Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello

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1 Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello Ing. Lorenzo Sani Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica Facoltà di Medicina, Università di Pisa Materiale didattico: segreteria@bioclinica.unipi.it Prenotazione Esami

2 Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello I metodi di neuroimaging attualmente sviluppati non solo forniscono informazioni sulla struttura e sull anatomia cerebrale, ma consentono anche di investigare lo stato funzionale in vivo del cervello umano Distinzione generale tra le metodiche di esplorazione funzionale in vivo del cervello: Tecniche elettriche - magnetiche: rilevano direttamente la funzionalità cerebrale attraverso la misurazione dei correlati elettrici o magnetici dell attività neuronale (EEG; MEG) Metodiche emodinamiche - metaboliciche: rilevano indirettamente la funzionalità cerebrale attraverso la misurazione degli eventi vascolari o metabolicici che accompagnano l attività neuronale (PET, fmri)

3 Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Introduzione s Today

4 Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Introduzione Friston K., Science, 2009

5 Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Introduzione Bioingegneria Matematica Fisica Psicologia Neurologia Farmacologia Marketing e Economia Morale e Etica Giurisprudenza

6 Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Vantaggi Caratterizzazione anatomico-strutturale e funzionale in vivo del cervello umano Versatilità (es. variazione della modalità di acquisizione, modifiche sperimentali, modulazione farmacologica, ecc.) 1 sec 6 sec 11 sec 16 sec

7 Pietrini et al., Am J Psychiatry, 1999 Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Vantaggi Correlazione con metodi diagnostici differenti Variabili periferiche (HR, SCR, ecc.), caratterizzazione neuropsicologica, parametri comportamentali, ecc. Dati strutturali White et al., FieldStrenght, 2008

8 Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Vantaggi Informazioni originali rispetto ad altre metodologie Haxby et al., Science, 2001

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10 Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello Metabolismo energetico cerebrale

11 Esplorazione funzionale in vivo del cervello Perché studio in vivo? Differenze in vitro e in vivo 1. Limite anatomico: la barriera emato-encefalica

12 Esplorazione funzionale in vivo del cervello Perché studio in vivo? 2. Segregazione e integrazione funzionale

13 Esplorazione funzionale in vivo del cervello Perché studio in vivo? 3. Limite dei modelli animali

14 Esplorazione funzionale in vivo del cervello La prima esperienza di Angelo Mosso: l aumento dell attività cerebrale induce un aumento di flusso ematico

15 Esplorazione funzionale in vivo del cervello Angelo Mosso (1881): Concerning the Circulation of the Blood in the Human Brain Verlag von Viet & Company: Leipzig, pages 66-67

16 Fisiologia della Correlazione Flusso Ematico- Metabolismo Cerebrale Nonostante i numerosi sforzi per risolvere il quesito del neurovascular coupling, non è ancora chiaro il meccanismo fisiologico legato al controllo della richiesta, da parte dei neuroni, di un maggiore flusso sanguigno. Sono stati suggeriti differenti modelli di regolazione dinamica cerebrovascolare e le ipotesi più probabili sono: il rilascio, da parte dei neuroni, di vari fattori chimici che agiscono come mediatori di tipo biometabolico come per esempio l ossido nitrico, l adenosina, gli ioni idrogeno o potassio; il rilascio, da parte dei neuroni, di opportuni neurotrasmettitori; una innervazione diretta che parte dai neuroni e raggiunge la muscolatura vascolare

17 Il metabolismo cerebrale del glucosio Tessuto nervoso comprende neuroni e cellule gliali In condizioni fisiologiche l ossidazione del glucosio a CO 2 ed H 2 O è pressoché l unica via metabolica per la produzione di ATP L'apporto di glucosio ed ossigeno dipende strettamente dal flusso ematico cerebrale Cervello: ~2% del peso corporeo ma riceve il 15% della gittata cardiaca basale e consuma il 20% dell'o 2 (50% nel bambino) Estrae circa il 10% del glucosio nel sangue Riserve cerebrali di glicogeno molto limitate Il flusso ematico cerebrale aumenta nelle regioni cerebrali dove vi è un aumentata richiesta metabolica I prodotti del metabolismo energetico (CO 2, ADP, AMP) contribuiscono a regolare l aumento di flusso ematico L'interruzione completa del flusso ematico cerebrale comporta perdita di coscienza in pochi secondi e danni irreversibili in pochi minuti

18 Il neurone : la struttura di base Il neurone è l unità che processa e trasporta le informazioni nel SN I neuroni possono avere differenti forme ed essere funzionalmente specializzati Le principali strutture che li caratterizzano sono:

19 La sinapsi La sinapsi, presente sul terminale assonico (ma non solo), rappresenta l unita fisico-funzionale di trasmissione dell impulso nervoso Essa è costituita da un elemento presinaptico (il bottone e la membrana dell assone) separato, da un vallo sinaptico, dall elemento post-sinaptico (la membrana di un dendrita, di un pirenoforo o di un altro assone)

20 Connessioni neuronali

21 Le proprietà elettriche del neurone: il potenziale d azione

22 DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O 2 3Na + Pompa Na + /K + membrana cellulare Glucosio ATP 2K + ADP + Pi GLICOLISI ATP PCr + ADP ATP + AMP 2ADP citoplasma cellulare ATP ADP Pi Ca 2+ H + Piruvato Lattato translocasi membrana mitocondriale ATP ADP Pi Ca 2+ H + matrice mitocondriale Acetil-CoA ATP ADP + Pi ATP sintetasi catena di trasferimento degli elettroni CICLO DI KREBS fosforilazione ossidativa

23 DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O 2 GLICOLISI CICLO DI KREBS Glucosio Pi AMP, Pi ATP, citrato ATP ADP Glucosio-6-P Fruttosio-6-P ATP ADP Fruttosio-1,6-biP AMP ATP, NADH + + _ Esochinasi Fosfofrutto-chinasi Fosfoenolpiruvato + _ Piruvato Fosfo-esoso isomerasi ATP Piruvato-chinasi ADP Lattato Malato deidrogenasi AMP, ADP, NAD + ATP, NADH Ossaloacetato Malato Fumarato Succinato deidrogenasi Succinato Piruvato + _ Acetil-CoA NADH FADH 2 Complesso della piruvato deidrogenasi ADP, Ca ++ Citrato + Isocitrato Isocitrato deidrogenasi -cheto glutarato Succinil-CoA -cheto glutarato deidrogenasi

24 DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O 2 Glicogeno Fosforilasi a Lattato UDP-glucosio Glucosio Glucosio-6-fosfatasi Esochinasi sintesi componenti cellulari (glicoproteine, glicolipidi, ecc.) Glucosio-1-P Glucosio-6-P shunt 5-8% Ribulosio-5-P Glicolisi Piruvato 90% ossidazione 10% del glucosio sintesi e metabolismo di neurotrasmettitori (ossidasi, ossigenasi ecc.) Acetil-CoA Ciclo di Krebs Fosforilazione ossidativa CO 2 + H 2 O ATP O 2 condizioni anaerobiche condizioni aerobiche ~ 10-15% 2 ATP ~ 85-90% La glicolisi libera solo il 5,2% dell energia totale disponibile nella molecola di glucosio, che può essere ricavata dall ossidazione completa a CO 2 e H 2 O

25 Consumo di ATP nel Cervello in Condizioni di Riposo Somatosensoriale 65% processi collegati ai flussi ionici: pompa Na + /K + : mantenimento del potenziale di membrana negativo; processi legati al reuptake di neurotrasmettitori 15% processi biochimici di sintesi: sintesi proteica (6%) sintesi lipidica (2%) sintesi dei nucleotidi (1%) glicogenosintesi (2%) turn-over neurotrasmettitoriale 20% altri processi: trasporto assoplasmatico veloce (6%) trasporto di calcio reazioni di fosforilazione riciclo vescicole sinaptiche La maggior parte della produzione di ATP nel cervello a riposo è destinata a mantenere la funzione della pompa Na + /K +

26 Eventi legati all Attivazione Neuronale Cerebrale Stimolando una cellula nervosa si provoca la sua depolarizzazione e lo sviluppo di un potenziale d azione, caratterizzato a livello intracellulare da un aumento del sodio e da una diminuzione del potassio L aumento dell attività di trasmissione sinaptica aumenta l attività della pompa Na + /K +, necessaria a ripristinare il potenziale negativo della membrana cellulare Questo comporta un incremento della richiesta energetica (di ATP), che viene soddisfatta attraverso il metabolismo ossidativo del glucosio, con aumento della produzione di ATP dal 60% all 80%

27 Eventi legati all Attivazione Neuronale Cerebrale Il maggior quantitativo di ATP prodotto durante l'attivazione neuronale è utilizzato esclusivamente per il funzionamento della pompa Na + /K + Esperimento di Mata e coll., 1980 J Neurochem, 34: preparati in vivo di cellule nervose del 30% stimolazione elettrica a 10 Hz consumo di glucosio = UABAINA blocco della pompa Na + /K +

28 Eventi legati all Attivazione Neuronale Cerebrale Il consumo di ATP avviene a livello delle sinapsi e non dei corpi cellulari Esperimento di Kadekaro e coll., 1987 Proc Natl Acad Sci USA, 84:

29 Eventi legati all Attivazione Neuronale Cerebrale L aumento dell attività neuronale in una regione cerebrale induce un aumento del flusso ematico locale (coupling) Il flusso ematico fornisce glucosio e ossigeno ai neuroni In condizioni fisiologiche nel neurone l unica via metabolica è l ossidazione del glucosio con produzione di ATP L ATP serve a ripristinare il potenziale di membrana Il glucosio rappresenta un indice indiretto dell attività neuronale sinaptica Il consumo di ATP avviene a livello delle sinapsi e non dei corpi cellulari

30 Esplorazione funzionale in vivo dei correlati neurometabolici dell attività cerebrale Attivazione Riposo mv +50 Blood Flow 0 Hemoglobin = Hb Oxygen = HbO 2-70 EEG 1 2 MEG 3 msec H 15 2 O-PET fmri FDG-PET smri attività neuronale sinaptica attività della pompa Na + /K + richiesta di ATP richiesta di ossigeno e glucosio flusso ematico cerebrale metabolismo ossidativo del glucosio e produzione di ATP

31 Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello La Tomografia ad Emissione di Positroni (PET)

32 Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni Presupposti fisici: Radionuclidi a breve emivita (es. 18 Fluoro, 15 Ossigeno) che decadono ed emettono positroni Positroni ed elettroni (stessa massa, carica opposta) annichilano e danno origine a due raggi in direzione diametralmente opposta, rilevabili da appositi detettori (Tomografo PET)

33 Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni

34 Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni

35 Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio e del Flusso Ematico Cerebrale mediante PET Sostanze di interesse biologico, quali substrati metabolici, possono essere marcati usando questi radionuclidi positrone-emittenti Per lo studio in vivo del metabolismo cerebrale possiamo utilizzare: 18 FDG per misurare il metabolismo glucidico H 2 15 O per misurare il flusso ematico emivita (min) tempo di osservazione (min) durata singolo studio (min) numero di studi possibili nella stessa sessione PET misurano l'attività sinaptica neuronale di un determinato distretto cerebrale Caratteristiche distintive 18 FDG H 2 15 O > 10

36 Il modello del 18 Fluoro-2-deossi-D-glucosio nello Studio in vivo del Metabolismo Glucidico Cerebrale Barriera emato-encefalica Plasma precursori Tessuto cerebrale prodotti metabolici [ 18 F]glicolipidi [ 18 F]deossiglicogeno [ 18 F]UDPDG [ 18 F]glicoproteine [ 18 F]deossiglucosio-1-P [ 18 F]deossiglucosio K* 1 K* 2 [ 18 F]deossiglucosio K* 3 esochinasi [ 18 F]deossiglucosio-6-P glucosio K 1 K 2 glucosio K 3 esochinasi G-6-Pasi glucosio-6-p fruttosio-6-p fosfoglucosio isomerasi CO 2 + H 2 O HO-CH 2 H H HO OH O H H OH HO-CH 2 H H HO OH O H H OH H glucosio OH H 2-deossi-D-glucosio H ( 18 F )

37 Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni

38 Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni

39 aumento % del metabolismo del glucosio Studio del Metabolismo Cerebrale del Glucosio in vivo nell Uomo in Condizioni Fisiologiche Condizione di riposo Effetti della stimolazione sensoriale visiva Corteccia Visiva occhi chiusi 1 occhio 2 occhi scena complessa

40 Studio del Metabolismo Cerebrale del Glucosio in vivo nell Uomo in Condizioni Fisiologiche 18 FDG -glucosio 18 F-fluorodopa Anziano Sano Malato AD 18 F-fluoroetilspiperone

41 La PET cerebrale tra applicazioni cliniche e di ricerca

42 Alterazioni del Metabolismo Cerebrale del Glucosio nelle Malattie Neurodegenerative: la Demenza di Alzheimer Progressivo e globale decadimento delle funzioni cognitive (memoria linguaggio, ragionamento, pensiero astratto, ecc.) Le riduzioni dei valori di metabolismo glucidico in pazienti con malattia di Alzheimer: SOGGETTO NORMALE DEMENZA INIZIALE DEMENZA MODERATA DEMENZA GRAVE prevalenti nelle regioni della neocorteccia associativa dei lobi parietale, temporale e frontale si aggravano con il progredire della malattia correlano con il quadro di disfunzione cognitiva e, in alcuni casi, possono precedere e predire il successivo sviluppo dei deficit neuropsicologici

43 Studio in vivo delle funzioni cerebrali: elaborazione dei dati acquisiti con metodologia PET ATTIVAZIONE RIPOSO DIFFERENZA NORMALIZZAZIONE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas) IMMAGINI INDIVIDUALI DI DIFFERENZA IMMAGINE MEDIA DELLE DIFFERENZE

44 PET - applicazioni cliniche Oncologiche Cardiache Cerebrali Malattie Infettive Farmacologiche Metaboliche

45 PET-FDG: diagnosi e caratterizzazione

46 PET-FDG: stadiazione

47 PET-FDG: stadiazione

48 PET-FDG: verifica della terapia Esame PET Linfoma di Hodgkin Esame PET Post-trattamento