STRATEGIA RIABILITATIVA CON MECCANISMI DI FOTOSTIMOLAZIONE NELLA DMS

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1 STRATEGIA RIABILITATIVA CON MECCANISMI DI FOTOSTIMOLAZIONE NELLA DMS REHABILITATIVE STRATEGY THROUGH PHOTOSTIMULATION IN SMD Dr. Paolo Limoli Limoli P MD 1, Vingolo E PhD 2, D'Amato L MD 1, Solari R 1, Costanzo P 3, Ribecca A 3 1 Centro Studi Ipovisione, Milano - 2 Università La Sapienza, Roma - 3 Eye.com, Palermo RIASSUNTO: gli Autori, dopo aver esaminato in campo neurobiologico il razionale relativo agli effetti che stimolazioni reiterate hanno a livello nueronale, analizzano un campione di pazienti ipovedenti stabilizzati per degenerazione maculare correlata all'età, sottoposto ad un ciclo di otto sedute di fotostimolazione neurale con Visual Pathfinder. Analizzando l'ampiezza dei potenziali visivi evocati (PEV) il 100% dei pazienti ha registrato degli incrementi. Anche se raramente ci sono stati degli incrementi dell'acuità visiva l'analisi delle mappe visive virtuali ottenuta con Virtual IPO di tali pazienti ha dimostrato un miglioramento dei parametri riabilitativi che dovrebbe essere ulteriormente studiato. PAROLE CHIAVE: fotostimolazione neurale, degenerazione maculare, ipovisione, riabilitazione visiva. 6 ABSTRACT: the Authors, after a neurobiological study of the effects of reiterated stimuli on neural cells, have analysed a sample of low vision patients affected by stable age-related macular degeneration. These patients underwent eight sessions of visual training with Visual Pathfinder. 100% of these patients had an increase in the amplitude of the VEP. Although their visual acuity did not improve so much, the analyses of their virtual visual maps, obtained with Virtual IPO, showed an increase in their rehabilitative parameters that should be further investigated. KEYWORDS: visual training, age related macular degeneration, low vision, visual rehabilitation PREMESSE NEUROBIOLOGICHE Per fotostimolazione neurale si intende una metodica riabilitativa volta a potenziare in maniera obiettiva e soggettiva le performances visive di un paziente ipovedente, ambliope o che necessiti di un miglioramento delle proprie capacità visive (10, 14). La fotostimolazione neurale rappresenta la coniugazione di almeno cinque componenti neurobiologiche: 1. Apprendimento (A) 2. Biofeedback (BFB) 3. Detezione foveale (DF) 4. Plasticità neurosinaptica (PNS) 5. Long term potentation (LTP) Apprendimento (A) L apprendimento origina da una serie di tentativi per prova ed errori, che portano ad un aumento delle azioni finalizzate ed una riduzione esponenziale delle attività inutili allo scopo che si vuole raggiungere (19, 22). Biofeedback (BFD) Metodiche di biofeedback sono state utilizzate in passato per: correzione della miopia; incremento delle performances visive; trattamento dell ambliopia; riabilitazione visiva; nell allenamento sportivo. Ad esempio nella miopia, la fotostimolazione mediante meccanismi di biofeedback determina un miglioramento delle performances visive del soggetto, indipendente da modificazioni della lunghezza del bulbo e dunque da variazioni refrattive.

2 È stato possibile allargare il campo di utilizzo di questa tecnica, indirizzandola anche al controllo e al trattamento dei deficit della visione binoculare, come il trattamento dell ambliopia. Un ciclo di dieci sedute di fotostimolazione neurale determina un aumento della capacità percettiva e delle saccadi di controllo, soprattutto in presenza di alterazioni dei movimenti oculari di controllo o di fissazione instabile. Questo si è dimostrato utile nella riabilitazione visiva di pazienti ipovedenti in cui migliorano velocità e coefficiente di lettura (14, 25). ARTICOLI SCIENTIFICI Detezione foveale (DF) Il miglioramento della capacità visiva è stato associato ad un aumento della detezione foveale, ossia il periodo di tempo in cui l immagine del target impressiona la fovea. Ciò avviene quale conseguenza dell'aumento delle saccadi di controllo favorito dal "visual training" (25). Plasticità neurosinaptica (PNS) La luce, correttamente veicolata da aree retiniche funzionali attraverso l'impiego di sistemi ottici/elettronici o metodiche di visual training, può indurre la formazione centripeta di neurosinapsi. L'aumento dei collegamenti neuroelettrici con i centri visivi può favorire il miglioramento delle performances del sistema neurovisivo (6, 11, 12, 13). In passato si pensava che il sistema visivo fosse in fase plastica solo nei primi anni di vita. In base a questa visione perciò sarebbe inutile applicare i sistemi di visual training agli adulti, ma gli studi condotti, sia in campo psicologico che oftalmologico, hanno portato ad una reinterpretazione di questa teoria: nel sistema visivo dell uomo adulto si possono avere notevoli fenomeni di plasticità. Usando particolari occhiali che invertono le immagini retiniche, lo stato di sorpresa e confusione causato dall inversione alto basso migliora rapidamente in pochi giorni, con risultati sorprendenti specialmente nell attività visivo-motoria. Dopo alcuni giorni di esperienza visiva con prismi che inclinavano il mondo esterno, l ampiezza dei potenziali evocati si modificava seguendo l orientamento percepito dal soggetto e non quello retinico. In opportune situazioni sperimentali, certe proprietà del sistema visivo dell uomo possono essere modificate e ciò è già osservabile come attività elettrica dei neuroni della corteccia visiva striata (5, 8, 18, 23, 24). Long term potentation (LTP) Stimolando con patterns luminosi i fotorecettori retinici l informazione arriva al circuito di neuroni come segnale elettrico. Si osserva un particolare fenomeno che in neurofisiologia viene chiamato potenziamento a lungo termine (in inglese long term potentation): l efficienza della risposta della sinapsi allo stimolo è potenziata se uno stimolo si ripete nel tempo o se è particolarmente intenso. Quindi la risposta neuronale allo stimolo, misurata come ampiezza del potenziale d azione indotto, è rafforzata dall esperienza: la sinapsi, già precedentemente attivata, è pronta a trasmettere il segnale rapidamente e con più forza. Inoltre, come riscontrato in diversi studi sul topo, sembra che questo cambiamento nella potenza sinaptica duri nel tempo (4, 15, 16, 17, 21). La maggior stimolazione migliora la performance del sistema neurovisivo (1, 2, 3, 7, 14). 7 MATERIALI E METODI Questo lavoro è diretto allo studio di pazienti ipovedenti con degenerazione maculare correlata all'età stabilizzata. Il nostro scopo è stato di valutare i risultati ottenuti su tali pazienti dopo essere stati sottoposti a rieducazione visiva attraverso fotostimolazione neurale. Tale studio è stato condotto con Visual Training System (VTS) utilizzando il Visual Pathfinder che ci permette di registrare le proiezioni corticali della stimolazione (PEV). Le variazioni riabilitative sono state studiate con Virtual IPO. Abbiamo seguito 17 pazienti per un totale di 30 occhi affetti da degenerazione maculare correlata all'età in fase terminale quando cioè non erano più ottenibili effetti positivi mediante terapia medica o parachirurgica.

3 Il protocollo oculistico utilizzato comprende la valutazione dei seguenti aspetti: 1. BCVA (EDTRS charts) 2. BCVA per vicino (ottotipo) 3. Biomicroscopia del segmento anteriore 4. Biomicroscopia del segmento posteriore con lente iperpositiva (+78D-Super Field VOLK) 5. Perimetria automatizzata (Octopus) 6. Fluorangiografia digitale 7. Mappa visiva virtuale (Virtual IPO ) PROTOCOLLO VISUAL PATHFINDER 1. Ogni paziente ha effettuato almeno otto sedute con cadenza bisettimanale. 2. Ad ogni paziente sono stati applicati gli elettrodi come per il rilevamento di un PEV, ed è stato posto a sedere davanti al monitor dello strumento alla distanza di 35 cm circa. A questa distanza il monitor sottende i 40 del campo visivo centrale. 3. Individuazione della frequenza spaziale di stimolazione iniziale è stata adattata per ciascun paziente in funzione del visus, rilevato prima del trattamento in base alla scala decimale di Monoyer. 4. Correzione ottica completa. 5. Occlusione dell occhio con il visus più basso, il paziente si trovava a fissare con l occhio migliore il centro dello stimolo strutturato (pattern). 6. Elaborazione del segnale bioelettrico in feedback sonoro in tempo reale. RISULTATI Al termine di ogni trattamento, i valori ottenuti per ogni paziente sono stati valutati in base ad un equazione, in cui l Ampiezza Finale della seduta (T1), è stata divisa per l Ampiezza Iniziale (T0), ossia per quella del primo trattamento e il valore così ottenuto è stato poi moltiplicato per 100 avendo così valori assoluti. (Fig.1) 8 Figura 1 Tutti i pazienti (100% dei casi) sono migliorati: il miglioramento si può quantificare sia in maniera soggettiva, inteso come miglioramento delle performances, sia in maniera oggettiva, inteso come incremento dell'ampiezza dei PEV. Anche da un punto di vista riabilitativo si osserva in genere un miglioramento dei parametri di riferimento intesi come campo di lettura, ingrandimento, decentramento, sensibilità residua, ampiezza scotoma.

4 DISCUSSIONE Dai risultati si evidenzia che la fotostimolazione neurale è senz'altro utile nei pazienti ipovedenti affetti da degenerazione maculare correlata all'età. Cerchiamo di capire come questo avviene. L elemento fondamentale su cui agisce è la retina: il visual training determina un aumento del tempo di detenzione foveale e la capacità di utilizzare vie alternative per la costruzione dell immagine nel cervello. E importante dunque che nel maculopatico esista un tessuto maculare residuo fotosensibile, per provocare la partenza del segnale fotoelettrico e dunque è corretto indagare la struttura e la funzione retinica attraverso esami appropriati (ERG, OCT, Microperimetria). L informazione neuroelettrica può by-passare le cellule non funzionanti della retina e dirigersi fino alla corteccia in maniera indiretta. I circuiti neurali esistenti possono rimodellarsi, in particolari condizioni, permettendo connessioni e dunque funzioni più sofisticate. Le stimolazioni visive, di cui la fotostimolazione neurale rappresenta l'aspetto più avanzato, guidano tale esperienza. Gli stimoli reiterati insegnano alle sinapsi esistenti a riconoscere tali stimoli, determinano la formazione di nuove sinapsi e di nuovi assoni elementi di specifici modelli neurali o reti neurovisive utilizzabili di volta in volta secondo lo stimolo di partenza. Le strutture nervose sviluppano così nuovi collegamenti mentre vengono utilizzate. In tal modo, si può avere un amplificazione della percezione di un immagine se confrontata con quella concessa dalla condizione retinica preesistente. Il paziente non vede come prima che si ammalasse, ma percepisce un miglioramento funzionale rispetto alle capacità discriminative possibili per quella determinata compromissione retinica. A nostro avviso, il paziente ha la possibilità di aggiornare il proprio modo di vedere rispetto alle variazioni che sono proprie della malattia. Il Visual Training non deve essere inteso come una medicina atta a curare definitivamente la malattia, ma come una metodica riabilitativa che, associata al training tecnico-funzionale, permette al paziente di sfruttare, ottimizzandolo, il proprio potenziale visivo residuo. Il conseguimento di una nuova situazione visiva non è perenne, poiché l organismo tende sempre a ritornare alla condizione di partenza dopo qualche tempo. La nuova situazione visiva va quindi sostenuta nel tempo, dato che i risultati ottenuti possono andare persi. La regressione dei risultati può apparire come uno svantaggio. Tuttavia se il paziente prende coscienza della situazione clinica, delle implicazioni visive della malattia e della necessità di ripetere il ciclo di trattamenti nel tempo, può valutare lui stesso le modificazioni della percezione e decidere autonomamente la ripetizione del ciclo di fotostimolazione neurale. Il Visual Training diventerà per lui un modo per gestire la propria malattia senza perdere la speranza. Attraverso le sedute e i controlli successivi, la compliance fra paziente e medico si rafforza. Il paziente prova la sensazione di non sentirsi abbandonato, mentre il medico può seguire l evoluzione della malattia sia con i trattamenti che richiedono un conti- 9

5 nuo controllo del visus, che con l osservazione della capacità di muoversi o leggere. Il miglioramento funzionale indotto dalla fotostimolazione neurale può favorire un risparmio sociale attraverso una minor dipendenza dai sistemi ingrandenti più costosi e un miglioramento della qualità della vita, fattore che può essere considerato fra le aspettative maggiori che devono porsi sia il paziente che il riabilitatore. CONCLUSIONI Il nostro studio ha dimostrato l utilità della fotostimolazione neurale attraverso Visual Pathfinder che, a nostro avviso, appare insostituibile se affiancato al training tecnicofunzionale, nella riabilitazione del paziente ipovedente e nel trovare motivazioni ulteriori per l utilizzo di ausili ottici ed elettronici. 10 BIBLIOGRAFIA 1) Chen WR, Williamson A, Shepherd GM, Spencer DD, Kato K, Lee S. Long-term modifications of synaptic efficacy in the human inferior and middle temporal cortex. Proc Natl Acad Sci USA 1996;93(15): ) Martinez IL Jr, Derrick BE. Long term potentiation and learning. Ann Rev Psychol 1996;47: ) Castrén E., Pitkänen M., Sirviö J., Parsadanian A., Lindholm D., Thoenen, H. & Riekkinen P.J. The induction of LTP increases BDNF and NGF mrna but decreases NT-3 mrna in the dentate gyrus. Neuroreport 1993;4: ) Emptage NJ, Reid CA, Fine A, Bliss TV. Optical quantal analysis reveals a presynaptic component of LTP at hippocampal Schaffer-associational synapses. Neuron 2003 Jun 5;38(5): ) Fox K., Schlaggar B.L., Glazewski S. & O'Leary D.D. Glutamate receptor blockade at cortical synapses disrupts development of thalamocortical and columnar organization in somatosensory cortex PNAS 1996;93: ) Hebb D. The Organization of Behaviour ) Holscher C, Anwyl R, Rowan MJ. Stimulation on the positive phase of hippocampal theta rhythm induces long-term potentiation that can be depotentiated by stimulation on the negative phase in area CA1 in vivo. J Neurosci 1997 Aug 15;17(16): ) Kang H. & Schuman E.M. Long-lasting neurotrophin-induced enhancement of synaptic transmission in the adult hippocampus Science 1995;267: ) Kristine Krug K., Thompson DI. Retinal activity is necessary for the rearrangement of the geniculo-cortical map in the Syrian hamster. J Physiol 1997, 501.P, 96P. 10) Limoli P, D'Amato L, Marino L, Giulotto A, Franzetti M, Carella A, Raspino S. Risultati preliminari sull'influenza della stimolazione maculare mediante Amblimat su occhi ipovedenti già sottoposti a riabilitazione visiva. Ann Ottamol Clin Ocul 1993;Vol. CXIX, 4: ) Limoli PG, D' Amato L, Giulotto A, Giuberti R. Influenza delle vitamine, minerali e aminoacidi sul sistema neurovisivo. Atti 3 Congresso Nazionale "G.I.S.I.", Roma, 8/12/95 Minerva Oftalmologica. 12) Limoli PG, D'Amato L, Giulotto A. Plasticità neurosinaptica e biostimolazione ottica. Atti 3 Congresso Nazionale "G.I.S.I.", Roma, 8/12/95 Minerva Oftalmologica,1996: ) Limoli PG, D'Amato L, Giuberti R. Neurosinaptic plasticity: theory, practice and promises. The international conference on low vision. Proceedings Vision 1996 Madrid, July 8-12, ) Limoli P, D' Amato L, Gilardi E, Solari R. Potenziamento a lungo termine e plasticità neurosinaptica. Studio degli effetti della fotostimolazione neurale sul sistema neurovisivo. Il Subvedente, N.2, 9/1999: ) Lomo T. Trophic factors and postsynaptic activity in synapse formation. Nature 1983 Oct 13-19;305(5935): ) Messina A. & Bell C. Are genetically hypertensive rats deficient in nerve growth factor? Neuroreport 1991;2: ) Raffo L, Bisio GM, Caviglia D, Indiveri G, Sabatini SP. A Neural Architectural Model of Simple and Complex Cortical Cells. Proceedings of the 14th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society on "lnnovations in Biomedical Engineering in the Year of the European Unifìed Market", Part 4 of 7: , Parigi, 29/10-1/ ) Schlaggar B.L., Fox K. & O'Leary D.D.M. Postsynaptic control of plasticity in developing somatosensory cortex Nature 1993;364: ) Skinner BF. Behavior of Organisms (1938). 20) Thompson I. & Holt C. Effects of intraocular tetrodotoxin on the development of the retinocollicular pathway in the Syrian hamster J Comp Neurol 1989;282: ) Trevelyan A.J. & Thompson I.D. Altered Topography in the Geniculo-cortical Projection of the Golden Hamster Following Neonatal Monocular Enucleation. Eur J Neurosci 1992;4: ) Thorndike, E. The Fundamentals of Learning. New York: Teachers College Press. (1932). 23) Vidal-Sanz M et Coll. Axonal regeneration and synapse formation in the superior colliculus by retinal ganglion cells in the adult rat J Neurosci 1987;7: ) Villegas-Peres M et Coll. Influences of peripheral nerve grafts on the survival and regrowth of axotomized retinal ganglion cells in adult rat J Neurosci 1988;8: ) Vingolo E, Limoli P, Ribecca A, Costanzo P. Visual Training in retinitis pigmentosa patients: neural plasticity and function recovery Arvo Articolo presentato al IV Congresso della Low Vision Academy Padova 31/1/2003-1/2/2003