Riserva cognitiva e riabilitazione

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1 Riserva cognitiva e riabilitazione Prof.ssa Sara Mondini Dipartimento di Psicologia Generale, Università di Padova 17 novembre, Lamezia Terme

2 Concetto di plasticità cerebrale Plasticità e apprendimento La riserva cognitiva La riserva cognitiva e metabolismo cerebrale La riserva cognitiva e la riabilitazione demenza Patologie non neurodegenerative

3 La plasticità cerebrale è una proprietà intrinseca del cervello umano e rappresenta il motore dell evoluzione consente al sistema nervoso di superare le restrizioni imposte dal proprio genoma e quindi di adattarsi alle pressioni ambientali, ai cambiamenti fisiologici, e all esperienza

4 La prospettiva evoluzionista Le aree 44 e 22 (Boca e Wernicke) sono le aree filogeneticamente più recenti.

5 PLASTICITA CEREBRALE Si supera il DOGMA di un organizzazione cerebrale funzionale STATICA (concetto di periodo critico). La plasticità cerebrale è un processo CONTINUO che permette un rimodellamento a breve-medio-lungo termine delle mappe neuro-sinaptiche

6 La plasticità cerebrale: i circuiti nervosi I circuiti nervosi cambiano struttura e funzione in risposta agli stimoli sia durante lo sviluppo sia nel corso della vita adulta Periodo dello sviluppo la plasticità è molto alta: selezione di alcuni circuiti neuronali con l eliminazione di altri Vita adulta molti circuiti rimangono sostanzialmente stabili, ma le popolazioni di neuroni continuano a mantenere una loro dinamicità, riorganizzandosi in risposta a esigenze motorie, sensoriali, cognitive o affettive

7 Meccanismi di base della plasticità cerebrale Per quanto l uomo sia provvisto sin dalla nascita di un Sn quasi completo, con solchi e circonvoluzioni, le connessioni sinaptiche e la mielinizzazione devono essere completati soprattutto nelle aree associative corteccia associativa prefrontale(superficie dorso laterale dei lobi frontali) corteccia orbito frontale (sulla superficie ventrale e mediale degli emisferi cerebrali).

8 Meccanismi di base della plasticità cerebrale La plasticità del SNC è attribuibile ad almeno 3 tipi di meccanismi 1. MODIFICABILITÀ DELLA TRASMISSIONE SINAPTICA Funzionale: quantità del trasmettitore Liberato varia in più o in meno Morfologica: si modifica la struttura dell elemento presinaptico e/o postsinaptico sinapsi trasmissione dell informazione

9 Meccanismi di base della plasticità cerebrale 2. SPROUTING Proliferazione di collaterali degli assoni con conseguente formazione di sinapsi. I neuroni perilesionali sopravvissuti all insulto iniziano ad emettere dei germogli. Il risultato è la crescita di fibre nervose che raggiungononuove terminazioni cellulari.

10 Meccanismi di base della plasticità cerebrale 3. NEUROGENESI: proliferazione post-natale di alcune popolazioni di neuroni cerebrali- cellule staminali. In particolare in due aree: il giro dentato dell ippocampo (DG) e la zona subventricolare anteriore (SVZ). Bulbo olfattivo Le cellule staminali sono cellule primitive non specializzate dotate della singolare capacità di trasformarsi in qualunque altro tipo di cellula del corpo.

11 CELLULE STAMINALI Qualsiasi cellula in grado di dare origine a tutte le popolazioni cellulari Una cellula staminale può essere PLURIPOTENTE: dare origine a più popolazioni cellulari specifiche di un tessuto (ad es. una cellula staminale del tessuto nervoso può dare origine a tutte le cellule nervose, ma non a quelle del midollo osseo.) TOTIPOTENTE: dare origine a tutte le popolazioni cellulari dell organismo (ad es. le cellule staminali embrionali) Le cellule staminali cerebrali sono PLURIPOTENTI

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13 Tutti questi meccanismi possono contribuire a cambiare il funzionamento dei circuiti neuronali, e a produrre modificazioni, anche macroscopiche nella organizzazione cerebrale

14 La plasticità neuronale I neuroni e i circuiti nervosi vanno incontro a cambiamenti durante tutto l arco di vita (plasticità post-ontogenetica) Apprendimento Lesioni cerebrali Deprivazione sensoriale Invecchiamento Malattie degenerative

15 Apprendimento e plasticità L apprendimento è una forma di plasticità nervosa: ogni apprendimento è determinato da modificazioni nelle connessioni sinaptiche (rimodellamento delle connessioni sinaptiche) Cambiamenti che coinvolgono i trasmettitori a livello sinaptico Cambiamenti che coinvolgono la modulazione da parte di un interneurone Formazione di nuove sinapsi Riarrangiamento delle connessioni sinaptiche

16 Ambiente arricchito Prof.ssa Sara Mondini, Lamezia Terme (Rosenzweig e coll., 1960, 2001) Situazione A, condizione standard (sx in alto): ratto in compagnia + acqua (standard) Situazione B, Ambiente impoverito (dx in alto): ratto da solo con solo acqua Situazione C, Ambiente arricchito (sotto): più ratti + giochi

17 Ambiente arricchito (Rosenzweig e coll., 1960) Prof.ssa Sara Mondini, Lamezia Terme I ratti nella C mostrarono elevata attività dell enzima acetilcolinesterasi (AChE) (indice di aumentata attività colinergica) Aumento del peso del cervello nel gruppo C rispetto a CI Aumento del numero di ramificazioni dei dendriti dei neuroni nella corteccia occipitale nel gruppo C (Greenough et al., 1972, Rosenzweig et al. 2001)

18 Immagine delle spine dendritiche di neuroni piramidali della corteccia somatosensoriale Ratto adulto dopo 3 settimane in una gabbia standard Ratto adulto dopo 3 settimane in un ambiente arricchito (Belichenko, Johansson, unpublished data, 1998).

19 Ambiente arricchito combinazione complessa di stimoli inanimati e sociali. Una combinazione di stimoli sociali, sensoriali e motori, vanno ad influire sulle variazioni sia biologiche che funzionali del SNC.

20 PLASTICITA COME EFFETTO DI APPRENDIMENTO Modificazioni delle rappresentazioni corticali sono evidenziabili come risposte a esposizione ambientale, come nel caso dell apprendimento. nell uomo studi che hanno utilizzato la tomografia ad emissione di positroni, la risonanza magnetica funzionale o la stimolazione magnetica transcranica hanno consentito di dimostrare anche nell uomo i mutamenti dinamici delle rappresentazioni cerebrali in seguito all apprendimento di specifici compiti MUSICISTI; suonatori di archi, (Elbert et al., 1995) TAXISTI LONDINESI (Maguire et al., 2000)

21 Studio su musicisti di strumenti a corda Elbert et al. (Science, 1995) Ipotesi: la ripetitività di stimoli afferenti, provenienti dalle dita, potessero indurre cambiamenti nel SNC di un cervello adulto. La magnetoencefalografia (MEG): mostra che nei musicisti l area di attivazione corticale della mano sinistra è più ampia che nei controlli. Nei musicisti l area corticale della mano sinistra è più ampia rispetto alla corrispondente della mano destra. L espansione non risulta correlata alle ore di esercizio ma all età di inizio della pratica musicale

22 Taxisti di Londra Regione posteriore dell ippocampo più sviluppata rispetto ai controlli Regione anteriore dell ippocampo più grande nei controlli Area cerebrale in cui si immagazzinano le informazioni spaziali dell ambiente circostante

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24 Il volume dell ippocampo correla con il numero di ore trascorse alla guida del taxi (positivamente con la parte posteriore dell ippocampo e negativamente con la parte anteriore)

25 Riserva cerebrale e riserva cognitiva

26 Reserve Prof.ssa Sara Mondini, Lamezia Terme Katzman et al., 1988 Ann Neurol Analisi post-mortem di 10 cervelli (fra 137) neuropatologia di AD (istological, neurotransmitter, morphometric data) Nessun segno clinico di demenza Questa incongruenza poteva essere attribuita al peso superiore alla media dei loro cervelli Brain reserve

27 The nun study Prof.ssa Sara Mondini, Lamezia Terme (from 1991) Studio longitudinale su 678 suore ( y.o.) Fonti dei dati raccolti: Archivi per indagare sui fattori di rischio per la demenza presenti in età giovane e adulta Esami annuali per valutare I cambiamenti fisici Valutazioni post-mortem dei cervelli (Snowden 2003, Aging with grace)

28 Dall analisi dei loro scritti, chi aveva: una maggiore scolarizzazione maggiori abilità linguistiche emozioni positive aveva una minore probabilità di sviluppare deficit cognitivi Journal of Personality and Social Psychology, 2001, 80 (5)

29 MISURAZIONE Misure di BR Volume cerebrale Circonferenza cranica Synaptic count Dendritic branching Misure di CR Esperienze di vita, abilità cognitive nuove, sono tutti indici di riserva cognitiva Questi indici sono modificabili e influenzati dalle esperienze della vita secondo i meccanismi della plasticità cerebrale

30 Miglioramento della memoria e modificazioni sinaptiche nella neocorteccia e nell ippocampo

31 Vol 15 No II 6 August 2004 Prof.ssa Sara Mondini, Lamezia Terme Topi transgenici Ambiente arricchito Neurobiology of Disease The Journal of Neuroscience, May 25, 2005 Prestazioni migliori nei topi inseriti in un ambiente arricchito rispetto a quelli collocati in una semplice gabbia

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33 La riserva cognitiva è ciò che viene acquisito, appreso durante tutta la vita sulla base di tutte le esperienze vissute

34 Proxy usati per stima della riserva cognitiva negli studi

35 CRI... CRI-Scuola. CRI-Lavoro CRI-TempoLibero.

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37 Item Response Theory

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39 Results from the Italian sample (588 participants) Giovani (18-44) Adulti (45-69) Anziani (70-102)

40 Dal campione Italiano (588 partecipanti) Prof.ssa Sara Mondini, Lamezia Terme (Pearson s correlation and Fisher test).78 CRITotale CRI-Scuola CRI-Lavoro CRI-TempoLibero

41 Nucci, Mapelli e Mondini (2012) Prof.ssa Sara Mondini, Lamezia Terme p=.02 p<.01 p=.03 p=.03 p< p=.01 p<.01 p<.01 p=.03 p<.01 p=.01 p= Gender and Age significantly affected the CRI

42 Cognitive Reserve Index questionnaire (CRIq) CRIq è uno strumento breve e facile per il calcolo della CR CRIq può essere somministrato a familiari, in casi di demenza avanzata o quando il paziente non è attendibile per qualsivoglia motivo È uno strumento indispensabile quando bisogna fare delle diagnosi neuropsicologiche Affidabilità con il familiare

43 CRI e metabolismo cerebrale

44 Stern, Y., 2012 Stern et al. (1992).Greater depletion of blood flow parieto-temporal areas

45 GG Prof.ssa Sara Mondini, Lamezia Terme 80 y.o.; 10 years of education teacher MMSE 27/30 Memory deficit, naming famous faces (mild cognitive impairment) CRI: 113 High cognitive reserve (Mondini et al., 2011) AS 83 y.o.; 8 years of education shop assistant MMSE 22/30 Several cognitive deficits (mild dementia) CRI: 72 Low cognitive reserve 18 F-FDG PET findings

46 CRI: 113 High. cognitive reserve Prof.ssa Sara Mondini, Lamezia Terme CRI: 72 Low cognitive reserve MILD COGNITIVE IMPAIRMENT SEVERE HYPOMETABOLISM SEVERE COGNTIVE IMPAIRMENT MILD HYPOMETABOLISM

47 Cognitive reserve e riabilitazione Patologie cerebrali neurodegenerative Lesioni cerebrali acquisite

48 Qual è l influenza Prof.ssa Sara Mondini, della Lamezia Terme CR sulla demenza? Point of inflection AD pathology Progression of AD Criteria for AD Stern, 2009

49 CLINICAL SEVERITY Stern, 2012 (Lancet Neurology.) Prof.ssa Sara Mondini, Lamezia Terme O Bryant et al., 2008 (college education) MMSE< 27/30 AD PATHOLOGY

50 HCR AD pathology LCR COGNITIVE TRAINING A parità di prestazione è possibile che la demenza sia più avanzata in un paziente con HCR L efficacia di un trattamento di riabilitazione neuropsicologica potrebbe essere diverso tra pazienti ad alta e a bassa CR

51 15 subjects (> 65 y.o.) with mild-moderate AD CRIq High Cognitive Reserve Group of patients (9) Low Cognitive Reserve Group of patients (6) Neuropsychol evaluation: T0 MODA battery 5 weeks of Cognitive training Neuropsychol evaluation: T1 (Tomasi et al., 2012) MODA battery

52 MODA Prof.ssa Sara Mondini, Lamezia Terme Patients with High CRI (9) : Patients with Low CRI (6): MODA T0 Battery MODA T1 Battery MODA T0 Battery MODA T1 Battery T , T0 75,7 T1 77,2 T0 74,4 74 Pre-training Post-training HCR LCR The difference between T0 and T1 was higher in the Low CR group (W=44, p-value=0.049)

53 30 subjects (> 63 y.o.) with mild-moderate AD, vascular d, mixed d CRIq High Cognitive Reserve Group of patients (7) Low Cognitive Reserve Group of patients (23) Neuropsychol evaluation: T0 MMSE,, Fluenza sem 80 giorni (2 volte a settimana Cognitive training) Neuropsychol evaluation: T1 (Mapelli et, al. submitted) MMSE, Fluenza sem

54 MMSE (t (22) = -4.73, p<.001) Prof.ssa Sara Mondini, Lamezia Terme T1 T0 20,3 T0 20,0 T1 20,1 Fl. Verbale sem (z= -2.03, p< 0.05) T0 8,2 T1 8,8 T0 9,4 T1 8,9

55 Pazienti con AD e bassa CR traggono maggior beneficio dal training di stimolazione cognitiva in quanto probabilmente si trovano ad uno stadio meno grave di patologia rispetto a pazienti con alta CR Da notare che in questi gruppi i pazienti AD con bassa CR sono stati diagnosticati prima (come età) rispetto ai pazienti con alta CR

56 Riserva cognitiva e riabilitazione in pazienti con lesioni acquisite, non degenerative

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58 22 traumi 39 ictus 61 pazienti con lesioni cerebrali: 22 traumi, 39 ictus Età: tra 18 e i 65 anni (Mapelli et al., submitted)

59 1-6 mesi di trattamento riabilitativo specifico per il deficit del paziente

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61 61 pazienti con cerebrolesione acquisita (22 traumi, 39 ictus) 35 CRI e miglioramento cognitivo 30 CRI alto = pazienti 22; CRI basso = ** CRI <=100 CRI >100 DELTA sulla percentuale di miglioramento pre e post

62 La riserva cognitiva è un fattore di resilienza: non previene la demenza ma ne può posticipare i segni clinici La riserva cognitiva può essere misurata: CRIq E importante per diagnosticare e interpretare meglio i sintomi clinici di patologie con danno cerebrale è importante per prevedere l efficacia di un intervento di riabilitazione e per poter pianificare un progetto riabilitativo adeguato al paziente

63 La riserva cognitiva è promossa dalle esperienze di vita e dall apprendimento e anche nell invecchiamento normale promuove l adattamento e la flessibilità e quindi la plasticità.