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

22 2.2 Meccanismi Top-Down e Bottom-up della rappresentazione corporea. Le informazioni top-down e bottom-up interagiscono tra di loro dando forma alla rappresentazione del proprio corpo. In letteratura sono state descritte diverse tassonomie per spiegare il modo in cui viene ripartita la consapevolezza corporea a livello cognitivo. E stata proposta una tassonomia diadica che distingue tra schema corporeo (una rappresentazione sensomotoria basata su informazioni afferenti ed efferenti) e immagine del corpo (una descrizione astratta del corpo basata principalmente su l esterocezione visiva) (Dijkerman & de Haan, 2007; Gallagher 2005; Paillard, 1999 Rossetti, Rode, e Boisson, 1995). Altri autori hanno proposto una tassonomia triadica (Schwoebel & Coslett 2005; Sirigu, Grafman, Bressler, e Sunderland, 1991) che suddivide il concetto di immagine del corpo in una mappa visuo-spaziale del corpo (la postura e la posizione del corpo in relazione all ambiente) e una rappresentazione semantica del corpo (la rappresentazione linguistica e concettuale del corpo), mentre il concetto di schema corporeo rimane invariato. Uno studio condotto da Palermo et al. (2014) ha indagato l influenza della perdita di informazioni top-down e bottom-up sulla mappa visuo-spaziale del corpo somministrando il sub test di rievocazione fronte-corpo (Daurat-Hmeljiak et al., 1978) sia ai pazienti con danno periferico (amputati di arto inferiore) che ai pazienti con danno centrale (danno cerebrale unilaterale). I risultati hanno riportato una prestazione peggiore degli amputati e dei cerebrolesi rispetto ai controlli. In particolare è emersa una maggior compromissione durante la localizzazione della gamba (destra e sinistra) rispetto alle altre parti del corpo. Quindi la rappresentazione del corpo può essere alterata in entrambi i gruppi. Ciò dimostra, secondo gli autori che tale rappresentazione non è innata e che non è strettamente legata alla percezione di altri corpi. Studi di neuroimaging hanno evidenziato che le relazioni visuo-spaziali del corpo sono regolate da un attivazione bilaterale delle aree del cervello, principalmente nelle regioni parietali e temporali. Per questo motivo Palermo et al. (2014) hanno ipotizzato una compromissione della rappresentazione sia in soggetti con danno dell emisfero destro che quelli con danno dell emisfero sinistro. Infatti anche l analisi effettuata sui casi singoli (gruppo con due pazienti con amputazione dell arto sinistro e gruppo con un paziente con danno cerebrale sinistro) hanno mostrato una prestazione peggiore nel compito FBE rispetto ai controlli. Complessivamente i risultati dello studio hanno mostrato che la prestazione di entrambi i gruppi di pazienti con danno destro era compromessa durante il compito con difficoltà nella codifica della localizzazione delle le parti del corpo. Quindi la perdita di informazioni dell arto amputato inferiore sia destro che sinistro incide significativamente sulla capacità di rappresentare la 19

23 posizione e le relazioni tra le parti del corpo così come avviene anche nei pazienti cerebrolesi destri e sinistri che non ricevono informazioni top-down. Tuttavia gli studi effettuati sullo schema corporeo mediante compiti di rotazione mentale (Parsons, 1987) in soggetti sani hanno mostrato un effetto di dominanza in cui il piede destro è riconosciuto più velocemente rispetto al piede sinistro. Anche i risultati ottenuti da Nico (2004) hanno rafforzato i dati di Parsons (1987); i pazienti con amputazione di arto superiore dominante eseguendo un compito di giudizi di lateralità si sono mostrati più lenti e meno accurati rispetto a quelli di arto non dominante. Su queste evidenze è possibile ipotizzare che la mappa visuo-spaziale in pazienti con danno destro è più compromessa rispetto ai pazienti con danno sinistro (Palermo et al., 2014). E stata inoltre evidenziata una compromissione del compito che si estendeva anche alle altre parti del corpo oltre che all arto colpito e sono state fatte due ipotesi (Palermo et al., 2014): a) si è verificato un effetto di ampliamento della rappresentazione di altre parti del corpo b) il deficit era dovuto alla forte necessità di confrontare la posizione di una parte del corpo in relazione alle altre. I risultati sui pazienti cerebrolesi si discostano da altri studi, poiché Palermo et al. (2014) hanno riscontrato un deficit della rappresentazione visuo-spaziale in pazienti con danno unilaterale destro ma anche nel caso singolo con danno cerebrale sinistro, mentre studi precedenti hanno riscontrato questo disturbo solo in pazienti con lesioni dell emisfero sinistro (Schwoebel & Coslett, 2005). Gli autori in base a questi dati suggeriscono che la mappa visuo-spaziale è elaborata da entrambi gli emisferi e la diversa attivazione dipende dal tipo di strategia (verbale o non) utilizzata dai soggetti durante l esecuzione del compito. In base ai dati ottenuti dalla letteratura si è a conoscenza della specializzazione dell emisfero destro per l analisi di parti globali e dell emisfero sinistro per la codifica di caratteristiche locali (Sergent, 1982). Di conseguenza Palermo et al. (2014) hanno suggerito un implicazione dell emisfero destro nella codifica topologica dell intero corpo e le relazioni spaziali di tutte le parti del corpo, mentre l emisfero sinistro è deputato all elaborazione delle caratteristiche topologiche di singole parti del corpo. Nello studio inoltre è stata riscontrata una correlazione tra FBE e il punteggio al test per la valutazione del neglect visuospaziale. La performance era caratterizzata dall utilizzo di una prospettiva egocentrica sottolineando che la costruzione della mappa visuo-spaziale non origina dall esperienza visiva di corpi di altri soggetti ma dipende dalle esperienze che sperimentiamo direttamente con il nostro corpo. Lo studio ha messo in evidenza l importanza di una mappa visuo-spaziale per la consapevolezza del nostro 20

24 corpo e ha inoltre sottolineato il contributo di entrambi gli emisferi affinché la nostra mappa topologica sia efficiente (Palermo et al., 2014). 2.3 Simulazione mentale di azioni motorie in pazienti amputati. La letteratura riporta molte dimostrazioni della somiglianza tra attività cerebrale che simula un movimento mentalmente e attività cerebrale che compie realmente un azione. Questa analogia si riscontra ad esempio in soggetti con compromissione delle abilità motorie. Infatti la disabilità motoria si riflette anche nell immaginazione motoria del movimento, ad esempio in pazienti con emiparesi, in seguito a lesione unilaterale della corteccia motoria, si riscontra una lentezza anche durante la simulazione mentale del movimento che coinvolge l arto emiplegico (Sirigu et al., 1995). La somiglianza è dimostrata anche in compiti che richiamano implicitamente l esecuzione mentale di un movimento, come nel caso della valutazione della lateralità di una mano. Parsons (1987) ha somministrato un compito di giudizio di lateralità di una mano o di un piede ad un gruppo di soggetti. I partecipanti compivano una trasformazione mentale prima di dare una risposta legata al movimento reale che doveva essere compiuto dalla mano. Di conseguenza è emerso che i tempi di risposta aumentavano in relazione all angolo di rotazione dello stimolo presentato (Pearson, 1987) sottolineando l analogia tra queste due attività cerebrali di immaginazione e azione. Nico et al. (2004) hanno condotto uno studio su pazienti con amputazione dell arto superiore per verificare se e in che modo, la mancanza di una parte fisica del proprio corpo potesse influenzare un compito di immaginazione mentale di un azione rispetto all arto amputato e se l utilizzo di una protesi potesse migliorare o peggiorare l esecuzione del compito. Sono state fatte diverse ipotesi circa l esecuzione del compito immaginativo. La prima sostiene che se precedentemente era presente la rappresentazione completa del corpo, l azione mentale dell arto mancante doveva essere implicita e in alterata, permettendo ugualmente la simulazione. La seconda, come dimostrato in letteratura da Dominey et al (1995) e Sirigu et al (1996) su soggetti parkinsoniani ed emiplegici, la simulazione del movimento dipende dallo stato attuale del corpo. Di conseguenza una deafferentazione periferica dovrebbe comportare una compromissione della simulazione mentale rispetto all arto amputato. Il compito proposto da Nico et al. (2004) richiedeva ai soggetti di dare, velocemente e in modo accurato, un giudizio verbale sulla lateralità di una mano presentata sullo schermo di un computer. Il set di stimoli era costituito da figure di mani destra e sinistra, visti da 4 diversi punti di vista (due posizioni frontali: dorso e palmo, e due laterali: lato del pollice e lato del mignolo laterali. Inoltre gli stimoli avevano orientamenti diversi: sei orientamenti corrispondevano a posture facilmente raggiungibili (mano destra, da 30 a 240 in senso 21

25 antiorario, mano sinistra, da 330 a 120 in senso orario). Le altre restanti sei posizioni invece, richiedevano movimenti innaturali e difficili da raggiungere (mano destra: da 60 a 210 in senso orario; a sinistra: da 300 a 150 in senso antiorario). I risultati riportano che i pazienti con amputazione dell arto superiore nonostante trovassero maggior difficoltà nel compito rispetto ai soggetti sani (dati i maggior tempi di risposta), riescono a dare giudizi di manualità. Questo dimostra che l attivazione del sistema motorio avviene anche senza la controparte fisica, infatti, i pazienti che avevano perso la sensazione di arto fantasma già da tempo, hanno riportato che durante l esecuzione del compito questa sensazione è riemersa. Questo è in linea con l ipotesi di Ramachandran (1996) che afferma che un falso feed-back visivo può indurre l illusione di movimento dell arto fantasma. L aumento dei tempi di reazione può essere spiegato dalla diversa strategia utilizzata dai pazienti dato che le informazioni dalla periferia non sono più disponibili (Nico et al., 2004). Per l esecuzione del compito evidentemente hanno utilizzato una strategia visuo-spaziale e non cinestetica-motoria scegliendo di elaborare la rotazione della mano trattandola come se fosse un oggetto. Gli orientamenti più facili invece è possibile che siano stati trattati con una strategia di corrispondenza visiva e i tempi di risposta più lunghi derivano probabilmente dalle modificazioni sulla rappresentazione mentale del corpo avvenuta nei pazienti amputati. Infatti, la perdita di un arto può aumentare la difficoltà di riconoscere la mano mancante perché la familiarità visiva dell'arto corrispondente non è più disponibile (Nico et al., 2004). Nel loro insieme questi risultati dimostrano un attivazione inalterata del sistema motorio. Un altro dato significativo si riscontra in pazienti amputati di arto dominante il cui compito è risultato più difficile rispetto al gruppo di amputati di arto sinistro. Ciò può dipendere da una fase preliminare in cui i soggetti selezionano in modo automatico la rappresentazione della loro mano dominante e non avendo un riscontro della controparte fisica, attivano o una strategia di immagini visive o traslano l azione motoria dell arto presente. Questo porterebbe a tempi di risposta più lunghi e ad errori di giudizio di lateralità. Infine è stato riportato un effetto negativo per i soggetti provvisti di protesi meno che per due soggetti dotati di protesi mioelettrica che permetteva il movimento del polso e un pollice opponibile. I risultati fanno ipotizzare che soggetti con protesi estetica avevano solo un feedback visivo che evidenziava l inefficacia delle innervazioni motorie per l arto con conseguente decadimento nelle prove di simulazione motoria. Mentre i pazienti con protesi che permettono un movimento artificiale della mano, probabilmente integravano le informazioni nello schema corporeo riaggiornando il sistema motorio è migliorando le prestazioni di simulazione mentale. 22

26 Curtze et al. (2010) hanno condotto uno studio simile su pazienti amputati di arto inferiore e su un soggetto con giroplastica di una gamba. L autore ha voluto valutare gli effetti di un arto amputato e di un arto trattato con giroplastica per verificare se sussistono differenti effetti di rappresentazione del corpo a livello della corteccia di questi pazienti. E stato utilizzato un set di stimoli con immagini riprese dai disegni originali di Parsons (1987), di piedi naturali o protesici destri e sinistri organizzati in diversi orientamenti. Questi ultimi erano rappresentati in sei orientamenti sia da una prospettiva ventrale che dorsale, per un totale di 72 diversi stimoli. Il compito del soggetto era quello di valutare la lateralità dello stimolo premendo un apposito pulsante con i due indici in modo rapido ma accurato ed evitando la vista dei piedi i quali dovevano essere posti sotto un tavolo in modo da non avere un confronto visivo diretto. Inoltre era stato chiesto ai soggetti di non muovere i piedi. I risultati mostrano che entrambi i tipi di pazienti erano in grado di svolgere il compito ruotando anche l arto colpito e non è stata riportata nessuna differenza significativa per l accuratezza e i tempi di reazione. Un risultato interessante riguarda la mancanza di differenza nell esecuzione del compito tra pazienti con amputazione dell arto dominante e non dominante. Questo dato è in contrasto con i risultati riportati da Nico (2004) sulla differenza riscontrata tra soggetti con amputazione di arto dominante e quelli di arto non dominante. Il paziente con giroplastica ha mantenuto la capacità di rotazione mentale nonostante fosse trascorsi 21 annidopo l operazione. Dal momento che questo soggetto non aveva subito un amputazione ma una rotazione di 180 dell arto, poteva ricevere input sensoriali dalla periferia. Questo ha fatto ipotizzare che durante il compito il soggetto avrebbe avuto un comportamento diverso per quanto riguarda la risposta all orientamento rispetto ai pazienti amputati. La mancanza di differenze nei risultati delle due comparazioni, è per alcuni spiegata dalla presenza di una rappresentazione innata del corpo prototipico cervello (Berlucci e Aglioti, 1997). La prova di questa rappresentazione innata viene da bambini con agenesia degli arti che riportando sensazioni di arto fantasma confermano questa ipotesi (Melzack et al. 1997). Come suggerito da Corradi-Dell Acqua et al. (2008) esistono due rappresentazioni corporee nell essere umano: la prima elabora le informazioni del corpo in relazione allo spazio ed è denominata schema corporeo; la seconda descrive la struttura del corpo comparandolo ad un corpo prototipico. La comprensione della lateralità nasce presto nella vita degli individui ed è la prova che i soggetti sani utilizzano la rappresentazione del proprio corpo per rispondere in modo corretto. Al contrario, i pazienti dello studio di Curtze (2010) mostrando di trattare l immagine del piede come un oggetto, utilizzando una rappresentazione astratta del corpo, una trasformazione mentale visiva per far fronte al compito. 23

27 Questi studi suggeriscono che l amputazione di un arto comporta cambiamenti nella rappresentazione dello schema corporeo che costringe i pazienti ad utilizzare una diversa strategia per l esecuzione di compiti di immagine mentale. 2.4 Cambiamenti strutturali in seguito a cambiamenti periferici. L amputazione di un arto comporta modificazioni a carico del sistema nervoso centrale e spesso la comparsa di sensazioni a carico dell arto mancante (arto fantasma). Quest ultime si manifestano differentemente negli individui ed è definito come dolore da arto fantasma. Si presenta con sensazioni di bruciore, crampi (Giummarra et al. 2007), che devono essere differenziati dalle sensazioni dolorose inerenti al moncone. Infatti i soggetti esperiscono la presenza dell arto fantasma per periodi piuttosto lunghi dopo l amputazione. Alcuni studi hanno dimostrato che il dolore cronico da arto fantasma coincide con sostanziali cambiamenti strutturali in corteccia (May 2011). Diversi autori nelle analisi strutturali delle aree cerebrali riportano casi di diverse modificazioni con riduzione o aumento della materia grigia in diversi pazienti con amputazione degli arti. Alcuni autori hanno individuato riduzioni dello spessore cerebrale in diverse regioni quali: corteccia insulare, corteccia cingolata e corteccia frontale (Treede et al. 1999). E stato riportato un singolo caso in cui la perdita di arti superiori in un lasso di tempo di 21 settimane, ha portato ad una graduale riduzione di materia grigia nelle aree quali: corteccia somatosensoriale primaria (S1), corteccia motoria primaria (M1), corteccia parietale superiore e area motoria supplementare, (Gaser et al. 2004). La riorganizzazione della S1 sembrerebbe svolgere un ruolo principale nel mantenimento dell arto fantasma (Flor et al 1995, 2006;. Birbaumer et al 1997;. Preißler et al 2011). Draganski et al. (2006) hanno invece trovato che i soggetti con amputazione di arto superiore o inferiore, mostravano lo stesso tipo di riduzione dello spessore corticale a livello del talamo controlaterale al lato dell amputazione. Preißler et al. (2013) hanno effettuato uno studio più specifico comparando le strutture cerebrali di pazienti amputati con dolore di arto fantasma lieve (SPLP) e soggetti con dolore di arto fantasma medio-alto (HPLP) e infine è stato comparato il cervello di entrambi i gruppi con uno di controllo di soggetti sani. L arto amputato e la sensazione di dolore dell arto fantasma, sono entrambi associati ad una riorganizzazione strutturale del sistema nervoso centrale. L alterazione causata dall amputazione di un arto è supportato da modifiche corticali globali in cui si evidenzia un ridotto volume di materia grigia nei pazienti con amputazione dell arto superiore destro, rispetto al gruppo dei soggetti sani, nella corteccia motoria di sinistra (M1) che rappresenta l arto amputato. Inoltre i pazienti mostrano un aumento della materia grigia 24

28 nelle regioni della via visiva ventrale e dorsale. Dall analisi VBM (voxel based morphometry) i pazienti hanno mostrato una significativa riduzione totale della materia grigia. Ciò è probabilmente dovuto ad una mancanza di input sensoriali che ha portato ad una riorganizzazione strutturale nel cervello adulto (Pascual- Leone et al 1993, 2005;. Elbert et al 1994;. Flor et al 1995;. Weiss et al. 2004; Draganski et al 2006). Le alterazioni verificatesi nel giro precentrale hanno mostrato una riduzione strutturale a livello della corteccia motoria primaria di sinistra. Questa zona sembrerebbe coincidere con la regione motoria della mano rimossa (Preißler et al., 2013). Nonostante la moltitudine di aree strutturalmente modificate trovate in studi precedenti, la riduzione di materia grigia nella corteccia motoria di sinistra coincide con risultati ottenuti da altri autori. Dettmers et al. (1999) ad esempio, hanno avuto prove mediante la valutazione di bambini con amputazione dell arto nei primi anni di vita che hanno mostrato alterazioni a livello della M1. Questi risultati indicano che con il passare del tempo, la parte cerebrale che codificava l azione della parte amputata ha gradualmente perso la sua funzionalità portando ad una riduzione di materia grigia in quell area. Oltre ad una riduzione di materia grigia l analisi VBM ha mostrato alterazioni anatomiche della via visiva con aumento di diverse parti del lobo parietale superiore e del lobo temporale dei pazienti amputati, precisamente nel lobo temporale, nel lobo temporale centrale e nella corteccia fusiforme. Queste aree comprendono il circuito visuo-motorio che si attiva mediante due vie (Mishkin, Ungerleider e Macko, 1983; Rossetti et al 2003;. Cardoso-Leite e Gorea 2010): la prima è quella dorsale che comprende l area occipitale, temporale posteriore e le regioni parietali responsabili dell orientamento spaziale degli oggetti e nel reperire informazioni circa il movimento. La seconda via invece è coinvolta nella riconoscimento dell oggetto e comprende il lobo occipitale e temporale (Ellison e Cowey 2006, 2007, 2009; Cavina- Pratesi et al 2007;. Rice et al 2007;.. Cohen et al 2009). I risultati dell analisi VBM hanno rilevato un alterazione di entrambe le vie visive con aumento di queste zone corticali. L aumento di materia grigia è in corrispondenza delle regioni che ricevono input visivi (Cardoso- Leite e Gorea 2010). E probabile che avvenga una compensazione attraverso un utilizzo maggiore della vista. E stato osservato che i soggetti con protesi mioelettrica facevano un continuo ricorso al controllo visivo dell azione della mano artificiale. Questa necessità di costante utilizzo della vista potrebbe portare ad un fenomeno di plasticità cerebrale che spiegherebbe l aumento della materia grigia. La riorganizzazione strutturale causata da dolore dell arto fantasma, invece, implica un alterazione anatomica della via visiva. In pazienti con dolore di arto fantasma cronico medio-alto è stata riscontrata una riduzione di materia grigia nella via visiva ventrale, contrariamente a quanto emerso in pazienti con dolore lieve. 25

29 Preißler et al. (2013) hanno ipotizzato che questa differenza sia probabilmente dovuto ad una riduzione di movimento del moncone o della protesi a causa del forte dolore percepito. Questo si traduce in una mancata elaborazione visiva che non porta ad un riadattamento cognitivo come succede nei pazienti con SPLP. Quindi se lo spostamento dell attenzione dalla modalità somatosensoriale a quella visiva fallisce, i soggetti con HPLP non riuscendo a trovare un riscontro né dalla periferia, né a livello cognitivo avranno di conseguenza un aumento del dolore dell arto fantasma (Melzack 1990, 2005). Questa ipotesi è in linea con i dati riportati da Ramachandran et al (1996) e Ramachandran e Rogers-Ramachandran (2006) attraverso una tecnica riabilitativa che utilizzava una visual-box per ridurre il dolore dell arto fantasma attraverso il feed-back visivo. Questo sottolinea l importanza del processo visivo nella riorganizzazione corticale dopo aver subito la perdita di una parte del proprio corpo. Infine è stata rilevata anche un alterazione strutturale del circuito deputato all elaborazione del dolore. L analisi VBM ha mostrato una riduzione di materia grigia nella corteccia orbito-frontale. Quest area è coinvolta nell elaborazione delle informazioni nocicettive, dolorifiche e inoltre è importante per l elaborazione dei premi e delle punizioni. L attività di questa regione media il ''valore affettivo personale'' dei rinforzi (Kringelbach e Rolls 2004). Si presume che il valore affettivo negativo di uno stimolo doloroso o un'esperienza dolorosa cronica può essere codificato in questa regione (Preißler et al., 2013). Inoltre è stata trovata un altra area con modificazioni strutturali, la corteccia prefrontale dorsolaterale, maggiormente a destra. Anche questa zona è implicata nell elaborazione del dolore, in particolare nell elaborazione del dolore cronico. Sussistono differenze a livello di modificazione strutturale in quest area tra pazienti con dolore da arto fantasma cronico e pazienti con dolore lieve. La riduzione è avvenuta solo nei pazienti con dolore da arto fantasma cronico. Infine i risultati hanno mostrato la riduzione di un altra struttura, ossia, il collicolo inferiore centrale e posteriore dei pazienti con dolore dell arto fantasma medio-alto rispetto ai pazienti con dolore lieve. Attraverso la VAS rating è stato dimostrato che più il paziente percepiva il dolore, maggiore era la riduzione di materia grigia nel collicolo inferiore di destra. Differentemente dai pazienti con SPLP, quelli con HPLP vanno incontro ad una plasticità disadattiva attraverso l attivazione di aree che elaborano il dolore (Katz e Melzack 1990;. Apkarian et al 2009). La sensazione persistente di dolore porta nel tempo ad un processo degenerativo, con conseguente morte neuronale, riduzione di dendriti, riduzione delle dimensioni delle cellule, fino alla riduzione della regione corticale deputata alla codifica visiva (Draganski e May 2008; May 2008, 2009). Tuttavia, diversamente dai pazienti con SPLP, in questi pazienti si riscontra un aumento di materia grigia nella corteccia cingolata anteriore (ACC). È da 26

30 notare che quest area si attiva in risposta a stimoli emotivamente salienti, come ad esempio il dolore (Bentley et al. 2003), inibisce il movimento, le risposte e valuta il livello di dolore percepito. Studi di neuroimaging funzionale hanno dimostrato un attivazione dell ACC in risposta a stimoli nocicettivi (Peyron et al. 2000). Preißler et al. (2013) hanno suggerito due possibilità alla base di un maggior volume corticale nella corteccia cingolata anteriore. La prima ipotizza che l aumento di volume della ACC prima dell operazione chirurgica, possa essere un fattore di vulnerabilità per lo sviluppo di un forte dolore cronico post operazione. La seconda ipotesi è che questo aumento sia dovuto ad una costante sensazione negativa prodotta dal dolore permanente o dal costante tentativo da parte del paziente di evitare il dolore, oppure l insieme di entrambe le possibilità (Preißler et al.,2013). Complessivamente queste modificazioni strutturali di materia grigia possono essere interpretate in termini di atrofia cerebrale collegata al dolore (Apkarian et al 2004;. Rocca et al 2006;. Kim et al 2008). Langer et al. (2012), hanno effettuato uno studio per verificare come anche cambiamenti transitori della periferia del corpo possano indurre meccanismi di compensazione e plasticità a livello cerebrale. Lo studio è stato effettuato mediante l immobilizzazione dell arto superiore destro per 14 giorni e la compensazione con l arto sinistro (non dominante) per mediare le funzioni svolte quotidianamente dall arto dominante. Gli autori ipotizzavano che una riduzione della mobilità dell arto superiore destro inducesse una diminuzione di volume (misurato attraverso Surface-based morphometry analysis) delle aree somatosensoriali e dell area motoria primaria e dei fasci di fibre all interno del tratto corticospinale (misurata attraverso l analisi delle mappe di Fractional Anisotropy, FA), deputata all elaborazione dei movimenti fini. Al contrario, la compensazione per opera dell arto superiore di sinistra avrebbe dovuto comportare un aumento di materia grigia a livello dell area sensorimotoria dell emisfero destro e anche un aumento di FA nel tratto corticospinale di destra. Mediante test di valutazione di abilità motorie lo studio ha dimostrato un effettivo miglioramento della mano non dominante e questo effetto si evidenzia anche a livello corticale. Infatti, è stato riscontrato un aumento di materia grigia nella corteccia motoria e premotoria di destra. Tale cambiamento strutturale può riflettere o un acquisizione di nuove abilità o la conseguenza di una costante stimolazione dell arto superiore di sinistra durante i 14 giorni di immobilizzazione del braccio destro (Langer et al., 2012). La precoce plasticità cerebrale evidenzia che il sistema nervoso si evolve per far fronte a improvvisi cambiamenti ambientali. Questi risultati sono importanti perché possono indirizzare futuri approcci terapeutici per la compensazione cerebrale in pazienti con danni centrali o periferici (Langer et al., 2012). 27

31 CAPITOLO 3 Rappresentazione corporea: uno studio fmri in soggetti con alterazioni periferiche Introduzione La comprensione dei meccanismi attraverso i quali il cervello rappresenta il corpo è uno degli oggetti d indagine che più ha stimolato le neuroscienze negli ultimi anni. Il nostro corpo è, infatti, un oggetto speciale d indagine poiché i modi in cui entriamo in relazione con esso sono molteplici: il tatto, la vista, la propriocezione, il comportamento motorio, la comprensione semantica, le emozioni, i sentimenti. Riceviamo quindi molte più informazioni dal nostro corpo che da qualsiasi altro oggetto è, inoltre, l unico che percepiamo dall interno (devigmenount, 2011). In altri termini, il nostro cervello elabora costantemente informazioni, sia top-down che bottom-up, riguardanti il nostro corpo che interagiscono per creare rappresentazioni più astratte del corpo. La complessità di modi in cui entriamo in relazione con il nostro corpo rende quindi ragione della varietà di modi in cui il cervello rappresenta il corpo e della varietà di alterazioni delle rappresentazioni corporee che possono conseguire sia a lesioni cerebrali sia alla perdita di informazioni derivante da deafferentazione sensorimotoria. Per quanto concerne nello specifico quest ultimo caso, in seguito a modifiche delle afferenze somatiche o dell output motorio possono verificarsi cambiamenti neuroplastici in aree sensorimotorie del sistema nervoso (Jones, 2000; Sanes e Donoghue, 2000). Se, da una parte, infatti, l apprendere nuove abilità motorie determina un ampliamento della rappresentazione dei muscoli coinvolti in un certo compito (Pascual-Leone et al., 1995) e cambiamenti strutturali in specifiche aree cerebrali (Draganski et al., 2004), dall altra, una deafferentazione a lungo termine di tipo sensorimotorio, come nel caso di amputazione di un arto, risulta in un espansione delle rappresentazioni circostanti (Chen et al., 1998; Cohen et al., 1991) e nella riduzione di materia grigia (Draganski et al., 2006). Diverse prove sperimentali sono state raccolte sulla neuroplasticità conseguente a deafferentazione sensorimotoria e sulle conseguenti modificazioni della rappresentazione corporea. Nella maggior parte dei casi si tratta di studi comportamentali che hanno valutato modificazioni nella rappresentazione corporea attraverso compiti di rotazione mentale di parti del corpo (es. mani/piedi). Questi compiti richiedono, ad esempio, di stabilire se la figura di una mano 28

32 ruotata di una certa angolazione è una mano destra o sinistra (Parsons, 1987). Inoltre, per essere risolti correttamente, richiedono un implicita rotazione della propria parte del corpo (Parsons, 1987), valutano quindi una specifica rappresentazione corporea, cioè lo schema corporeo o rappresentazione sensorimotoria del nostro corpo (Schwoebel & Coslett, 2005). Studi neuropsicologici mostrano, infatti, che l immaginare di compiere un movimento richiede il richiamo dello schema corporeo esattamente come se si stesse realmente svolgendo il movimento (de Lange et al., 2005; Parsons, 1994; Schwoebel et al., 2001). Inoltre, studi di neuroimaging funzionale confermano tale parallelismo tra azione immaginata e realmente eseguita poiché mostrano sovrapposizioni nelle attivazioni della corteccia parietale superiore, nel solco intraparietale e nella porzione più rostrale del lobulo parietale inferiore (Bonda et al., 1995; Parsons et al., 1995) durante i due compiti. Attraverso l utilizzo di un compito di rotazione di mani, Nico e colleghi (2004) trovano che i pazienti che hanno subito l amputazione di un arto superiore sono più lenti e meno accurati in un compito di rotazioni mentali di mani rispetto a individui sani di controllo. Gli autori ipotizzano una modificazione nello schema corporeo per spiegare l aumento dei tempi di risposta e la minore accuratezza; i soggetti amputati non possono più confrontare la rappresentazione del proprio arto con il disegno della mano presentato. Curtze e colleghi (2010) trovano, invece, che negli amputati, a differenza dei controlli, non è presente l effetto di lateralità. In altri termini, i soggetti di controllo sono più veloci nel giudicare l arto dominante ma questo effetto si perde in seguito ad amputazione. Secondo gli autori, tale dato suggerisce che gli amputati non utilizzano nello svolgimento del compito la rappresentazione del proprio corpo (schema corporeo), ma una strategia visiva che fa riferimento a una rappresentazione più astratta e prototipica del corpo che è stata definita da alcuni autori descrizione strutturale del corpo (Corradi Dell Acqua et al., 2009), ovvero, una mappa visuo-spaziale dei diversi distretti corporei. Ad ogni modo, l elicitazione, durante il compito, dell arto fantasma in alcuni dei soggetti amputati suggerisce che almeno questi soggetti abbiano utilizzato l imagery motoria. In questa condizione il soggetto pensa a ciò che deve fare, immagina la sequenza delle azioni da svolgere e ne vede il risultato finale. E dunque un attività immaginativa in cui il compito viene svolto, in assenza di movimento osservabile, includendo una rappresentazione egocentrica del proprio corpo mediante l utilizzo dello schema corporeo. Studi condotti da Corradi-Dell Acqua (2009) per l identificazione delle differenti basi neurali dello schema corporeo (BD) e dello schema strutturale del corpo (BSD) sostengono questa ipotesi. Studi fmri hanno mostrato che i soggetti, durante i compiti di rotazione mentale, possono utilizzare due diverse strategie: la prima riguarda una rappresentazione egocentrica (BD) in cui il soggetto codifica la posizione delle parti del proprio corpo in relazione 29

33 con l ambiente; la seconda strategia fa riferimento ad una rappresentazione allocentrica in cui i soggetti codificano la posizione delle parti del proprio corpo mediante il confronto con un corpo standard (BSD) (Corradi-Dell Acqua, 2009). Altri studi hanno dimostrato che i soggetti possono eseguire un compito su parti del corpo mediante l utilizzo di strategie diverse. Ad esempio Parsons (1987) ha notato che i partecipanti ad un compito di rotazione mentale di mani confrontavano spontaneamente la parte del corpo presentata con la parte del proprio corpo mediante l uso dell imagery motoria. Tuttavia questo compito poteva essere risolto anche mediante una diversa strategia, con l utilizzo di immagini visive richiamando una rappresentazione allocentrica (Kosslyn et al, 2001; Tomasino e Rumiati, 2004). Sebbene compiti di rotazione mentale di parti del corpo siano stati utilizzati in studi di neuroimaging funzionale per localizzare la sede delle diverse rappresentazioni corporee (Schwoebel & Coslett, 2005; Corradi-Dell Acqua et al., 2009), a nostra conoscenza nessun lavoro di neuroimaging funzionale ha indagato se la differenza nella prestazione in compiti di rotazione mentale di parti del corpo tra soggetti di controllo e amputati riportata in alcuni studi comportamentali (Nico et al., 2004; Curtze et al., 210) sia da imputare a una modificazione dello schema corporeo o all utilizzo di una diversa strategia, che presuppone il richiamo di una diversa rappresentazione corporea. L obiettivo del nostro studio è indagare, attraverso uno studio di neuroimaging funzionale, i pattern di attivazione di pazienti con amputazione di un arto durante un compito di rotazione di parti del corpo, al fine di verificare se queste attivazioni siano o meno sovrapponibili a quelle di soggetti di controllo. Questo confronto ha permesso di verificare se la perdita d informazioni sensorimotorie, conseguenti all amputazione, ha determinato cambiamenti nelle attivazioni delle aree deputate all elaborazione dello schema corporeo e/o l attivazione di altre aree cerebrali coinvolte nell elaborazione di altre rappresentazioni corporee (ad esempio quelle deputate all elaborazione della mappa visuo-spaziale del corpo ) che indicherebbero il ricorso a una differente strategia per eseguire il compito. Inoltre abbiamo indagato attraverso un analisi Voxel Based Morphometry (VBM) se la perdita di informazioni sensorimotorie potesse modificare la corteccia a livello strutturale. Lo studio è stato condotto presso la Fondazione Santa Lucia ed è stato approvato dal comitato etico indipendente della struttura. 30

34 3.2 Metodologia Soggetti Gruppo sperimentale Un gruppo di 9 pazienti maschi con amputazione dell arto sinistro, ovvero l arto non dominante (età media 40,88; Deviazione Standard-DS 19,68) e senza storia di disturbi neurologici e/o psichiatrici, è stato coinvolto nello studio. Ad ogni partecipante è stata richiesta un adesione scritta di partecipazione alla ricerca (consenso informato -D.lgs. del 30 giugno 2003, n. 196). Gruppo di controllo Un gruppo di 11 volontari maschi sani (età media 41,18 e DS 15,73), senza storia di disturbi neurologici e/o psichiatrici, paragonabili, età e scolarità al gruppo sperimentale (Età: T= 0.037, p= 0.970; Scolarità: T= 0.765, p=0.455), è stato coinvolto nello studio. Ad ogni partecipante è stata richiesta un adesione scritta di partecipazione alla ricerca (consenso informato -D.lgs. del 30 giugno 2003, n. 196) (si veda la tabella 1 per le informazioni demografiche). Soggetti Età Scolarità P.E. raven Controlli (15.73) (2.79) (2.20) Amputati 40.88(19.68) (4.06) (4.38) Tabella 1. Media e DS del campione di ricerca. Stimoli Al fine di indagare eventuali modifiche nella rappresentazione mentale del corpo (schema corporeo) nei pazienti con amputazione dell arto inferiore sinistro, è stato sviluppato un set di stimoli costituito da stimoli inerenti a parti del corpo (mano e piede) ed oggetti non corporei (specchietto di motocicletta) che hanno una destra e una sinistra intrinseca; gli stimoli (mano, piede e specchietto destro e sinistro) sono stati ruotati di 60 gradi in 60 gradi, ottenendo così per ogni categoria 36 possibili rotazioni, da 0 a 300 (Figura 1). 31

35 Orientamento Mano Destra Orientamento Mano_Sinistra Orientamento_Specchietto_Destro Orientamento_Specchietto_Sinistro Orientamento_Piede_Destro Orientamento_Piede_Sinistro Figura 1. Set di stimoli utilizzati nell esperimento. 32

36 Il set di stimoli utilizzati nell ambito del paradigma sperimentale di fmri comprende quindi 3 categorie: arti superiori (mano), arti inferiori (piede) e un oggetto non corporeo (specchietto di una moto). Più nello specifico, il set di stimoli comprende 72 item per gli arti superiori (36 stimoli relativi alla mano destra e 36 alla mano sinistra), 72 per gli arti inferiori (36 stimoli relativi al piede destro e 36 al piede sinistro) e 72 item che rappresentano un oggetto non corporeo che può essere ruotato realmente (36 stimoli relativi allo specchietto destro e 36 allo specchietto sinistro). Inoltre sono stati utilizzati test comportamentali carta e matita per indagare eventuali modificazioni in altre rappresentazioni corporee (rappresentazione semantica e mappa visuospaziale). Test Versione modificata del test di Semenza e Goodglass (1985) Il test è costituito da 30 item, in ciascuno dei quali si chiede al soggetto di indicare le parti del corpo sia destre che sinistre denominate dall esaminatore, prima ad occhi chiusi e successivamente ad occhi aperti (dopo un intervallo durante il quale il soggetto è impegnato in un altro compito). È stato calcolato il numero di errori. Test dello Schema Corporeo (Durat-Hmeljiak et al., 1978) Il test si compone di diversi subtest. Nel nostro paradigma abbiamo utilizzato il subtest di evocazione del corpo visto di fronte, il cui materiale è costituito da una tavoletta di lavoro su cui è raffigurata la testa di un bambino e 9 tessere, ciascuna rappresentante una parte del corpo umano (collo, braccio destro e sinistro, gamba destra e sinistra, emitorace destro e sinistro, mano destra e sinistra). E stato chiesto al soggetto di riconoscere, nominandoli e indicandone la lateralità, le diverse parti del corpo per poi posizionarle sulla tavoletta in cui l unico punto di riferimento è la testa del bambino. Si è registrato il tempo di posizionamento della parte del corpo e prima di presentare una nuova figura, la posizione della tessere è stata registrata sovrapponendo una griglia sulla tavoletta. Ogni tessera viene rimossa prima di presentare la successiva. Il punteggio è dato dalla somma delle risposte corrette al riconoscimento (punteggio massimo: 9) e alla localizzazione (punteggio massimo: 9). Test di semantica Ogni trial del test è costituito da immagini rappresentanti parti del corpo da abbinare ad immagini rappresentanti capi di abbigliamento. La risposta è stata classificata per: contigua, concettuale, random e corretta. Ai soggetti venivano presentate, una per volta, immagini raffiguranti 33

37 capi di abbigliamento per ciascuno dei quali il soggetto doveva indicare tra le quattro alternative raffiguranti parti del corpo, quale tra le immagini presentate corrispondeva allo specifico capo di abbigliamento. Procedura Per ciascun soggetto la sessione sperimentale fmri è stata preceduta da una breve sessione di addestramento all esterno della macchina al fine di permettere la comprensione e familiarizzazione con il compito. Lo studio fmri è stato progettato come un disegno a eventi. La presentazione del set di stimoli è stata randomizzata e ciascun item è stato presentato per un massimo di 3000 msec, seguito da un punto di fissazione di durata variabile tra 1300 e 3100 ms (Figura 2). Durante l acquisizione delle immagini in risonanza è stato richiesto ai partecipanti allo studio di eseguire un compito di giudizio di lateralità dello stimolo (destra/sinistra) attraverso l utilizzo di una pulsantiera compatibile con l ambiente di risonanza. Sono state acquisite 5 sessioni fmri, ciascuna della durata di 9 minuti circa. Figura 2. Paradigma Sperimentale Acquisizione delle immagini Lo studio è stato eseguito presso il servizio di Radiologia della Fondazione Santa Lucia utilizzando uno scanner di risonanza magnetica a 3 Tesla Siemens Allegra Le immagini sono state acquisite per l intera corteccia usando l imaging BOLD (30 fette, in-plane risoluzione = 3 x 3 mm, slice spacing = 4.5 mm, tempo di ripetizione è [TR] = 2 sec,tempo di eco [ TE ] = 30 msec, flip angle = 70 gradi); per ognuna delle 5 scansioni fmri sono stati acquisiti 276 volumi. Inoltre le scansioni funzionali sono state seguite dall acquisizione di scansioni anatomiche ad alta risoluzione pesate in T1 (Siemens MPRAGE, 176 fette, piano di risoluzione = 0,5 x 0,5 mm, spessore fetta = 1 mm, TR = 2 sec, TE = 4.38 ms, flip angle= 8 gradi); le immagini strutturali tridimensionali ad alta risoluzione sono state utilizzate per la co-registrazione delle immagini EPI, 34

38 permettendo una localizzazione anatomica più precisa delle attivazioni. La durata complessiva di ogni acquisizione non superava i 60 minuti. Preprocessamento delle immagini I dati di risonanza sono stati pre-processati mediante il software SPM8 ( combinato con un software interno (BrainShow) implementato in MATLAB (The MathWorks Inc., Natick, MA, USA). I primi quattro volumi di ogni scansione sono stati scartati per consentire la stabilizzazione del campo magnetico. Tutte le immagini sono state corrette per i movimenti della testa (realignment) usando il primo volume di riferimento. Le immagini di ogni partecipante sono state poi co-registrate sulla loro stessa immagine in T1. Le immagini co-registrate sono state poi normalizzate utilizzando MNI-152 EPI standard e l immagine riallineata media come fonte. È stato infine applicato un processo di smoothing utilizzando un kernel isotropo Gaussiano di 8 mm. 3.3 Analisi dei test carta e matita. I test comportamentali carta e matita (versione modificata del test di Semenza e Goodglass, sub-test Evocazione Fronte Corpo, test di semantica) sono stati somministrati ai soggetti prima dello svolgimento del compito di rotazione mentale in risonanza. Al fine di individuare differenze significative tra il gruppo di controllo e il gruppo sperimentale, è stata effettuata un analisi T-test. 3.4 Analisi dei dati comportamentali. I dati comportamentali del paradigma di rotazioni mentali in fmri sono stati analizzati per mezzo di ANOVA a struttura fattoriale mista, sull accuratezza e sui tempi di risposta. I dati sono stati dapprima filtrati per i tempi, eliminando le risposte < 300 ms (Nico et al., 2004) ed è stata calcolata la proporzione di risposte corrette per ogni ripetizione di ogni item ed è stata applicata una trasformazione per Arcoseno (Nico et all., 2004). Successivamente abbiamo filtrato le risposte corrette e calcolato la media dei tempi di risposta, per ciascuna condizione in ciascun soggetto. I valori mancanti sono stati sostituiti con la media dei tempi di risposta del gruppo in quella condizione. È stata quindi applicata una trasformazione logaritmica. Abbiamo eseguito due ANOVA con struttura fattoriale mista con categoria (mano/piede/oggetto), lato (destra/sinistra), angolo di rotazione (0 /60 /120 /180 /240 /300 ) come fattori within-subject e il gruppo (controllo/sperimentale) come fattore between-subject sia sull accuratezza che sui tempi di risposta. In base ai dati presenti in letteratura ci aspettiamo che i 35

39 pazienti con amputazione dell arto inferiore sinistro mostrino un rallentamento nell esecuzione del compito di rotazione mentale riguardante la categoria che rappresenta l arto amputato. Se l ipotesi è corretta, dovremmo osservare un effetto d interazione tra il gruppo e la categoria, con effetti specifici dell arto amputato. I confronti post hoc sono stati condotti utilizzando la correzione di Bonferroni per i confronti multipli, sia per quanto riguarda le analisi sull accuratezza che sui tempi di risposta. 3.5 Analisi dei dati fmri Le immagini funzionali sono state analizzate separatamente per ciascun partecipante utilizzando un analisi voxel per voxel in accordo con il General Linear Model (Nelder, Wedderburn, 1972). Abbiamo inserito dei regressori per ogni condizione sperimentale, mano destra-mano sinistra, piede destro-piede sinistro, sottraendo lo stimolo di controllo, ovvero, lo specchietto. L analisi di gruppo è stata condotta sulle immagini così stimate relativamente alle singole condizioni sperimentali, trattando il soggetto come un fattore casuale. In particolar modo, a livello del gruppo, abbiamo condotto dei Two Sample T-test per confrontare l attivazione dei due gruppi (controlli, pazienti con amputazione dell arto inferiore di sinistra) sulle singole condizioni (mano destra-sinistra, piede amputato-non amputato). Data la scarsa numerosità dei soggetti in questo primo stato di analisi, abbiamo deciso di applicare una soglia non troppo conservativa (punc<0.001) e una dimensione del cluster maggiore di 10 voxel. Per indagare eventuali differenze strutturali tra pazienti con amputazione dell arto non dominante e soggetti di controllo abbiamo condotto una Voxel Based Morphometry (VBM) sulle immagini MPRAGE utilizzando VBM 8 toolbox, implementata in SPM 8. La presenza di artefatti grossolani e anormalità è stata controllata da un esperto di neuroimmagini. Nell analisi sono stati inclusi 8 amputati sinistri e 11 soggetti di controllo. Le immagini di un partecipante sono state escluse da questa analisi poiché non rispettavano i parametri della qualità dell immagine per l esecuzione della VBM (esse si discostavano di 2 deviazioni standard rispetto alla media). Le immagini sono quindi state normalizzate utilizzando la normalizzazione di Dartel, segmentate in materia grigia, materia bianca e liquor cerebrospinale; dunque è stato effettuato un processo di smoothing utilizzando un full width at half minimum (FWHM) a 8 mm. Abbiamo utilizzato un two sample T-test per comparare le immagini dei pazienti amputati con quelle dei soggetti di controllo. 36

40 3.5 Risultati T-test nei compiti carta e matita L analisi dei dati comportamentali, mediante T-test, atta ad individuare eventuali modificazioni nella rappresentazione corporea all interno del gruppo sperimentale confrontato con quello di controllo non ha evidenziato risultati significativi. ANOVA: accuratezza L ANOVA mista con categoria (mano/piede/oggetto), lato (destra/sinistra), angolo di rotazione (0 /60 /120 /180 /240 /300 ) come fattori within-subject e il gruppo (controllo/sperimentale) come fattore between-subject, è stata eseguita in un primo momento sull accuratezza per testare se ci fossero differenze significative tra i due gruppi. Dai risultati è emerso un effetto principale significativo per il fattore categoria con [F(2; 38) =7.839, p=0.001]. L analisi post-hoc mostra una maggior accuratezza dei soggetti per la categoria piede rispetto alla categoria oggetto evidenziando una facilitazione nel riconoscimento della prima p=0.004 (Tabella 2). Gruppo Categoria Media Deviazione Standard Errore Amputati Sx Mano Oggetto Piede Controlli Mano Oggetto Piede Tabella 2. Media e Deviazione standard del gruppo sperimentale e del gruppo di controllo per il fattore categoria nell analisi dell accuratezza. È inoltre significativo l effetto principale rotazione [F (2.465; )=10.634, p=0.000]. I confronti post-hoc mostrano una maggior accuratezza dei soggetti in rotazioni di 0 rispetto alla rotazione di 120 (p=0.036) e 180 (p=0.000); un accuratezza maggiore a 60 rispetto a 180 (p=0.004); una minor accuratezza a 120 rispetto a 0 (p=0.036); una minor accuratezza a 180 rispetto a 0 (p=0.00), 60 (p=0.004), 240 (p=0.044) e a 300 (p=0.000); una maggior accuratezza a 37

41 240 rispetto a 180 (p=0.044) e infine una maggior accuratezza a 300 rispetto a 180 (p=0.000) (Figura 3). Inoltre è stato riscontrato un effetto di interazione significativo tra i fattori categoria lato rotazione [F (5.7; ) =2.607, p=0.023]. L analisi post hoc mostra che nell interazione il fattore lato è significativo solo nelle categorie mano e piede e non nella categoria oggetto. Questo risultato è in linea con la presenza dell effetto dominanza che in letteratura si riscontra per le parti del corpo ma non per gli oggetti (Courtze, 2010). Figura 3. Accuratezza e TR nell interazione mano rotazione, oggetto rotazione e piede rotazione. 38