghi fino a 30 cm (Medina, 2010). Ciò dimostra che l informazione tattile si integra con quella vestibolare, andando ad offuscare l informazione visiva, da cui origina l illusione di pinocchio (Lackner, 1988). L esperimento spiega il conflitto sensomotorio: visto che il corpo e la testa sono stazionari, l illusione colpisce solo il naso in quanto è a contatto con il braccio stimolato. Le parti del corpo vengono rappresentate nel loro rapporto reciproco e questa rappresentazione è il risultato delle 14

18 numerose informazioni sensoriali che provengono dal corpo e sono integrate in un tutto funzionale (De Vignemont, 2005). Botvinick e Cohen nel 1998 hanno proposto uno studio diverso per indagare se una mano artificiale può entrar a far parte del nostro schema corporeo innescando un conflitto multisensoriale tra sistema propriocettivo e sistema visivo. Sono stati testati 10 soggetti e ognuno di loro doveva sedersi davanti ad una scrivania sulla quale, in corrispondenza del braccio sinistro, si trovava una mano di gomma di dimensioni reali e molto simile a quella vera, mentre la mano vera veniva nascosta dietro ad un pannello. Gli sperimentatori con due pennelli stimolavano in maniera sincrona sia la mano reale che quella di gomma mentre il soggetto doveva tenere lo sguardo fisso su quest ultima. Dieci minuti dopo la stimolazione fu chiesto ai partecipanti di compilare un questionario volto ad indagare l esperienza diretta dei soggetti. Il risultato evidenziò che durante la stimolazione i soggetti avevano percepito la sensazione tattile del pennello effettuata sulla mano artificiale. Gli autori hanno ipotizzato che questa illusione potesse dipendere dal tentativo del cervello di risolvere il conflitto multisensoriale attraverso l incorporazione della mano di gomma nel proprio schema corporeo. Botvinick e Cohen (1988) hanno riproposto l esperimento precedente dividendo i soggetti in due gruppi (sperimentale e controllo) e somministrando il compito chiedendo ai soggetti di chiudere gli occhi. Nei soggetti del gruppo sperimentale la stimolazione venne effettuata in modo sincrono mentre nel gruppo di controllo in modo asincrono. Dopo aver indotto l illusione i soggetti del gruppo sperimentale, nell effettuare una ricerca intermanuale per indicare la posizione della loro vera mano, commettevano un errore di posizionamento verso la mano finta. Questo risultato suggerisce che il sistema visivo ha portato ad una ricalibrazione del braccio (Botvinick e Cohen, 1988). La risposta fisiologica a questo tipo di illusione è stata una scoperta importante in ambito dei disturbi che riguardano la consapevolezza corporea, come ad esempio nel caso della sensazione dolorifica dell arto fantasma percepita dai pazienti con amputazione di un arto. Una riabilitazione mediante queste procedure infatti porta ad una riorganizzazione cerebrale, facilitando il riadattamento del paziente. 15

19 CAPITOLO 2 Elaborazione sensorimotoria in pazienti con deafferentazione periferica. 2.1 Aree cerebrali selettive per il corpo. Ogni individuo attraverso la visione e l interpretazione delle azioni altrui acquisisce, anche per imitazione, nuove competenze; questo è un processo che interessa tutto l arco della vita (Meltzoff e Moore, 1977). Con l esperienza gli esseri umani sono capaci di distinguere un azione di natura biologica da una compiuta da meccanismi artificiali, anche se gli stimoli disponibili sono limitati (Johansson, 1973). Questa abilità nell essere umano è dovuta a meccanismi cerebrali specializzati nell elaborazione del corpo e dell azione. Studi di risonanza magnetica funzionale hanno evidenziato che i volti e i corpi vengono elaborati in regioni corticali specializzate denominate: occipital face area (OFA), fusiform face area (FFA), extrastriate body area (EBA) e fusiforme body area (FBA). Nello specifico, per quanto riguarda EBA ed FBA, Downing et al. (2001) utilizzando un paradigma di risonanza magnetica funzionale (fmri) hanno dimostrato che i soggetti, alla visione di immagini raffiguranti il corpo umano o parti di esso, producevano un attivazione a livello della corteccia occipito-temporale molto più forte rispetto a quando erano di fronte ad immagini di oggetti, o parti di oggetti, inanimati. Quest area, denominata EBA, è stata trovata specifica per la codifica del corpo e parti del corpo, senza volto. Infatti, risulta una diminuzione dell attivazione di EBA con stimoli che rappresentano un viso rispetto a quanto si mostra solo il corpo (Morris et al. 2006). E stata individuata un ulteriore area selettiva per i corpi senza la codifica del volto, questa zona è stata denominata FBA, situata nel giro fusiforme medio (Taylor et al., 2007). La differenza tra queste due aree risiede nella diversa analisi che effettuano sul corpo. Infatti, sembrerebbe che EBA risponda alla codifica di piccole parti del corpo, come le singole dita di una mano (Taylor et al., 2007), mentre FBA elabora il corpo nella sua globalità, codificando le parti più grandi, come il busto e gli arti (Taylor et al., 2007). Le prime dimostrazioni sulla specializzazione di queste aree sono state fornite da Urgesi et al. (2004) attraverso l utilizzo della Stimolazione Magnetica 16

20 Transcranica ripetitiva. Interrompendo transitoriamente la funzionalità di EBA si è osservata una significativa diminuzione dei tempi di risposta durante lo svolgimento di un compito visivo strutturato con stimoli raffiguranti parti del corpo. Il dato è stato rinforzato dall assenza di effetti significativi sui tempi di risposta utilizzando lo stesso compito visivo ma con stimoli facciali e non corporei. La rtms è stata applicata tra i ms dopo la presentazione del trial, suggerendo un coinvolgimento precoce di EBA nell elaborazione delle informazioni visive (Berlucci e Aglioti, 2009). Inoltre altri studi hanno rilevato che l attivazione di EBA è maggiore per le rappresentazioni allocentriche del corpo rispetto a quelle egocentriche (Chan et al 2004; Saxe et al 2006). Uno studio di fmri di Chan e colleghi (2004) sembra indicare che l attività di questa area sia influenzata in modo specifico dalla prospettiva, egocentrica o allocentrica, in cui sono presentate le immagini visive del corpo, senza però rispecchiare una differenza nella discriminazione delle parti corporee come appartenenti a sé stessi o a un altro (Chan, Peelen e Downing, 2004). Questo è stato confermato anche da studi funzionali che hanno riportato un attivazione di EBA rispetto alla codifica di parti del corpo da diversi punti di vista: EBA di destra, anche se di poco, si attiva maggiormente in risposta ad una visione allocentrica più che egocentrica del corpo (Chan et al 2004) e delle sue parti (Saxe et al. 2005) rispetto a EBA di sinistra. Saxe et al. (2005) mediante uno studio fmri hanno indagato l attivazione di EBA in un gruppo di 10 soggetti sani sottoponendoli ad un compito di riconoscimento dello stimolo. L esperimento comprendeva quattro condizioni di riconoscimento: (I) foto in scala di grigi di corpi interi escluso la testa, (II) parti del corpo, (III) oggetti interi e (IV) parti di oggetti. Gli stimoli per il riconoscimento della prospettiva del corpo comprendevano 20 fotografie raffiguranti parti del corpo da una prospettiva allocentrica e 20 da una prospettiva egocentrica, i soggetti avevano il compito di premere un pulsante se lo stesso stimolo appariva due volte in successione immediata. Le immagini sono state presentate su uno schermo per 16 secondi in blocchi di 20 immagini per la stessa condizione. I risultati dell analisi fmri hanno mostrato un attivazione maggiore di EBA per le immagini dei corpi umani. In particolare, l attivazione di EBA di destra era maggiore durante il riconoscimento di parti del corpo elaborati da una prospettiva allocentrica (Saxe et al. 2005). Questi risultati confermano che EBA di destra ed EBA di sinistra sono coinvolte rispettivamente nel riconoscimento del corpo da una prospettiva allocentrica ed egocentrica (Turk et al, 2002;.. Brady et al, 2004). La rappresentazione mentale del nostro corpo, quindi, deriva da un integrazione multisensoriale che coinvolge non solo le informazioni sensorimotorie ma anche il nostro sistema visivo (Corradi-Dell Acqua, 2008). 17

21 Uno studio condotto da Van Elk et al. (2013) ha verificato come la diversa elaborazione che viene effettuata dal nostro cervello per gli arti superiori e inferiori, modula l integrazione multisensoriale dello spazio peripersonale attraverso la congruenza e la postura dell arto. Sono stati utilizzati stimoli cross-modali in cui i partecipanti avevano il compito di discriminare gli stimoli tattili applicati sulle proprie mani o piedi reali cercando di ignorare la distrazione derivante dalla visione di stimoli applicati su arti di gomma. Ponendo la parte del corpo di gomma in una posizione anatomicamnete congruente a quella reale è stato osservato un effetto di congruenza cross-modale (CCM per stimoli visuo-tattili applicati alle mani e ai piedi. Questo mostra che in una condizione di arti non incrociati la rappresentazione peripersonale di mani e piedi sono simili e questo effetto è rafforzato quando le parti del corpo in gomma sono collocate in una posizione anatomicamente congruente. Tuttavia si verifica una situazione diversa quando dobbiamo elaborare separatamente gli stimoli di mani e piedi ponendo le parti del corpo reali e di gomma in una posizione incrociata. Per le mani l effetto cross-modale era regolato dalla posizione incrociata, mentre per i piedi non c era un effetto cross-modale dipendente dalla posizione. Questo riflette il fatto che l informazione visiva delle mani è più facile da elaborare in modo propriocettivo rispetto ai piedi, dovuto probabilmente a differenti rappresentazioni funzionali di queste parti. Infatti non si evidenziano effetti cross-modali per i piedi né se i piedi reali né se quelli di gomma erano posizionati in una posizione congruente o meno. Probabilmente l effetto è legato all esperienza visiva, infatti abbiamo più esperienza delle nostre mani che dei nostri piedi, di conseguenza le informazioni visive della mano di gomma saranno integrate più facilmente a livello percettivo e un incongruenza porta ad un ridotto CCM (Pavani et al, 2000;. Zopf, Savage, e Williams, 2010). L assenza di CCM per i piedi reali e di gomma nelle diverse posizioni indica che l elaborazione degli arti superiori e inferiori avviene mediante meccanismi diversi (Van Elk et al., 2013). Queste differenze sono state evidenziate anche in studi di rotazione mentale che hanno riportato una maggior facilità nel compito immaginativo per le mani rispetto ai piedi (Gentilucci, Daprati, e Gangitano, 1998; Ionta, Fourkas, Fiorio, e Aglioti, 2007; Parsons, 1987). Un altro fattore rilevante potrebbe essere che i piedi sono più distali rispetto alle mani e le informazioni visive potrebbero essere ridotte. Questo studio dimostra che l esperienza delle nostre azioni ha una forte influenza sulla rappresentazione visuomotoria e propriocettiva del nostro corpo (Calvo-Merino, Grezes, Glaser, Passingham, e Haggard, 2006; Gazzola et al., 2007). Di conseguenza ci si aspetterebbe che lo spazio peripersonale verrebbe rimappato più facilmente per le parti del corpo con cui abbiamo un esperienza più profonda (Van Elk et al., 2013). 18