UNIVERSITA DEGLI STUDI DI UDINE

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1 1 di 50 12/05/ :36 DALLO STUDIO DEL SISTEMA DEI NEURONI MIRROR ALLE IPOTESI RIABILITATIVE PER IL RECUPERO DELL ARTO SUPERIORE NEL PAZIENTE EMIPLEGICO UNIVERSITA DEGLI STUDI DI UDINE FACOLTA DI MEDICINA E CHIRURGIA CORSO DI LAUREA IN FISIOTERAPIA Tesi di Laurea DALLO STUDIO DEL SISTEMA DEI NEURONI MIRROR ALLE IPOTESI RIABILITATIVE PER IL RECUPERO DELL ARTO SUPERIORE NEL PAZIENTE EMIPLEGICO Relatore: Dott.ssa Loretta Paviotti Laureando: Gabriele Venuto Anno Accademico INTRODUZIONE Premessa Obiettivi dello studio Materiali e metodi 1. I NEURONI SPECCHIO 1.1 Il sistema motorio nei primati 1.2 I neuroni specchio nella scimmia 1.3 Ruolo funzionale dei neuroni specchio 1.4 I neuroni specchio nell'uomo Indice 1.5 Riflessioni e recenti spunti riguardanti il sistema dei neuroni mirror Ragionamenti e nuove scoperte Ipotesi sull'evoluzione del meccanismo di rispecchiamento 2 IL SISTEMA DEI NEURONI SPECCHIO E IL LORO RUOLO NELLA RIABILITAZIONE

2 2 di 50 12/05/ : I neuroni specchio in funzione alla neuroriabilitazione Neuroni mirror e gli studi correlati Il sistema dei neuroni specchio e la riabilitazione motoria Riabilitazione del paziente post-stroke con l'utilizzo della motor-imagery e della motor observation nella rieducazione post-ictus Mirror Therapy La realtà virtuale come trattamento di pazienti post-ictus 3 STUDIO SPERIMENTALE 3.1 Materiali e metodi Pazienti Protocollo riabilitativo 3.2 Risultati Risultati oggettivi Risultati soggettivi 4 DISCUSSIONE 5 CONCLUSIONI Bibliografia INTRODUZIONE Premessa I neuroni mirror sono una particolare classe di neuroni visuo-motori, originariamente scoperti nell area F5 della corteccia premotoria del macaco che si attivano sia quando la scimmia compie una determinata azione, sia quando osserva un altro individuo (scimmia o uomo) compiere una simile azione. Tali neuroni sono presenti anche nell uomo nella corteccia pre-frontale, nella corteccia pre-motoria, nell area motoria supplementare, nella corteccia del cingolo, nella corteccia parietale e nel cervelletto. La scoperta dei neuroni mirror dimostra che il sistema motorio può essere attivato sia in una condizione on line durante l esecuzione del gesto, sia in una condizione off line durante l osservazione o l immaginazione di un atto che rientri nel repertorio motorio del soggetto che osserva. Si ritiene che l informazione fornita dalla motor observation e dalla motor imagery possa contribuire al recupero funzionale nel paziente post-ictus come fonte addizionale di informazioni utili nel complesso processo di riorganizzazione dell area cerebrale danneggiata. Obiettivi dello studio Lo scopo del nostro studio è quello di valutare gli effetti e i potenziali benefici della motor observation e della motor imagery per contribuire al recupero funzionale in pazienti post-ictus come fonte addizionale del complesso processo di riorganizzazione del Sistema Nervoso Centrale leso. Materiali e metodi I pazienti dello studio sono stati reclutati all interno dell Ospedale di Medicina Fisica e Riabilitazione

3 3 di 50 12/05/ :36 Gervasutta di Udine, pazienti emiparetici con ictus cerebrovascolare. I criteri d inclusione sono stati: età compresa tra i 39 e i 74 anni, emiparesi dell arto superiore controlaterale alla lesione cerebrale. I criteri d esclusione erano: emiplegia, MMSE < 20, neglect, afasia grave. I pazienti emiplegici sono stati valutati con la scala Ashworth per la spasticità, il Wolf Motor Function test, l Abilhand (versione italiana) per le attività bimanuali e il Test Fugl-Mayer Modificata Hamrin- Lindmark (1988) per gli arti superiori. I pazienti poi hanno osservato 6 filmati di 3 min. l'uno, riguardanti sei diverse attività della vita quotidiana, per 10 sedute, con una frequenza di 3-4 volte a settimana, tutto questo in aggiunta alla fisioterapia tradizionale. Durante la visione dei video si è richiesto al pz. di concentrarsi su quello che osservava e di immedesimarsi nel gesto che compiva il soggetto ripreso nel video. I primi 4 filmati ritraggono azioni mono-manuali, gli ultimi due bi-manuali. I filmati sono di complessità crescente (come per esempio bere da un bicchiere, versare l'acqua in un bicchiere con una bottiglia da 50cl. ecc.). Alla fine del filmato il fisioterapista invitava i pazienti a fare degli esercizi mentali in cui si chiedeva di immaginare di compiere quel gesto appena visto. Si interrogava il paziente sulle sensazioni che provava osservando e immaginando. Si sono colte le parole che usava il paziente per descrivere ciò che aveva appena percepito cercando di modificare l immagine se essa non era completa. Infine si chiedeva ai pazienti di compiere quell atto motorio che essi avevano appena osservato e immaginato. I pazienti del gruppo di controllo sono stati sottoposti solo alla fisioterapia tradizionale (mobilizzazione passiva, attiva assistita e attiva dove possibile, esercizi terapeutici vari). Risultati Esaminando i dati ottenuti dallo studio statistico, effettuato sui risultati finali estrapolati dalle scale di valutazione applicate ai pazienti (Test Fugl-Mayer; Wolf Motor Function Test; Ashworth e Abilhand), si evidenziano interessanti risultati, nonostante i pazienti studiati siano stati 7 di cui 5 trattati con la motor observation e la motor imagery, e due caso-controllo. Durante il periodo in cui hanno partecipato allo studio, tutti e cinque i pazienti hanno raggiunto miglioramenti significativi. I risultati finali al Test Fugl-Mayer ottenuti fra il confronto dei due gruppi di trattamento, hanno evidenziato che i pazienti a cui è stato applicato la motor observation e la motor imagery hanno raggiunto risultati statisticamente significativi, rispetto al gruppo caso-controllo. Anche alla scala di valutazione Wolf Motor Function Test, si sono raggiunti risultati significativi, confrontando l inizio con la fine del trattamento osservativo. Sia per la Wolf Motor Function Test che per la Fugl-Mayer al follow-up non si sono state registrate variazioni significative dei punteggi finali dei pazienti. Per quanto riguarda la scala di valutazione Ashworth non si è riscontrato nessun miglioramento significativo dell'ipertono muscolare per nessuno dei sette pazienti trattati e quindi non c'è neanche una significativa differenza fra i due metodi di trattamento. Al follow-up però in questo caso si è verificato un miglioramento significativo del tono per uno dei pazienti trattati con la motor observation e la motor imagery. L'Abilhand ha dimostrato che per il totale dei sette pazienti trattati in questo periodo c'è stato un miglioramento quasi significativo, ma non c'è significativa differenza fra i due tipi di trattamento. C'è da aggiungere però che la scala di valutazione Abilhand è prettamente qualitativa e soggettiva e si pone male all'analisi statistica. Conclusioni Nonostante il breve periodo di applicazione del training e il numero ridotto di partecipanti, si può

4 4 di 50 12/05/ :36 ipotizzare che l utilizzo della motor observation e della motor imagery possa coinvolgere il sistema dei neuroni mirror e possa contribuire in maniera significativa al recupero dei pazienti colpiti da ictus. 1. I NEURONI SPECCHIO Capire le azioni degli altri e le intenzioni che ne sono alla base è una caratteristica della nostra specie, che ci consente di interagire con i nostri simili e di empatizzare con loro. I meccanismi alla base di queste facoltà cognitive sociali erano fino a non molti anni fa poco conosciuti. La scoperta dei neuroni specchio nella scimmia e la successiva dimostrazione dell esistenza di un sistema specchio anche nel cervello umano hanno messo in evidenza per la prima volta un meccanismo neurofisiologico capace di spiegare molti aspetti della nostra capacità di relazionarci con gli altri. I neuroni specchio sono stati scoperti poco più di dieci anni fa nella corteccia premotoria del cervello del macaco (area F5). I neuroni specchio si attivano sia quando la scimmia esegue un atto motorio finalizzato, come afferrare oggetti con la mano o con la bocca sia quando osserva un altro individuo eseguire atti motori analoghi (di Pellegrino e al. 1992(24), Gallese e al., 1996; Rizzolatti e al. 1996(10) ). 1.1 Il sistema motorio nei primati. Il sistema motorio, in funzione alle relazioni con i restanti sistemi sensoriali, sia nelle scimmie che nell'uomo, era concepito dagli studiosi del 900', avente un ruolo periferico ed esclusivamente esecutivo (es. homunculus motorio di Wilder Penfield). Ora tramite l'utilizzo di tecniche elettrofisiologiche più sofisticate si è evidenziato che la corteccia motoria contiene molte mappe funzionalmente distinte e localizzate in varie aree anatomiche differenti (1). LOCALIZZAZIONE DELLE AREE CORTICALI NEI PRIMATI CON RELATIVE FUNZIONI MOTORIE : Area F3: contiene la rappresentazione completa dei movimenti del corpo. Area F6: movimenti lenti e complessi dell'as (Arto Superiore). Area F2: rappresentazione della parte dorsale dell'ai (Arto Inferiore) e dell'as centralmente. Area F4: movimenti dell'as, del collo e del viso. Area F5: movimenti della mano e della bocca. (F2-F5) : le aree posteriori direttamente connesse a F1 e sono legate fra loro in maniera somatotopicamente precisa. Determinano il quadro globale del movimento. (F6-F7): aree motorie anteriori, non proiettano su F1 ma sono ricche di connessioni con le altre aree motorie. F1: raggiunge direttamente i motoneuroni. figura 1

5 5 di 50 12/05/ :36 Fig.1 Vista mesiale e laterale del cervello del macaco, che mostra le struttura citoarchitettonica della corteccia motoria frontale (aree indicate con la lettera F e il numero arabo corrispondente) e del lobo parietale (aree indicate con la lettera P e il numero arabo corrispondente). Le aree nascoste all'interno del solco intraparietale sono mostrate in una visione aperta del solco. AIP, area intraparietale anteriore; As, solco arcuato superiore; Ai solco arcuato inferiore; C, solco centrale; Ca, fissura calcarina; CG, corteccia cingolata; FEF, campo visivo frontale; IP, solco intraparietale; L, solco laterale; LIP, area intraparietale laterale; MIP, area intraparietale mediale; Lu, solco lunato; P, solco principale; POs, solco parieto-occipitale; STS, solco temporale superiore. Rizzolatti G et al. (2008) Mirror neurons and their clinical relevance Nat Clin Pract Neurol doi: Nel lobo prefrontale è situata la memoria di lavoro, la pianificazione temporale delle azioni e la coerenza delle intenzioni, in poche parole quest'area ha il compito di formare le intenzioni che precedono e orientano l'agire. Le aree parietali posteriori sono coinvolte nelle trasformazioni sensori-motorie. La corteccia frontale e la corteccia parietale posteriore sono connesse fra loro e formano circuiti destinati a lavorare in parallelo ed ad integrare le informazioni sensoriali e quelle motorie. La corteccia prefrontale e quella del cingolo sono responsabili nella pianificazione delle intenzioni, nella pianificazione a lungo termine e nella scelta del momento opportuno in cui agire. Il sistema motorio, quindi, non può più essere considerato come un mero esecutore passivo. Le aree della corteccia parietale posteriore infatti ricevono afferenze dalle regioni sensoriali e possiedono proprietà motorie analoghe a quelle della corteccia motoria agranulare. Dato che l'informazione motoria e sensoriale hanno un formato comune, possono organizzare oltre che compiti motori anche compiti di percezione, riconoscimento degli atti altrui, l'imitazione e la comunicazione. In particolare, l'area F1 controlla i movimenti isolati delle dita, mentre l'area F5 svolge il ruolo di generatore della rappresentazione del movimento motorio ricavandolo da uno stimolo visivo e inoltre codifica atti motori, cioè movimenti coordinati da un fine specifico. Una parte dei neuroni di F5 risponde anche a stimoli visivi (neuroni visuomotori). La corteccia parietale posteriore svolge un ruolo cruciale nelle trasformazioni sensori-motorie necessarie

6 6 di 50 12/05/ :36 per l'esecuzione di azioni guidate dalla vista. L'area F5 contiene inoltre una sorta di vocabolario di atti motori, risponde infatti a specifici atti motori, e questo è evidente dal fatto che si interagisce con gli oggetti quasi sempre allo stesso modo. La via visiva è divisa in 2 streams: lo stream ventrale che trasporta la informazioni che consentono la percezione degli stimoli, come la comprensione del mondo esterno. Lo stream dorsale trasporta invece le informazioni per il controllo dell'azione, per la programmazione motoria e per la rappresentazione dello spazio. I messaggi inviati dai neuroni visuo-motori di F5 sono esattamente gli stessi sia quando la scimmia interagisce con un determinato oggetto sia quando si limita ad osservarlo, solo che invece di generare un pattern motorio resta solo un atto potenziale. Gli atti potenziali creati determinano un senso dell'oggetto visto, dandogli una valenza significativa, i neuroni di F5 e di AIP (area intraparietale anteriore) reagiscono al significato, cioè comprendono. La prossimità spazio-visiva viene rilevata in area F4 già come contatto per anticipazione della zona del corpo che verrà toccata. In quest'ultima area, esperimenti di microstimolazione elettrica intracorticale e di registrazione, hanno evidenziato come in F4 siano rappresentati movimenti del collo, della bocca e del braccio, questi ultimi rivolti sia a parti del corpo sia a determinate posizioni nello spazio. Inoltre è emerso che la maggior parte dei neuroni si attiva non solo durante l'esecuzione di atti motori, ma risponde anche a stimoli sensoriali. Questo ha permesso di suddividere questi ultimi neuroni in due gruppi: neuroni somatosensoriali e neuroni somatosensoriali e visivi, detti anche neuroni bimodali. Ultimamente sono stati descritti anche neuroni trimodali, in grado cioè di rispondere a stimoli somatosensoriali, visivi e uditivi. I neuroni bimodali hanno caratteristiche somatosensoriali analoghe a quelle dei neuroni somatosensoriali puri, essi però sono attivati anche da stimoli visivi. I neuroni bimodali dell'area F4 rispondono però allo stimolo visivo solo se esso è presentato nelle vicinanze del loro campo recettivo tattile, cioè dentro il loro campo recettivo visivo e somatosensoriale. Infatti lo stesso neurone scarica sia quando, per esempio, si sfiora l'avambraccio di una scimmia, sia quando la mano si avvicina all'avambraccio entrando nel suo campo recettivo visivo (2). Grazie a questo meccanismo di anticipazione il corpo può definire lo spazio che lo circonda, localizzando le proprie parti corporee (braccio, bocca, collo, ecc.) e gli oggetti visivamente prossimi. Il campo recettivo visivo del neurone bimodale dell'area F4 non dipende dalla posizione dello stimolo sulla retina, ma i campi recettivi visivi sono vincolati ai loro campi somatosensoriali, codificano gli stimoli in coordinate somatiche. 1.2 I neuroni specchio nella scimmia. I neuroni visivi dell'area F5 nei macachi hanno una congruenza tra le loro proprietà motorie e la loro selettività visiva, e svolgono un ruolo fondamentale nella trasformazione dell'informazione visiva relativa ad un oggetto negli atti motori necessari per interagire con esso, fondamentali, per la riuscita di questo meccanismo, sono i neuroni specchio. I neuroni specchio: neuroni nella convessità corticale di F5 che rispondono sia quando la scimmia effettua una determinata azione sia quando osserva un altro individuo svolgere un azione simile e anch'essi si attivano selettivamente durantespecifici atti motori (figura 2). FIGURA 2.

7 7 di 50 12/05/ :36 Figura 2. Esempio di attivazione dei neuroni specchio dell'area F5 del macaco: (A) durante l'osservazione di un movimento di presa eseguito dallo sperimentatore e (B) durante la presa eseguita dalla scimmia. La freccia indica l'inizio del movimento. Sei prove sono state eseguite per entrambe le condizioni. (Gallese et al. 1996, Rizzolatti et al. 1996a). A livello visivo la loro attivazione è legata all'osservazione di determinati atti motori che comportano un'interazione effettore (mano o bocca)-oggetto. La maggior parte dei neuroni mirror risponde all'osservazione di un solo determinato atto (es. afferrare), altri però scaricano durante l'osservazione di due o tre atti motori. C'è inoltre congruenza tra l'atto motorio codificato dal neurone e l'atto motorio osservato che è efficace nell'attivarlo. La congruenza può essere in senso stretto o in senso lato: 1- congruenza in senso stretto: quando un neurone mostra un'esatta corrispondenza tra azione osservata e azione eseguita. 2- congruenza in senso lato (70% dei neuroni specchio): gli atti codificati dal neurone in termini visivi e motori sono chiaramente connessi, pur non essendidentici e il loro legame può presentare livelli diversi di generalità. Alcuni neuroni rispondono a un solo atto motorio, altri a due, alcuni codificano un solo atto motorio eseguito e osservato, ma con differente selettività (es: risponde a due atti visivi e a uno solo motorio dei due). Altri ancora codificano visivamente un azione e si attivano durante l'esecuzione di un altra logicamente connessa alla prima. Il comportamento dei neuroni mirror probabilmente è una conseguenza dell'organizzazione a catena degli atti motori. Nella regione dorsale di F5 della corteccia dei macachi, i neuroni specchio si attivano su movimenti della mano, mentre nella regione ventrale di F5, si attivano per i movimenti della bocca. L' 85% dei mirror che risponde alla vista di atti come afferrare cibo con la bocca, masticarlo o succhiarlo

8 8 di 50 12/05/ :36 (neuroni ingestivi), dal punto di vista funzionale sono simili ai neuroni specchio collegati alla mano, infatti scaricano solo se c'è interazione effettore-oggetto, ma la maggior parte di essi è selettiva per un solo atto. Diverso il discorso per i neuroni specchio che rispondono all'osservazione di atti compiuti dalla bocca per comunicare (neuroni comunicativi), infatti essi rispondono a atti intransitivi e non c'è quindi congruenza tra risposta visiva e motoria. In generale, gli input sensoriali arrivano dalla parte anteriore del solco temporale superiore (STS) della scimmia, dove vi sono neuroni che rispondono selettivamente all'osservazione di molti atti motori e non scaricano in movimenti intransitivi, ma questi neuroni sono solo visivi e non si attivano durante movimenti compiuti dall'animale, quindi non sono neuroni visuo-motori. L'informazione dal STS non proietta direttamente su F5 ma con il lobo parietale inferiore (aree PF-PFG di von Economo corrispondenti all'area 39 e 40 di Brodmann) e meno con settori del lobo prefrontale. Infatti i neuroni del complesso PF-PFG rispondono a stimoli sensoriali e molti di essi si attivano anche durante movimenti volontari della mano e della bocca o con entrambe (neuroni specchio parietali), essi non scaricano in gesti intransitivi e il 50% risponde a un solo atto, il restante a due, inoltre la maggior parte sono congruenti in senso lato. 1.3 Ruolo funzionale dei neuroni specchio. I neuroni specchio generano una rappresentazione motoria interna dell'atto osservato, dalla quale dipenderebbe la possibilità di apprendere via imitazione. Sono alla base del riconoscimento e della comprensione del significato degli eventi motori, ossia degli atti degli altri. Hanno la capacità di riconoscere negli eventi motori osservati un determinato tipo d'atto, caratterizzato da una specifica modalità di interazione con gli oggetti, i movimenti assumono significato per chi osserva in base al vocabolario d'atti di cui egli dispone. In virtù delle loro proprietà visuo-motorie i neuroni specchio sono in grado di coordinare l'informazione visiva con la conoscenza motoria dell'osservatore, essi codificano tipo, modi, tempi di realizzazione e anche l'esecuzione. Si attivano inoltre durante l'osservazione nello stesso modo sia se l'azione è portata a termine sia se la stessa azione è solamente iniziata ma non conclusa, questo grazie alla rappresentazione motoria interna (atto motorio potenziale), che consente di integrare la parte mancante, riconoscendo nella sequenza parziale dei movimenti visto il significato complessivo di un'azione. L'attivazione dei neuroni specchio riflette il significato dell'azione osservata. I neuroni specchio bimodali (neuroni audio-visivi), si attivano sia quando la scimmia osserva compiere un azione che produce rumore, sia quando ascolta il rumore prodotto da tale azione senza però vederla, è una forma di comprensione implicita e pragmatica vincolata alle azioni potenziali, quindi il possesso da parte di un soggetto del significato dei propri atti e la conoscenza motoria che deriva dalle possibili conseguenze dell'atto stesso, gli consente una comprensione immediata. E' fondamentale per capire i singoli atti motori (afferrare, tenere,..) ma anche la loro eventuale concatenazione in azioni complesse (afferrare cibo per portarlo alla bocca) e si attivano in maniera differente in base alla situazione eseguita anche se simile. I neuroni specchio parietali sono in grado di codificare il significato intenzionale dell'azione durante la sua esecuzione sin dal primo movimento compiuto, infatti si attivano per esempio già quando la mano prefigura la prensione di un qualcosa, quindi gli atti motori sono organizzati in catene motorie. Consentono quindi di capire la dinamica intenzionale del gesto, anticipando l'esito cui corrispondono i movimenti iniziali del soggetto osservato Fondamentale per il riconoscimento dell'intenzione è il contesto in cui l'azione avviene. La conoscenza motoria consente di riconoscere il significato quando gli atti son eseguiti isolatamente e anche quando fanno parte di sequenze complesse. Se le azioni osservate sono ambigue, si attivano più atti motori potenziali, concatenati fra loro, che

9 9 di 50 12/05/ :36 consentono di decifrare le intenzione del soggetto osservato mentre svolge l'azione e di scegliere, via via che l'azione procede, l'atto motorio più idoneo. 1.4 I neuroni specchio nell'uomo. I neuroni specchio nell'uomo sono una specifica classe di neuroni visuo-motori. Essi hanno un ruolo fondamentale per quanto riguarda l'imitazione, lo sviluppo del linguaggio, nella comprensione delle azioni, nella comprensione di emozioni e nel comportamento sociale. Il sistema dei neuroni specchio si è sviluppato sulla base delle caratteristiche intrinseche del sistema motorio per capire e prevedere le azione eseguite da altri. I neuroni mirror si attivano durante una specifica azione motoria ma anche durante l'osservazione della stessa azione motoria eseguita da altri soggetti (figura 3). FIGURA 3. Attivazione del sistema dei neuroni mirror (MNS) frontale e parietale durante l osservazione di un gesto. Sopra due immagini apparentemente simili, ma in due contesti differenti: a sinistra un As di un uomo intento ad apparecchiare, a destra l'as dello stesso uomo intento a sparecchiare, come citazione al fatto che i neuroni specchio consentono di individuare lo scopo del gesto motorio del soggetto che osserviamo, in base al contesto nel quale viene eseguito. Immagine estratta da: S. FILONI, V. SIMONE, A. RUSSO, M. P. LO MUZIO, G. CASSATELLA, A. MINERVA, L. DE PALMA, A. SANTAMATO, P. FIORE(2008) Utilizzo della motor imagery e della motor observation nella riabilitazione post-ictus Fig. 1 Pag. 2 EUROPAMEDICOPHYSICA. Nel passato la scoperta dei neuroni specchio nella scimmia ha suggerito l'idea che un sistema neurale simile possa essere presente anche nell'uomo. Infatti già a metà del 900', mediante l'utilizzo dell'elettroencefalografia (EEG), ci sono state delle evidenze a favore dell'esistenza nell'uomo di un meccanismo specchio, studiando la reattività dei ritmi celebrali durante l'osservazione del movimento. L'EEG consente di rilevare le variazioni dell'attività elettrica spontanea del cervello e di classificare i ritmi in base alla frequenze d'onda. Nei soggetti adulti infatti, a riposo ed a occhi chiusi prevale il ritmo? nelle regioni posteriori del cervello

10 10 di 50 12/05/ :36 e ritmi ad alta frequenza nel lobo frontale. Il ritmo? invece, ritmo simile a quello?, si trova nelle area centrali del cervello. Il ritmo? prevale quando il sistema visivo è inattivo, mentre il ritmo?, è attivo quando il sistema motorio è in condizioni di riposo. Da un esperimento del 1954 di Henri Gastaut e coll., era emerso che la vista di azioni compiute da altri individui causava un arresto del ritmo? nei soggetti che osservavano. Attraverso la MEG ( magnetoencefalografia) si è evidenziato che nella corteccia pre-centrale dell'uomo vi sia una desincronizzazione dei ritmi? sia durante la manipolazione di un oggetto sia durante l'osservazione dello stesso eseguito da un altro individuo. Attraverso la TMS (stimolazione magnetica transcranica) invece si sono registrati i MEP (motor evoked potentials) nella corteccia sx rappresentanti vari muscoli della mano e del braccio dx su soggetti che osservavano un altro soggetto mentre afferrava oggetti con la mano o compiva gesti insignificanti. In entrambi i casi i MEP aumentavano sia per gesti transitivi che intransitivi (diversamente dalla scimmia), inoltre i neuroni specchio nell'uomo oltre che lo scopo dell'atto, codificano gli aspetti temporali dei singoli movimenti che lo compongono, cioè la corteccia motoria riproduce fedelmente il decorso temporale dei vari movimenti osservati. Per localizzare le aree corticali e i circuiti neurali dei neuroni specchio, si è utilizzato la PET (positron emission tomographt) e la fmri (funcional magnetic resonance imaging) e nei primi studi si è scoperto che i neuroni specchio sono situati nelle aree frontali. Più precisamente la porzione rostrale (anteriore) del lobo parietale inferiore, il settore inferiore del giro precentrale e nel settore posteriore del giro frontale inferiore. In alcune situazioni si attiva anche la regione anteriore del giro frontale inferiore e la corteccia premotoria dorsale. Mentre la regione attivata nel lobo parietale inferiore corrisponde all'area 40 di Brodman, nel giro frontale inferiore corrispondente all'area 44 di Brodman, cioè la parte posteriore dell'area di Broca che è considerata a livello di anatomia comparata all'area F5 delle scimmie. Buccino scoprì successivamente che il sistema dei neuroni specchio ha un'organizzazione somatotopica, con aree corticali dedicate ad azioni compiute con la mano (figura 4), con la bocca e con il piede ed inoltre che il sistema dei neuroni specchio è situato oltre che nell'area di Broca, anche in parti della corteccia pre-motoria e del lobo parietale inferiore(figura 5b). FIGURA 4.

11 11 di 50 12/05/ :36 Le aree parieto-frontali del sist. Mirror nell'uomo. Le aree gialle sono le aree che si attivano durante l'osservazione e l'esecuzione di azione con la mano. Rizzolatti G and Fabbri-Destro M (2008) Curr Opin Neurobiol 18: FIGURA 5. Localizzazione del sistema dei neuroni mirror nelle scimmie (A) e nell'uomo (B). From Rizzolatti, G., & Arbib, M.A. (1998). Language within our grasp. Trends in Neurosciences, 21(5), Nell'uomo inoltre, per quanta riguarda i mirror, sono presenti sistemi di risonanza, con differenze rispetto a quello delle scimmie e in aggiunta il sistema dei neuroni specchio umano si attiva anche per atti mimati. Più esteso dunque il sistema dei neuroni specchio nell'uomo rispetto alla scimmia, infatti codifica atti motori sia transitivi che intransitivi, seleziona il tipo d'atto, la sequenza dei movimenti che lo compongono e si attiva anche se l'azione è semplicemente mimata. Il ruolo primario resta comunque: la comprensione del significato delle azioni altrui. Esperimenti condotti con l'utilizzo della TMS hanno dimostrato che la vista di atti compiuti con la mano, da parte di altri individui, comporta l'aumento dei potenziali motori evocati registrati negli stessi muscoli della mano usati dal soggetto osservato per compiere quell'atto. L'osservazione di atti motori, determina quindi, nell'osservatore, un immediato coinvolgimento delle aree motorie deputate all'organizzazione e all'esecuzione di quegli atti. Tale coinvolgimento consente di decifrare il significato dei gesti motori osservati, cioè di comprenderli, senza riflessione, essendo una comprensione basata unicamente su un vocabolario d'atti e sulla

12 12 di 50 12/05/ :36 conoscenza motoria, consentendo di comprendere non solo singoli atti, ma intere catene d'atti. In base all'esperimento di Iacoboni e colleghi(3), si è asserito che nel caso delle condizioni azione e intenzione c'è aumento di attività nelle aree visive e parieto-frontali legati alla codificazione di atti motori, mentre nel caso del contesto non erano attivate, ma erano attivati i neuroni canonici. Inoltre nella condizione intenzione vi è una attivazione maggiore della porzione dorsale del settore posteriore del giro frontale inferiore ed è localizzata nel centro del sistema specchio frontale. Tutto questo starebbe ad indicare che il sistema dei neuroni mirror è capace di codificare anche l'intenzione con cui l'atto è compiuto perchè l'osservatore, mentre osserva, anticipa i possibili atti successivi ai quali l'atto è legato, inoltre si è scoperto che molti più neuroni codificano per esempio l'afferrare per portare alla bocca, rispetto all'afferrare per mettere in un contenitore. Quindi non appena vediamo qualcuno compiere un atto, i suoi movimenti acquistano immediatamente per noi un significato. Un ruolo decisivo per la comprensione delle azioni altrui è dato dalla conoscenza motoria dell'atto, infatti i neuroni specchio si attivano maggiormente su azioni che conosciamo e che rientrano nel nostro bagaglio di esperienze. Ma cosa implica l'imitazione? Quando l'azione osservata e quella eseguita condividono il medesimo codice neurale, ciò rappresenta il prerequisito dell'imitazione. Cioè imitazione si configura come forma di compatibilità ideomotoria: più un atto percepito assomiglia a uno già presente nel bagaglio motorio di chi osserva più è facile riprodurlo e più tende ad indurne l'esecuzione; percezione ed esecuzione delle azioni debbono possedere uno schema rappresentazionale comune. Grazie ai neuroni specchio lo schema rappresentazionale comune non andrebbe considerato come uno schema astratto, ma come un meccanismo di trasformazione diretto delle informazioni visive in atti motori potenziali. Un esperimento di Iacoboni e coll.(4-5) con l'utilizzo della brain imaging, ha evidenziato che nel caso dell'imitazione c'è un attivazione della parte posteriore del giro frontale inferiore di sx (polo frontale del sistema specchio), e della regione del solco temporale superiore dx (STS) maggiormente durante l'esecuzione di atti motori non imitativi. Questo fa notare un chiaro coinvolgimento dei neuroni mirror nell'imitazione di atti già presenti nel patrimonio dell'osservatore, suggerendo una traduzione motoria immediata dell'azione osservata. Per capire meglio la funzione dei neuroni specchio è stata usata la TMS ripetitiva; ad un gruppo di soggetti è stata stimolata l'area di Broca mentre premevano dei tasti o imitavano il gesto di un altro individuo. Si è notato che la TMS ripetitiva riduceva la performance durante l'imitazione ma non durante l'esecuzione del compito visuo-motorio. Sempre nell'esperimento di Iacoboni si è notato che, nel caso dell'osservazione, l'attivazione maggiore era causata dai movimenti della mano dello sperimentatore anatomicamente corrispondente a quella usata dai soggetti; durante l'imitazione invece l'attivazione maggiore era determinata dai movimenti della mano dello sperimentatore spazialmente corrispondente a quella usata dai soggetti per imitare. Per apprendere nuovi gesti motori il processo via imitazione (figura 6) è suddiviso in due fasi: il primo consente di segmentare l'azione, il secondo unisce gli atti motori codificati nella sequenza più idonea. La trasformazione dell'informazione visiva nell'opportuna risposta motoria avviene nel lobo frontale del sistema dei neuroni specchio, il tutto coordinato a livello dell'area 46, responsabile della ricombinazione dei singoli atti motori e della definizione di un nuovo pattern d'azione. Quest'area ha il compito di inibire l'imitazione ma nei casi utili anche di facilitarla.

13 13 di 50 12/05/ :36 FIGURA 6. Circuito dell'imitazione. Vista schematica del sistema fronto-parietale dei neuroni mirror (MNS) (area rossa) e del principale input visivo (giallo) nel cervello dell'uomo. L'area anteriore con proprietà mirror è localizzata nella corteccia frontale inferiore, che comprende il giro frontale postero-inferiore (IFG) e l'adiacente corteccia premotoria ventrale (PMC). L'area posteriore con proprietà del sistema dei neuroni specchio è situata nella parte rostrale del lobulo parietale inferiore (IPL) e può essere considerata l'omologo umano dell'area PF/PFG nel macaco. L'input visivo principale che va all'mns origina dal settore posteriore del solco temporale superiore. L'insieme di queste tre aree forma il cuore del circuito dell'imitazione. Lo stimolo visivo che va dall'sts all'mns è rappresentato dalla freccia arancione. La freccia rossa rappresenta l'informazione che va del MNS che interessa maggiormente la descrizione motoria dell'azione, all'mns che interessa maggiormente l'obiettivo dell'azione. La freccia nera rappresenta la copia efferente del comando motorio imitativo che ritorna all'sts per permettere l'incontro tra la previsione sensoriale dell'imitazione del progetto motorio e la descrizione visiva dell'azione osservata. 1.5 Riflessioni e recenti spunti riguardanti il sistema dei neuroni mirror Ragionamenti e nuove scoperte. Dalla partecipazione al seminario Neuroni specchio e intervento riabilitativo sguardo e gesto, verso il linguaggio (6) si evince che il sistema dei neuroni specchio corrisponde alle stesse aree sintattiche e semantiche del linguaggio e il linguaggio è strettamente collegato all'azione, infatti all'interno dell'area di Broca si attivano neuroni per la produzione e comprensione di attività motorie. Inoltre come già noto è stata verificata un analogia o addirittura un omologia nell'organizzazione della corteccia pre-motoria nell'uomo e nel macaco. I neuroni mirror sono neuroni pre-motori, che si attivano per atti motori finalizzati sia in esecuzione che nell'osservazione dell'atto stesso, sono situati nelle cortecce pre-motorie e parietale, scaricano quindi per movimenti corporei riguardanti azioni su oggetti o in ambito comunicativo, ma anche riguardo emozioni e sensazioni, riuscendo a produrre delle rappresentazioni create dal contenuto della nostra relazione

14 14 di 50 12/05/ :36 pragmatica con il mondo. Da uno studio condotto da Fadiga con l'utilizzo della TMS, si è verificato che i muscoli della mano del soggetto che osserva sono facilitati dal fatto che esso guardi la mano di un altro soggetto compiere lo stesso gesto. Un altro esperimento simile ha dimostrato che siamo facilitati anche dall'attivazione dei muscoli della bocca quando osserviamo una persona parlare. Inoltre gli stessi neuroni mirror che si attivano mentre osserviamo o eseguiamo una determinata azione, si attivano anche quando leggiamo la descrizione dello stesso atto motorio. Infatti in base al gesto motorio che viene letto si attivano aree celebrali differenti e se si legge o si osserva la stessa azione le aree celebrali di attivazione sono sempre le stesse. A conferma della stretta connessione fra il sistema dei neuroni specchio e l'area di Broca, si è evidenziato, attraverso uno studio, che i pz. afasici hanno grosse difficoltà a costruire la sequenza motoria temporale dell'atto motorio, compito svolto appunto dai neuroni specchio. Dall'osservazione invece di un video rappresentante due bambini, con problemi di gravità diversa di autismo, si nota che una bambina è in grado di cogliere il significato di un'azione non agganciandolo al significato comune dell'oggetto, ma all obiettivo dell'azione (la bambina imita l'azione di bere indipendentemente che l'azione osservata o eseguita venga fatta con il bicchiere o un altro strumento), mentre l'altro bambino con deficit maggiori, capisce lo scopo dell'azione solo se legato a quel determinato oggetto. Questo evidenzia che i bambini con sviluppo normale riescono a capire lo scopo dell'azione a prescindere dall'oggetto, cioè dall'atto motorio o dal tipo di presa capiscono cosa il soggetto ha in mente (per es. se prendere il bicchiere o se spingerlo via), mentre un bambino con disturbi autistici è legato strettamente all'oggetto per la comprensione del gesto (bicchiere = bere, telefono = chiamare). Il sistema dei neuroni specchio ha quindi una grande capacità di generalizzazione, cioè ci consente di comprendere lo scopo, al di là del contesto abituale. Il meccanismo di risonanza motoria grazie al quale una persona si immedesima nell azione altrui è comunque più facilitato, maggiore è la familiarità con il gesto osservato. In aggiunta lo stimolo visivo dato dall'osservare un altro soggetto eseguire un gesto motorio che si è inibiti a compiere, facilita l'esecuzione del gesto stesso per imitazione, simmetria dell'imitazione. Recentemente si sono scoperte nuove proprietà dei neuroni mirror. In un lavoro condotto su macachi (figura 7), dove veniva analizzato un singolo neurone della corteccia pre-motoria, si è evidenziato che il neurone rispondeva sia se la scimmia osservava che se eseguiva la stessa azione, anche se la stessa era eseguita al buio. Questo convalida il fatto che l'attivazione del sistema dei neuroni specchio corrisponde ad un atto motorio e non esclusivamente ad un atto visivo. Il sistema mirror della scimmia stessa però non rispondeva se la stessa azione osservata veniva eseguita dal soggetto con uno strumento sconosciuto per il primate (presa cibo con strumento che non conosce, cioè una pinza). Man mano però che si ripeteva il gesto con lo strumento sconosciuto, alcuni neuroni si incominciano ad attivare.

15 15 di 50 12/05/ :36 Fig.7 Risposta visiva e motoria di un neurone mirror. A, lo sperimentatore prende un pezzo di cibo con la sua mano e lo muove verso la scimmia che a sua volta poi la prende in mano. Il neurone scarica durante l'osservazione della presa, e cessa di scaricare quando il cibo viene mosso e riscarica di nuovo quando la scimmia la raccoglie. B, lo sperimentatore prende il cibo con uno strumento sconosciuto. Susseguente sequenza di eventi come nell'esperimento A. La risposta neuronale durante l'osservazione dell'azione è assente. C, la scimmia raccoglie il cibo al buio. In A e in B il raster è allineato con il momento in cui il cibo è raccolto dallo sperimentatore (linea verticale dalla parte opposta del raster). Nel C l'allineamento è quasi approssimato all'inizio del movimento di presa. Da G. Rizzolatti et al. / Cognitice Brain Research 3 (1996) FIGURA 7. L'ipotesi che ne deriva è che i mirror mappino esclusivamente lo scopo? Per vedere ciò, viene insegnato successivamente alla scimmia, l'esecuzione dello stesso atto motorio svolto con la pinza, ma con una presa inversa dello stesso strumento, cioè se la scimmia doveva chiudere la pinza per afferrare doveva estendere le dita. Questo viene fatto per vedere se il neurone mappa lo scopo o semplicemente l'atto motorio, dato che per chiudere la pinza doveva attivare i muscoli estensori delle dita, mentre nell'uso comune della pinza per chiuderla si dovrebbero attivare i m. flessori delle dita, come in effetti nell'osservazione precedente avveniva. Il risultato è che lo stesso neurone scarica sia quando prende l'oggetto con la mano o osserva farlo, ma anche quando utilizza lo strumento con presa inversa sia se loesegue sia se lo osserva eseguito da un altro.

16 16 di 50 12/05/ :36 Per il meccanismo dei n. specchio comunque la risposta motoria a livello neuronale è più intensa di quella visiva, cioè i neuroni mirror si attivano maggiormente durante l'atto motorio che durante l'osservazione dell'atto motorio stesso, questo consente al soggetto di comprendere se il gesto è fatto da lui o solo se è osservato, in aggiunta quando si esegue il gesto arrivano anche informazioni di tipo tattile e propriocettivo che aiutano a discriminare l'osservazione dall'esecuzione (RISONANZA MOTORIA). Successivamente il gesto già osservato in precedenza viene eseguito anche con un altro nuovo strumento (cacciavite). Generalmente gli specchio si attivano quando avviene il contatto con l'oggetto sia con la mano, che con altri strumenti più o meno idonei. La risposta del neurone è però più anticipata, rispetto al contatto con l'oggetto, più il gesto motorio osservato è famigliare, evidenziando una capacità predittiva dei neuroni mirror. Infatti l'anticipazione (figura 8) è maggiore quando il gesto è eseguito con la mano, un po' più tardiva con la pinza e assente con il cacciavite.. FIGURA 8 Illustrazione semplificata del sistema sensoriale anticipatorio durante l'esecuzione di un azione (frecce nere) o di un'azione osservata (frecce rosse). Durante l'esecuzione di un'azione, il sistema d'anticipazione (sensory forward model) riceve una copia (copia efferente) del comando motorio (motor command) e l'informazione sensoriale riguardante lo stato dell'effettore (initial state). Sulla base di questi due input, il modello di anticipazione sensoriale genera una previsione del gesto motorio in quell'istante di tempo. La stima è susseguentemente confrontata con l'afflusso sensoriale proveniente dall'ambiente (sensory inflow) in una comune struttura sensoriale di riferimento (common sensory reference frame). Nel caso di discrepanza fra questi due segnali,emerge un segnale d'errore. Quindi il sistema sensorimotorio rimappa il segnale d'errore per così poi poter correggere il comando motorio e generare un ulteriore previsione del gesto motorio (other's predicted motor command). Durante l'osservazione di un azione (freccia rossa), l'osservatore costruisce una previsione rispetto l'intenzione dell'azione motorie osservata basata sull'informazione visiva.

17 17 di 50 12/05/ :36 La previsione consente la comprensione dell'atto motorio compiuto dall'attore osservato. Questa anticipazione è confrontata con lo stimolo visivo percepito e in caso di una marcata differenza fra la previsione e il reale gesto motorio osservato avviene una correzione del segnale d'errore che corregge a sua volta la previsione dell'osservatore. Da Watching Others' Actions Mirror Representations in the Parietal Cortex -- Shmuelof and Zohary 13 (6) The Neuroscientist.mht Questo tipo di neuroni mappano quindi lo scopo dell'azione, non il perchè dell'azione (se ha fame...), cioè non consentono di capire il motivo che sta a monte per cui un soggetto compie quel determinato gesto, ma consentono la comprensione dello scopo e dell'intenzione motoria. Inoltre hanno una capacità di generalizzazione del programma motorio anche con modalità differenti, cioè prevedono e comprendono lo scopo dell'atto motorio in qualsiasi modo esso venga eseguito, sia se venga svolto in manualmente o con uno strumento o con uno strumento con presa invertita. Da un articolo uscito su SCIENCE nell'aprile 2009, lo studioso Tinker ha dimostrato su delle scimmie che i n. specchio hanno un effetto di modulazione della distanza fra osservatore e esecutore. Codificano cioè lo spazio che ci circonda su basi esclusivamente motorie. Alcuni neuroni infatti si attivano selettivamente per eseguire o osservare gesti nello spazio peri-personale (28%), altri per lo spazio extra-personale (27%) ed alcuni in entrambi i casi (50%). Ponendo uno schermo trasparente di plexiglas fra scimmia e oggetto, mentre l'esecutore va a raccogliere l'oggetto nello spazio peri-personale della scimmia, dato che la scimmia non è in grado di aiutare e collaborare con l'esecutore del gesto a causa della barriera, si è notato che i n. specchio che prima lavoravano come spazio peri-personale ora lavorano come se fossero nelle spazio extrapersonale, quindi una semplice barriera modula e inverte il segno della scarica di questi neuroni. Questo suggerisce che le modulazioni tengono conto sia della distanza che della qualità della relazione che intercorre fra osservatore ed esecutore. Abbiamo quindi ormai assodato che i n. specchio si attivano sia osservando che eseguendo, sono situati nel lobulo parietale inferiore, nel solco intraparietale, nella porzione ventrale dell'area 6, corteccia pre-motoria ventrale, area 44 e 45 e hanno anche una struttura somatotopica a livello corticale (mano, bocca, piede). Nell'uomo si attivano anche nella pantomima del gesto motorio e si attivano solo per lo scopo e non per le caratteristiche visive, infatti si attivano ugualmente per esempio se il gesto di presa è eseguito sia da un arto umano che da un arto robot. Per conferma uno studio del 2008 (7) ha preso la capacità di un soggetto di prevedere l'istante esatto del tocco con la mano di un oggetto durante il tentativo di presa. L'ipotesi è basata sul fatto che il sistema dei neuroni mirror è in grado di prevedere l'azione che si andrà ad eseguire, perchè lo stesso sistema mirror che è alla base della previsione nell'esecuzione di un proprio gesto è anche attivo durante l'osservazione. L'esperimento evidenzia che non solo l'osservazione di azioni, ma anche la sola osservazioni di oggetti attiva automaticamente il repertorio motorio di un soggetto. I soggetti utilizzati nel test, avevano il compito di osservare ed indicare l'istante in cui il dimostratore toccava l'oggetto e nelle stesse condizioni dovevano svolgere lo stesso compito ma percependo il tocco eseguito da un braccio meccanico con un movimento simile e costante. I risultati hanno dimostrato che nel caso del gesto eseguito dal robot i soggetti segnalavano il momento del tocco prima dell'istante del tocco reale, nel caso del gesto compiuto dall'umano i soggetti segnalavano il tocco dopo che lo stesso era avvenuto ma con tempi di reazione bassissimi. Questo dimostra che i soggetti sono capaci di predire il risultato delle azioni osservate. La capacità di previsione era maggiore durante l'osservazione di prese corrette, gli studiosi hanno interpretato il fatto come un indicazione del contributo sinergico di entrambi i neuroni, quelli canonici e quelli mirror, durante l'osservazione di azioni che mostrano l'approccio ad una presa di oggetti. I neuroni mirror hanno un ruolo principale nella comprensione delle azioni, ogni volta che un soggetto

18 18 di 50 12/05/ :36 osserva un altro individuo compiere un gesto, i neuroni che si trovano nella corteccia pre-motoria si attivano, e grazie alla rappresentazione motoria interna che si genera, corrispondente all'azione eseguita, l'osservatore comprende l'azione eseguita dall'altro. Quindi sulla base di vari esperimenti si è verificato che i neuroni specchio hanno la capacità di predire il risultato dell'azione osservata. In conclusione, negli umani, la capacità di prevedere l'istante in cui un soggetto osservato tocca un oggetto durante il tentativo di presa è possibile. Questa capacità dipende dalla congruenza tra l'azione osservata e la rappresentazione dell'azione motoria interna del soggetto che si attiva nell'osservatore attraverso la visione dell'oggetto. In base ad ulteriori studi è evidente anche il fatto che la rappresentazione motoria è facilitata se il soggetto osserva un'altro che compie il gesto e se c'è un raggiungimento di un goal, infatti se osserva il gesto che porta al raggiungimento di uno scopo, sia se il movimento è eseguito correttamente che in maniera invertita, il meccanismo dei n. specchio si attiva comunque correttamente facilitando i muscoli che eseguono il gesto motorio consueto, mentre se non c'è il gesto finalizzato la facilitazione muscolare segue l'atto motorio che viene osservato giusto o errato che sia. Quindi il processo di facilitazione è sensibile al goal osservato e non se è afinalistico. I neuroni mirror hanno una rappresentazione bilaterale (figura 9) a livello di corteccia e ciò può essere facilitante il recupero dei soggetti colpiti da ictus. FIGURA 9. L'analisi tramite l' fmri dell'attivazione nelle aree parietali rispetto all'osservazione di azioni compiute con la mano desta o la mano sinistra. Questa illustrazione delle aree corticali mostra l'aumento dei segnali registrati grazie alla fmri durante l'osservazione di azioni compiute con la mano controlaterale o omolaterale rispetto ad entrambi gli emisferi celebrali. Le regioni colorate di arancione nell'emisfero di destra sono maggiormente attivate durante l'osservazione di azioni eseguite con la mano sinistra rispetto che con la mano destra. Nell'emisfero sinistra le aree arancioni sono anche qui maggiormente attive per l'osservazione di azioni con la mano controlaterale. Si evidenziano comunque scariche neuronali in entrambi gli emisferi per azioni compiute sia con la mano destra che con quella sinistra. Da L. Shmuelof1, E. Zohary (2008) Mirror-image representation of action in the anterior parietal cortex NATURE NEUROSCIENCE VOLUME 11,NUMBER 11,NOVEMBER In soggetti privi geneticamente di AS, dove le mani vengono funzionalmente sostitute dai piedi, si è notato che le stesse aree dei neuroni specchio che si attivano durante l'osservazione di gesti eseguiti con il piede o con la bocca, si attivano anche osservando gesti compiuti con la mano. In un ulteriore studio si è dimostrato che le aree del sistema dei neuroni specchio si attivano anche con il suono, cioè le stesse regioni della corteccia si attivano sia durante l'osservazione del gesto motorio che tramite il suono che appartiene a quel specifico gesto motorio (es: fruscio di un sacchetto di biscotti,

19 19 di 50 12/05/ :36 aprire una cerniera, strappare carta...). Un altro studio ha messo a confronto soggetti non vedenti con soggetti normovedenti, dove entrambi dovevano ascoltare i suoni prodotti da gesti motori. Il risultato è che le regioni motorie dei n. specchio dell'area pre-motoria e parietale inferiore si attivavano in entrambe le categorie di persone, in maniera minore però nelle persone non vedenti. Questo porta a dimostrare che l'attivazione del sistema mirror non è correlato ad una immagine visiva ma ad un'immagine di tipo motorio. Inoltre un'ulteriore test a dimostrato che i n. specchio sono responsabili del contagio dello sbadiglio, che non è altro che un gesto motorio che attiva un meccanismo di rispecchiamento motorio Ipotesi sull'evoluzione del meccanismo di rispecchiamento. Quando e come parte nell'uomo il meccanismo di rispecchiamento dei neuroni mirror? Ci sono due ipotesi. La prima ipotesi, proposta dal prof. Kendel nel 2004, dice che avviene un apprendimento per associazione, cioè apprendo mentre ascolto e osservo il gesto motorio. Quindi il sistema dei n. specchio si evolve ogni volta che i soggetti si guardano compiere un azione o quando sono imitati dagli altri, quindi è il risultato di un interazione sociale che avviene nello sviluppo. Una seconda ipotesi, promossa del prof. V. Gallese, parte del presupposto che: i mirror si attivano anche per azioni complesse (saltare, correre,..) e anche se lo stimolo visivo è povero (per es. se vediamo solo un contorno di puntini di una figura umana): noi riusciamo ad identificare cosa fa l'uomo osservato, se per esempio è un uomo o una donna oppure riconosciamo addirittura se siamo noi stessi quella persona raffigurata, anche se in realtà non osserviamo mai noi stessi mentre compiamo i gesti motori (fare scale, camminare,..). L'ipotesi, basata su dati ricavati dall'ecg multicanale, è che già alla 22 settimana di gestazione il sistema motorio è già capace di coordinare il movimento manobocca, con una cinematica identica a quella dell'essere umano adulto, con addirittura il gesto anticipatorio di apertura della bocca che riceve la mano. Quindi i centri motori hanno già in questa fase delle capacità coordinativa e organizzativa. L'ipotesi è che già in fase pre-natale si possono creare connessioni fra centri motori e visivi e quando i centri visivi saranno realmente attivati da input visivi, saranno già in grado parzialmente di riconoscere, imitare e osservare gli altri. Questa ipotesi più suggestiva non è stata ancora accettata o rifiutata sulla base di dati scientifici. Per la verifica di questa ipotesi, ci si aspetta che dall'osservazione di un gruppo di bambini, dove i bambini stessi eseguono gesti senza feedback visivo, come il succhiare un ciuccio, si prevede di riscontrare un attivazione non solo delle regioni motorie, ma anche delle regioni occipitali deputate alla vista. 2. IL SISTEMA DEI NEURONI SPECCHIO E IL LORO RUOLO NELLA RIABILITAZIONE. 2.1 I neuroni specchio in funzione alla neuroriabilitazione Neuroni mirror e gli studi correlati. I neuroni specchio, come già detto, sono attivi negli umani nei movimenti compiuti con le mani, bocca e piedi, inoltre svolgono uno ruolo fondamentale nella comprensione e nell'imitazione dei gesti motori osservati. Questi neuroni sono chiamati mirror neurons perchè osservando le azioni motorie di altri soggetti, esse sono riflesse, come in uno specchio. Nelle scimmie questi neuroni si attivano solo quando viene compiuto un gesto motorio che consente l'interazione con un oggetto, altrimenti i neuroni non scaricano, mentre nell'uomo si attivano neanche se

20 20 di 50 12/05/ :36 l'azione è mimata o eseguita in assenza dell'oggetto. Il sistema dei neuroni mirror gioca un ruolo fondamentale nel riconoscimento dei gesti motori e nell'apprendimento dei gesti motori stessi. Essi infatti si attivano anche se l'azione è solamente iniziata e non portata a termine, proprio perchè sono in grado di riconoscere il gesto motorio e prevedere le sue conseguenze e come sarà portato a termine. Il sistema dei neuroni specchio esiste anche negli esseri umani. Fadiga e colleghi(8) mediante l'utilizzo della TMS e calcolando i MEP di vari muscoli della mano, hanno dimostrato che osservando azioni compiute con la mano da un altro soggetto, ci sono aumenti della MEPs proprio in quei muscoli responsabili del gesto motorio osservato. Il sistema dei neuroni specchio è associato all'esecuzione e all'osservazione di atti motori sia per quando riguarda i muscoli coinvolti sia, come evidenziato dello studio di Gangitano nel 2000 (9), nella corretta sequenza temporale di attivazionedegli stessi. Le aree del cervello che si attivano durante l'osservazione (10) di gesti motori della mano sono l'area di Broca del giro frontale inferiore, il giro temporale mediale e il solco temporale superiore (STS). L'area di Broca classicamente considerata una delle aree del linguaggio ha invece anche delle competenze riguardanti la rappresentazione mentale di movimenti della mano. Uno studio di Buccino (11) tramite la fmri ha dimostrato che il sistema dei neuroni mirror negli umani non si attiva solo per azioni compiute con la mano, ma anche con il piede e con la bocca. Inoltre hanno portato alla luce il fatto che l'osservazione di azioni transitive o mimate portano all'attivazione di regioni differenti della corteccia pre-motoria e dell'area di Broca, evidenziando così un organizzazione somatotopica delle rappresentazioni motorie. L'imitazione di atti motori implica precedentemente l'osservazione motoria, l'immagine motoria e successivamente l'esecuzione del movimento. Usando l'fmri, Iacoboni e coll. (12), hanno notato che l'attivazione del sistema dei neuroni specchio è maggiormente attivato durante l'imitazione nel giro frontale inferiore sinistro (IFG), nella regione parietale anteriore destra, nell'opercolo parietale destro e nella regione STS destra. Questo conferma il ruolo fondamentale dell'area di Broca nell'imitazione di azioni, soprattutto quando l'azione è focalizzata ad un obiettivo specifico. Sulla base di un esperimento di Buccino (13),dove si testava l'apprendimento durante l'osservazione di gesti nuovi, si è notato che i substrati neuronali responsabili dell'elaborazione dei nuovi patterns motori, coincidono prevalentemente con i centri del sistema dei neuroni mirror. E' probabile che durante l'acquisizione dei nuovi atti motori tramite l'imitazione, le azioni osservate sono scomposte in semplici singoli atti motori che attivano, mediante il meccanismo dei neuroni specchio, la corrispondente rappresentazione motoria nel lobo parietale inferiore e nell'opercolo del IFG. Una volta che la rappresentazione motoria è stata attivata viene ricombinata per fissare così il gesto motorio. La ricombinazione avviene all'interno del sistema dei neuroni specchio, dove l'area 46 svolge un ruolo fondamentale nell'organizzazione del tutto. L'imitazione motoria necessita dell'immagine motoria, cioè la rappresentazione mentale di semplici o complessi atti motori senza l'ausilio di alcun movimento corporeo. L'immagine motoria può sfruttare circuiti visivi e/o motori e svolge un ruolo fondamentale nello sviluppo delle abilità motorie e può essere usata nei pz. con paralisi. L'immagine motoria può essere eseguita o creando una rappresentazione mentale del movimento, osservando però in terza persona il gesto eseguito da un altro soggetto (VI virtual imagery), oppure simulare mentalmente il movimento associandolo con la sensazione chinestesica del movimento come se il movimento lo stesso facendo lui stesso (KI kinetic imagery). Studi hanno dimostrato che molte aree tra cui le aree responsabili del sistema mirror, sono attivate durante i compiti di immagine motoria.

21 21 di 50 12/05/ :36 Un esperimento di Buccino e Rizzolatti del 2005(14) ha proposto a 23 soggetti che osservassero 3 tipi di stimoli: 1- azioni di prese manuali senza un contesto, 2- solo il contesto (scene dove erano posti degli oggetti), 3- azioni di prese manuali in differenti contesti, in quest'ultima rappresentazione l'intenzione era associata con azioni di presa (o bere o pulire). Si è notato che l'area pre-motoria dei neuroni mirror, l'area che si attiva durante l'esecuzione e l'osservazione di azioni, è coinvolta non solo in azioni di riconoscimento ma anche per comprendere le intenzioni dell'azione di altri soggetti. Per capire un intenzione bisogna dedurre un imminente obiettivo e questa è un operazione che il sistema motorio fa automaticamente. Si è poi ipotizzato che il sistema dei neuroni mirror produca un meccanismo neuronale che consente di capire le intenzioni delle altre persone. Quindi i neuroni mirror attivano un meccanismo di riconoscimento delle azioni motorie osservate, facendo ricordare una categoria percettiva. Per esempio alcuni neuroni mirror non differenziano stimoli provenienti dalla stessa categoria, come per esempio diversi tipi di presa, ma discriminano bene azioni provenienti da categorie differenti. Il riconoscimento di una azione prevede il riconoscimento dell'obiettivo del gesto motorio e la comprensione dell'intenzione del soggetto che esegue l'azione. Il problema è capire se il sistema mirror gioca un ruolo centrale nella codificazione delle intenzione globali del soggetto che compie il gesto motorio. I neuroni specchio identificano il perchè uno compie quell'azione e un importante indizio viene dato dal contesto. Quindi il sistema dei neuroni specchio non consente solo un meccanismo di comprensione dell'azione motoria ma attiva un meccanismo che codifica le intenzioni degli altri. Dall'esperimento si è notato un aumento dell'attività neuronale nelle aree occipitali, temporali posteriori, parietali e frontali (soprattutto nella corteccia premotoria), durante l'osservazione di azioni e intenzioni (figura 10). L'osservazione dei video relativi solo al contesto attiva più o meno le stesse aree (figura 10), ad eccezione del solco temporale superiore (STS), perchè non c'è nessuna attività di presa, e del lobo parietale inferiore perchè non c'è l'azione nel contesto. L'osservazione dell'intenzione (figura 10 e 11) mostra un evidente aumento della attività neuronale nelle aree visive, nella corteccia frontale inferiore e nella parte dorsale dell'opercolo del giro frontale inferiore. L'aumento dell'attività in queste aree è relativo solo alla presenza di oggetti durante la condizione di intenzione ma non nella condizione di azione. L'incremento dell'attività nell'area frontale inferiore destra localizzata nell'area frontale nota per avere proprietà del sistema mirror, dimostra che quest'area corticale non è implicata solo nel prevedere un azione di riconoscimento meccanico (es. presa) ma è coinvolta nella comprensione delle intenzioni che stanno dietro alle azione compiute da altri. L'insieme dei risultati ha dimostrato che il ruolo dei neuroni mirror è molto più complesso delle previsioni, mostrando un interessamento degli stessi nel riconoscimento e nella codifica delle intenzioni. Esperimenti nelle scimmie hanno evidenziato che il sistema mirror parietale e frontale codifica il cosa delle azioni osservate (la mano prende la tazza). Questo studio sugli umani ha mostrato un aumento dell'attività neuronale nella corteccia frontale inferiore destra per l'intenzione del movimento (figura 11), area strettamente collegata all'area dei neuroni specchio la quale partecipa attivamente nella comprensione delle intenzioni che stanno alla base dell'azione osservata compiere da un altro soggetto.

22 22 di 50 12/05/ :36 FIGURA 10. Mostra le aree del cervello dell'uomo che evidenziano un aumento del segnale dell'attività neurale nelle situazioni di azione, contesto e intenzione. Per le situazioni di azione ed intenzione, la maggior parte degli incrementi si riscontrano nella corteccia occipitale, parietale posteriore e nelle aree frontali ( soprattutto corteccia pre-motoria). Durante il meccanismo che porta a comprendere l'intenzione motoria del soggetto osservato, c'è un significativo aumento del segnale, per gli atti motori che riguardano la presa manuale, nei circuiti corticali parieto-occipitali. Ed è risaputo che questi circuiti si attivano nell'osservazione, nell'esecuzione e nell'imitazione dei movimenti delle dita, cioè il sistema dei neuroni specchio. Da PLoS Biol March; 3(3): e79. Published on-line 2005 February 22. doi: /journal.pbio FIGURA 11. Questa figura mostra le differenze di attivazione delle aree dei neuroni specchio durante l'esecuzione, il contesto e l'intenzione. La condizione di intenzione fa incrementare il segnale nelle aree visive,nella corteccia frontale inferiore destra e nella sezione dorsale dell'opercolo del giro frontale inferiore (parte sup. figura) senza la componente azione. L'incremento dell'attività nella corteccia frontale inferiore destra, che è localizzata nelle aree frontali che hanno proprietà mirror, dimostra che queste aree consentono di comprendere l'intenzione che sta dietro al gesto motorio, cioè non identificano solo che uno fa un presa, ma che fa una presa per esempio per bere o

23 23 di 50 12/05/ :36 per spingere o per buttare via, ecc. La parte inferiore mostra le aree di attivazione della situazione di intenzione senza la comprensione del contesto, le aree che si attivano maggiormente sono le aree posteriori dell'area del STS, il lobulo parietale posteriore, le aree frontali destre e le stesse aree della corteccia frontale inferiore precedentemente attivate nella condizione intenzione senza l'azione. Comunque l'attivazione maggiore nella corteccia frontale inferiore è presente nella condizione di intenzione. Da PLoS Biol March; 3(3): e79. Published on-line 2005 February 22. doi: /journal.pbio Se quest'area fosse solo coinvolta nella comprensione delle azioni (il cosa dell'azione) una risposta simile si dovrebbe avere anche nella corteccia frontale inferiore quando si osservano azione di presa manuale, ma ciò non avviene. I risultati del lavoro hanno suggerito che un sottoinsieme di neuroni mirror nella corteccia frontale inferiore si attiva in risposta alle azioni motorie osservate. In altre parole, l'intenzione è un attivazione dei classici neuroni mirror più l'attivazione di un altro tipo di neuroni che codificano altre potenziali azioni sequenzialmente correlate all'osservazione. Quindi questo porta a dedurre che ci sono dei neuroni mirror che si attivano da un atto motorio, ma scaricano durante l'esecuzione non dello stesso atto motorio, ma di un altro atto, funzionalmente collegato all'atto osservato. I neuroni specchio quindi fanno parte di una catena di neuroni che codificano le intenzioni delle azioni delle altre persone, in altre parole, essi osservando un azione eseguita in un contesto specifico, attivano una catena motoria che è tipicamente eseguita nel contesto in cui si è portato a termine il gesto. Inoltre i mirror sono attivati non solo dal contesto dell'azione ma anche del modo in cui si esegue l'azione stessa. Queste scoperte portano alla conclusione che l'intenzione, associata all'azione di altri, è basata sull'attivazione di una catena neuronale formata dai neuroni mirror che codificano l'osservazione dei gesti motori e attraverso un collegamento logico i neuroni specchio codificano gli atti motori nel contesto adatto. Per determinare l'intenzione bisogna dedurre l'imminente obiettivo e questa operazione il sistema motorio la compie in automatico Il sistema dei neuroni specchio e la riabilitazione motoria. Ormai è noto che molti tipi di trattamenti possono contribuire a far si che i neuroni cambino le loro connessioni sinaptiche, formando così nuovi campi ricettivi (15). L'imitazione motoria è un processo cognitivo complesso, che racchiude al suo interno vari passaggi: l'osservazione motoria, l'immagine motoria e l'esecuzione motoria. Quando si utilizza tutto ciò, c'è un incremento dell'eccitabilità della via metabolica cortico-spinale, con inoltre la partecipazione di varie aree del cervello. Il cervello quindi integra i nuovi input sensoriali con i patterns motori già immagazzinati, per riuscire poi a produrre il movimento richiesto. L'immagine motoria può dunque concorrere al recupero delle funzioni motorie dopo lo stroke. La riabilitazione classicamente si focalizza sulle compensazioni, cioè sulle tecniche per riuscire ad utilizzare altri gesti motori per compensare appunto l'atto motorio che non si è più in grado di eseguire, per raggiungere così un obiettivo funzionale. L'osservazione e l'imitazione motoria rappresentano invece un tipo di approccio riabilitativo che agisce sulla riorganizzazione dei circuiti neuronali, impiegando sia meccanismi diretti che indiretti. L'imitazione motoria tenta di facilitare un recupero dei circuiti neuronali e motori compromessi,

24 24 di 50 12/05/ :36 promuovendo così la plasticità cerebrale mediante l'utilizzo di più afferenze sensoriali (visive, uditive e propriocettive), cercando di riattivare il sistema usando svariati input. Inoltre attivando le connessioni per osservare ed eseguire azioni, si produce un aumento dell'eccitabilità della via metabolica cortico-spinale anche in assenza di movimento. L'imitazione motoria consente la frammentazione del gesto motorio complesso in piccole parti, ma ricordando comunque la completezza del movimento, inoltre è molto utile per il trattamento perchè associa l'immagine motoria e le componenti motorie nell'imitazione, nell'osservazione e nell'esecuzione, rinforzando così la riabilitazione del paziente. L'osservazione di azioni motorie recluta il sistema motorio e consente l'esecuzione motoria, durante l'imitazione di nuovi pattern motori il sistema dei neuroni specchio è attivo dalla fase di osservazione fino all'esecuzione della nuova azione.questo consente un miglioramento della performance motoria sulla base dell'osservazione e l'imitazione di azione della vita quotidiana. Non sono adatti a questo tipo di trattamento pz. aprassici, con un afasia fluente e affetti da negligenza Riabilitazione del paziente post-stroke con l'utilizzo della motor-imagery e della motor observation nella rieducazione post-ictus. Il recupero funzionale, di pazienti che hanno subito uno stroke, può essere ottenuto grazie ai processi di riorganizzazione neurale delle aree del cervello danneggiate e del rimaneggiamento di quelle peri-lesionali. La riorganizzazione dipende da molti fattori fisiologici, clinici, ambientali e dall'informazione proveniente dai feedback sensori-motori afferenti ed efferenti. È stato dimostrato (16) però che il sistema motorio può essere attivato anche off line, attraverso l'immagine motoria o l'osservazione di azioni compiute da altri (neuroni mirror), quindi il nostro sistema motorio può essere usato sia on line che off line. Uno stroke comporta una grossa distorsione della capacità del cervello di elaborare le informazioni neuronali. Quando una funzione motoria è completamente danneggiata, il recupero è ottenuto principalmente con un sistema di sostituzione, le altre aree del cervello si sostituiscono e si sovrappongono all'area danneggiata (plasticità). L'efficienza e la rapidità del recupero dei processi motori dipende in parte dalla disponibilità delle informazioni sensoriali provenienti dalle attività motorie, queste informazioni sensoriali sono: propriocettive, tattili, vestibolari, visive e uditive. In base alle ricerche più recenti si è scoperto che anche l'immaginazione e l'osservazione possono essere utili a favorire il recupero motorio del paziente dopo lo stroke. Dietro questa affermazione, c'è il fatto che le stesse aree del cervello che sono normalmente coinvolte nella pianificazione dei movimenti e nell'esecuzione, sono coinvolte anche nell'immaginazione e nell'osservazione del movimento stesso. Le aree attivate durante l'immaginazione e anche nell'esecuzione sono la corteccia prefrontale, la corteccia pre-motoria, l'area motoria supplementare, la corteccia cingolata, la corteccia parietale e il cervelletto, e in alcuni studi anche la corteccia motoria primaria. Durante l'osservazione di un movimento, aree della corteccia pre-motoria sono attivate, e le stesse aree sono attivate anche durante l'esecuzione dello stesso movimento. Si è dimostrato inoltre che l'immagine motoria contribuisce all'ottimizzazione dei movimenti anche negli atleti. Fino a poco tempo fa non c'era una spiegazione del fatto di come si potesse apprendere o ottimizzare un gesto motorio senza eseguirlo, una spiegazione può essere proprio data dalla scoperta dei neuroni specchio. L' immagine motoria non è altro che un processo cognitivo che consente di immaginare un movimento di

25 25 di 50 12/05/ :36 una parte del corpo senza che essa venga mossa realmente. Un suddivisione importante è data dall'immaginazione in prima o in terza persona, sentire la posizione di una propria parte del corpo è definita una prospettiva in prima persona o immagine cinetica, mentre la prospettiva in terza persona è sapere come è posizionata una propria parte del corpo come se vedessi la tua parte del corpo dall'esterno, come se ti guardassi da fuori, è una prospettiva più visiva che di sensazione. Per quanto riguarda l'immagine motoria a noi interessa la prospettiva in prima persona o immagine cinetica. L'immaginazione motoria e l'osservazione di un gesto motorio è una modalità off line della corteccia motoria, si può dedurre inoltre che l'esecuzione del movimento, l'immagine motoria e l'osservazione motoria appartengono tutti allo stesso meccanismo di base (17). Questo perchè il tempo di esecuzione di un movimento immaginandolo è lo stesso tempo necessario ad eseguire lo stesso movimento nella realtà, questo fenomeno è chiamato isocronia mentale. Si è inoltre dimostrato che il sistema neurale utilizzato per il controllo dell'azione è attivato anche durante l'osservazione della stessa azione e che l'utilizzo dell'immagine motoria e dell'osservazione ha perfezionato i movimenti negli sportivi, soprattutto l'immagine in prima persona consente di imparare i movimenti con più facilità. Uno studio di Mulder (18) ha evidenziando che l'utilizzo dell'immagine motoria e dell'osservazione ha facilitato un gruppo di soggetti a riuscire ad abdurre meglio l'alluce senza muovere le dita rispetto ad un gruppo a cui non è stato sottoposto il trattamento. Buccino e coll. (19), ha sottoposto un gruppo di pazienti emiplegici ad un esperimento in cui li poneva davanti ad uno specchio e chiedeva loro delle azioni con l arto sano che, riflesso, rimandava l immagine e quindi l illusione ai pazienti di attivare l arto plegico. Page (20) dimostrò che un gruppo di pazienti colpiti da stroke da 2 a 11 mesi, sottoposti a un trattamento mediante l'immagine motoria, avevano acquisito maggiori capacità motorie nello stesso periodo rispetto ad un altro gruppo di soggetti trattati con la riabilitazione classica. I primi studi clinici hanno dimostrato che l'immagine motoria e l'osservazione di gesti motori influenzano positivamente il recupero motorio di pz. dopo lo stroke, sia in fase acuta che cronica. Dagli studi di Liu (21) si è dimostrato che le due differenti tipologie di immagine motoria possono favorire il miglioramento di diversi aspetti motori della riabilitazione post-stroke. L'immagine motoria in terza persona è importante per l'apprendimento di nuovi schemi motori, dal momento che l'immagine motoria svolge un ruolo importante nel recupero nella coordinazione motoria, mentre la coordinazione e il timing di attivazione motoria è maggiormente stimolato dall'immagine motoria in prima persona. Quindi i due tipi di immagine possono essere usate inseme o differentemente in base agli obiettivi della riabilitazione che intendiamo raggiungere Mirror Therapy Il trattamento denominato mirror therapy si basa sull utilizzo di uno specchio piazzato sul piano sagittale per far si che sullo specchio venga proiettato l'arto sano ma in modo tale che dia l'illusione al pz che sia proiettato riflesso l'arto plegico (22). È dimostrato che se viene utilizzato per esempio l'arto desto, l'illusione provoca la sensazione che sia utilizzato l'arto sinistro e l'attivazione a livello di emisferi cerebrali avviene a carico dell'emisfero destro, e viceversa. Questo trattamento va a stimolare sempre il sistema dei neuroni specchio, e ha portato ai pazienti coinvolti in questo trattamento un miglioramento funzionale a livello motorio, sensoriale e attentivo. L'osservazione di movimenti eseguiti allo specchio comporta una eccitabilità corticospinale, simile all'esecuzione vera del movimento nella realtà, contribuendo così al recupero motorio dell'arto plegico. Il miglioramento a livello sensoriale, dimostra invece che l'osservazione motoria eccita anche la

26 26 di 50 12/05/ :36 corteccia somato-sensoriale e non solo la corteccia motoria. La mirror therapy ha dimostrato evidenti risultati nel trattamento del neglect. Tutti questi effetti sono attribuibili ai neuroni mirror che si attivano durante l'osservazione di movimenti significativi La realtà virtuale come trattamento di pazienti post-ictus. Una nuova frontiera riabilitativa che sfrutta il sistema dei neuroni specchio è data dall'utilizzo della realtà virtuale per il recupero dell'as plegico dei pazienti postictus (23). Questo trattamento viene eseguito anche durante la fase acuta dei pazienti che hanno subito un ictus, per cercare un recupero motorio e funzionale dell'as lesionato. Il trattamento si svolge in modo tale che: il pz. vede il suo arto plegico in una prospettiva di prima persona impiegato in varie attività, dalle più semplici (colpire oggetti) a quello più complesse (prendere e muovere degli oggetti). Il terapista regola l'attività dell'arto non paretico che muove virtualmente l'arto paretico, in questo modo viene stimolato il sistema dei neuroni mirror. La realtà virtuale (VR) aumenta il numero possibile di richiesta di esecuzione di compiti diversi e aumenta la motivazione del paziente dato che ha risultati in tempo reale nell'esecuzione dei compiti. Il feedback visivo immediato fornisce risultati alla fine del compito sotto forma di punteggio, oppure fornisce anche risultati durante l'esercizio grazie al biofeedback visivo e segnali uditivi. Tutto questo consente una stimolazione del sistema dei neuroni mirror, il quale combina l'elemento di osservazione dei movimenti con l'intento di imitare e visualizzare i movimenti compiuti a specchio dell'arto non paretico, inducendo la plasticità corticale e il recupero motorio funzionale post-stroke. Lo studio si basa sull'ipotesi che i neuroni specchio si attivano durante azioni finalizzate della mano e si attivano anche durante la sola osservazione dello stesso gesto compiuto da un altra persona, inoltre questo sistema viene attivato anche durante la produzione dell'immagine motoria. In questo esperimento si è rimpiazzato il classico specchio utilizzato per creare l'illusione del movimento dell'arto controlaterale, con la VR. Il sistema della VR si è basato su Torque multiuser 3D gaming enviroment. Il paziente viene posizionato su una sedia con le braccia poste su di un tavolo di fronte a lui sul quale è localizzato un monitor che mostra l'immagine di due arti posti nella stessa posizione e i movimenti che il pz. compie con il suo arto vero vengono trasferiti in tempo reale sul monitor. Quindi il pz. esegue movimenti nella realtà con l'arto sano e si vede proiettato nello schermo che esegue movimenti anche con l'arto plegico (figura 12 e 13).

27 27 di 50 12/05/ :36 FIGURA 12. Vista della VR therapy system. Da Eng K., Siekierka E., Pyk P., Chevrier E., Hauser Y., Cameirano M., Holper L., Hagni K., Zimmerli L., Duff A., Schuster C., Bassetti C., Verschure P., Kiper D., (2007). Interactive visuo-motor therapy system for stroke rehabilitation. Med BioEng Comput, Fig. 1, Pag. 903.

28 28 di 50 12/05/ :36 FIGURA 13. Mappa schematica della proiezione dalla realtà allo spazio virtuale. (PL = AS sinistro, PR = AS destro) posizionati nella realtà; (PVL= AS sinistro, PVR= AS destro), posizionati nella realtà virtuale;?,?, mappano i parametri; f, mappa le funzioni. Da Eng K., Siekierka E., Pyk P., Chevrier E., Hauser Y., Cameirano M., Holper L., Hagni K., Zimmerli L., Duff A., Schuster C., Bassetti C., Verschure P., Kiper D., (2007). Interactive visuo-motor therapy system for stroke rehabilitation. Med BioEng Comput, Fig. 2, Pag Ci sono varie richieste di attività che vengono proposte al pz.: il colpire delle palle in movimento, prendere delle palle e trattenerle e infine dopo aver preso la palla spostarla verso un target. Questo trattamento veniva aggiunto al trattamenti fisioterapico tradizionale in pz. post-stroke ed erano sedute giornaliere di 45 min, 5 gg a settimana per 5 settimane. I risultati preliminari hanno mostrato che questo tipo di trattamento non ha limitato l'efficacia della fisioterapia tradizionale. L'utilizzo della VR ha dimostrato che è un tipo di trattamento accettato volentieri dai pz. e li motiva molto e comporta anche dei benefici. 3. STUDIO SPERIMENTALE 3.1 Materiali e metodi Pazienti Allo studio hanno partecipato 7 pazienti dell'età compresa fra i 39 e i 74 anni, di cui 6 maschi e una femmina. I soggetti sono stati reclutati all interno dell Ospedale di Medicina Fisica e Riabilitazione Gervasutta di Udine, pazienti emiparetici con esiti di ictus cerebrovascolare. I criteri d inclusione sono: età compresa tra i 39 e i 74 anni, emiparesi dell arto superiore controlaterale alla lesione cerebrale. I criteri d esclusione sono: emiplegia, MMSE < 20, neglect, afasia grave. Dei 7 pazienti, 2 sono stati trattati solo con la fisioterapia tradizionale (mobilizzazione passiva, attiva assistita e attiva dove possibile, esercizi terapeutici vari), e valutati come soggetti caso-controllo, mentre i rimanenti 5, sono stati trattati con la fisioterapia tradizionale ed in aggiunta con il nostro protocollo riabilitativo Protocollo riabilitativo Il trattamento veniva eseguito presso la Palestra Didattica dell'ospedale di Medicina Fisica e Riabilitazione Gervasutta di Udine. All'interno di un ambiente tranquillo i soggetti venivano fatti sedere su di una sedia posta di fronte ad un tavolo sul quale era posizionato un computer. Si chiedeva ai soggetti di mantenere la posizione seduta con gli AS o appoggiati sulle ginocchia, o sul tavolo antistante in base a quale posizione per loro era più comoda. Assunta la posizione, venivano mostrati al paziente 6 filmati, della durata di 3 min. l'uno, rappresentanti sei diverse attività della vita quotidiana o ludiche, la frequenza è stata di 3-4 sedute settimanali per un totale di 10 trattamenti.

29 29 di 50 12/05/ :36 I filmati proposti erano di complessità crescente, eseguiti unimanualmente o bimanualmente. Durante la visione dei video si richiedeva al pz. di concentrarsi su quello che osservava e di immedesimarsi nel gesto che compiva il soggetto ripreso nel video. Alla fine del filmato il fisioterapista invitava i pazienti ad immaginare di compiere quel gesto appena visto. Si interrogava il paziente sulle sensazioni che provavano osservando ed immaginando. Si coglievano le parole che usava il paziente per descrivere ciò che aveva appena percepito cercando di far modificare l immagine se essa non era completa o troppo generica. Lo si aiutava inoltre a focalizzare le parti del braccio che doveva rilassare e quelle dove doveva attivare il movimento. Infine si chiedeva ai pazienti di compiere quell atto motorio che essi avevano appena osservato e immaginato, dandogli l'aiuto necessario affinché non irradiasse. Descrizione dei filmati visionati dai pazienti: 1 filmato: l'attore con l'as già posizionato sul tavolo (immagine 1) ferma con la mano una palla in movimento (immagine 2) e la rilancia a sua volta (immagine 3). IMMAGINE 1. IMMAGINE 2. IMMAGINE 3. 2 filmato: partendo con entrambi gli AS adagiati sul tavolo (immagine 4), il soggetto va a prendere un biscotto all'interno di un sacchetto posizionato di fronte a lui a distanza di arto sopra il tavolo (immagine 5), per poi portarlo alla bocca (immagine 6) e riposizionare l'arto utilizzato come nelle posizione di partenza (immagine 4). IMMAGINE 4. IMMAGINE 5. IMMAGINE 6.

30 30 di 50 12/05/ :36 3 filmato: il soggetto parte con entrambi gli AS posizionati sul tavolo (immagine 7), da questo posizione, utilizzando un solo AS prende una bottiglietta di 50 cl. posta di fronte sul tavolo (immagine 8) e versa l'acqua contenuta in un bicchiere situato vicino alla bottiglia (immagine 9). IMMAGINE 7. IMMAGINE 8. IMMAGINE 9. 4 filmato: partendo con gli AS posizionati sul tavolo (immagine 10), utilizzando un solo AS, il soggetto raggiunge un bicchiere posto davanti a lui sul tavolo (immagine 11), per poi portare il bicchiere già riempito d'acqua alla bocca per bere (immagine 12) e successivamente riposizionare il bicchiere sul tavolo (immagine 11) e ritornare alla posizione di partenza (immagine 10). IMMAGINE 10. IMMAGINE 11. IMMAGINE 12.

31 31 di 50 12/05/ :36 5 filmato: l'attore passa una palla ad un altro soggetto posto di fronte (immagine 13 e 14),facendola scorrere su un tavolo, utilizzando contemporaneamente entrambi gli AS per l'esecuzione del gesto motorio. IMMAGINE 13. IMMAGINE filmato: il soggetto parte con entrambi gli AS posizionati su di un tavolo(immagine 15), raggiunge poi una scatola posta di fronte sul tavolo e con una presa bimanuale solleva il coperchio della scatola (immagine 16) e posiziona successivamente il coperchio anteriormente alla scatola (immagine 17), per poi risollevare di nuovo il coperchio (immagine 18) e richiudere la scatola (immagine 19). IMMAGINE 15. IMMAGINE 16. IMMAGINE 17.

32 32 di 50 12/05/ :36 IMMAGINE 18. IMMAGINE 19. I filmati eseguiti con azioni bi-manuali erano gli stessi per tutti e cinque i soggetti, mentre per le attività mono-manuali i gesti motori eseguiti nel filmato erano eseguiti con l'as dx se il paziente che osservava era emiplegico destro e viceversa. Il protocollo riabilitativo è stato eseguito in due sessioni. La prima sessione è stata eseguita dal 13/7/09 al 31/7/09 e ha riguardato 3 pazienti maschi emiplegici. La seconda sessione è stata svolta dal 3/9/09 al 17/9/09 e ha riguardato 2 pazienti, un maschio e una femmina emiplegici. Per tutti e cinque i pz. sono state utilizzate quattro scale di valutazione, somministrate all'inizio e alla fine dei trattamenti. Le scale di valutazione sottoposte ai soggetti sono: la scala Ashworth per la spasticità, il Wolf Motor Function test, l Abilhand (versione italiana) per le attività bimanuali e la Test Fugl-Mayer modificata Hamrin-Lindmark (1988) per gli arti superiori. Inoltre per le tre persone della prima sessione di trattamento è stato eseguito un follw-up valutativo ad un mese e mezzo, il 18/9/09, sempre utilizzando le medesime scale di valutazione. Per i due pazienti caso-controllo le scale utilizzate per la valutazione sono le stesse dei soggetti trattati con il nostro protocollo, fatta eccezione per la Wolf Motor Function test, che non è stata possibile applicarla per motivi ambientali. Il periodo di verifica di questi due pazienti è stato dal 7/7/09 al 3/8/09, periodo che racchiude c.a. 18 sedute di fisioterapia tradizionale, anche per loro le scale di valutazione sono state applicata all'inizio e alla fine del periodo preso in considerazione. 3.2 Risultati Risultati oggettivi I pazienti delle due sessioni di trattamento sono stati valutati prima di iniziare il nostro protocollo riabilitativo, fase T0, alla fine del protocollo, fase T1 e i tre pazienti della prima sessione terapeutica sono stati valutati anche a distanza di alcuni mesi dopo la fine delle nostre sedute, fase T2, follow-up. I pazienti caso-controllo invece sono stati valutati in fase T0 e poi dopo c.a. 18 sedute di trattamento fisioterapico tradizionale, fase T1, numero di sedute mediamente equivalente alla durata del nostro

33 33 di 50 12/05/ :36 protocollo fisioterapico. Questo meccanismo è stato utilizzato per tutte le scale di valutazione applicate. Risultati ottenuti (tabella 1): TABELLA 1 I risultati ricavati riguardanti l'abilità di movimento dell'arto superiore attraverso movimenti cronometrati e compiti funzionali espressi dalla WOLF MOTOR FUNCTION TEST (W.M.F.) sono: 1) per i pazienti trattati con il nostro protocollo sperimentale: in fase T0 la media dei punteggi dei pazienti era di 46,6+/-14,4 ed in fase T1 56,7 +/-15,2 (tabella 2.) con un aumento del punteggio medio di 10,4+/-3,5. TABELLA 2 TABELLA 3

34 34 di 50 12/05/ :36 La tabella 3 mostra quantitativamente, la differenza del punteggio totale tra la valutazione a T1 e quella a T0 (T1-T0 tabella 1.) della scala di valutazione Wolf Motor Function Test, che ha ottenuto ogni singolo paziente sottoposto al protocollo sperimentale. TABELLA 4 La tabella 4, mostra il punteggio totale a T0 e a T1(vedi tabella 1) per ogni singolo paziente, relativo alla scala valutativa Wolf Motor Function Test. 2) per i pazienti della prima sessione al follow-up: a fine trattamento, fase T1 media 58,83+/-15,13 e in fase T2, follow-up, 60,5+/-10,9 (tabella 5.) con un miglioramento del punteggio medio di 1,67+/-0,38. TABELLA 5

35 35 di 50 12/05/ :36 Per eseguire misurazioni quantitative dell impariment motorio post-ictale, è stata utilizzata la scala di valutazione Test Fugl-Mayer modificata Hamrin-Lindmark (T.F.M.), specifica per gli AS, ed ha evidenziato questi risultati: 1) Per i pazienti delle due sessioni terapeutiche: in fase T0, media 69,9+/-17,2 ed è passata in fase T1 a 84,4+/-12,52 (tabella 6). Evidenziando così un aumento del punteggio medio di 14,4+/-4,6. TABELLA 6 TABELLA7 La tabella 7 mostra quantitativamente, la differenza del punteggio totale tra lavalutazione a T1 e quella a T0 (T1-T0 tabella 1.) della scala di valutazione Test Fugl-Mayer modificata Hamrin-Lindmark, che ha ottenuto ogni singolo paziente sottoposto al protocollo sperimentale. TABELLA 8

36 36 di 50 12/05/ :36 La tabella 8, mostra il punteggio totale a T0 e a T1(vedi tabella 1) per ogni singolo paziente, relativo alla scala valutativa Test Fugl-Mayer modificata Hamrin-Lindmark. 2) Pazienti al follow-up: T1 81,67+/-17 che in fase T2 è diventato 85,33+/- 17,2 (tabella 9); con un miglioramento del punteggio medio di 3,67+/- 2,56. TABELLA 9 3) I pazienti caso-controllo avevano a T0 una media di 71,5 e in fase T1 73 (tabella 10), con un aumento medio di 1,5. TABELLA 10

37 37 di 50 12/05/ :36 Dalla tabella 11 emerge il confronto fra l'aumento medio del punteggio finale dei pazienti trattati con il nostro protocollo (pz. p.) e i pazienti trattati solo con la fisioterapia tradizionale, i pazienti caso-controllo (pz. c.c.), dati riguardanti la scala di valutazione Test Fugl-Mayer modificata Hamrin-Lindmark. TABELLA 11 La scala ABILHAND (A.) è stata poi utilizzata per analizzare l'attività delle attività bimanuali, questa scala, soggettiva, pone dei quesiti ai pazienti sulle loro capacità di svolgere 23 prestabilite attività della vita quotidiana, a queste domande i soggetti devono rispondere se per loro ogni specifica attività elencata è facile, difficile o impossibile da eseguire. Per semplificare l'analisi dei risultati ottenuti è stato assegnato il punteggio uno ad ogni risposta che ricade nella categoria facile o difficile, mentre per le risposte impossibile il risultato è zero. Analisi dei dati: 1) per i soggetti che han affrontato il nostro protocollo: in fase T0 il punteggio medio era 13,2+/-6,8 ed poi in fase T2 è diventato 17+/-3,5 (tabella 12). Dimostrando un miglioramento medio di 3,8+/-4,33.

38 38 di 50 12/05/ :36 TABELLA 12 TABELLA 13 La tabella 13 mostra quantitativamente, la differenza del punteggio totale tra la valutazione a T1 e quella a T0 (T1-T0 tabella 1.) della scala di valutazione Abilhand, che ha ottenuto ogni singolo paziente sottoposto al protocollo sperimentale. TABELLA 14 La tabella 14, mostra il punteggio totale a T0 e a T1(vedi tabella 1) per ogni singolo paziente, relativo alla scala valutativa Abilhand. 2) i pazienti della prima sessione al follow-up: T1 mostravano un punteggiob medio di 19+/-3 che poi in fase T2 è diventato 18,33+/-5,5 (tabella 15); con quindi una diminuzione del punteggio medio di 0,67+/-3. TABELLA 15

39 39 di 50 12/05/ :36 3) Per i pazienti trattati con la fisioterapia tradizionale, il punteggio medio in T0 era 11,5 che poi in T1 si è modificato in 13,5 (tabella 16). Aumento del punteggio medio di 2. TABELLA 16 Dalla tabella 17 emerge il confronto fra l'aumento medio del punteggio finale dei pazienti trattati con il nostro protocollo (pz. p.) e i pazienti trattati solo con la fisioterapia tradizionale, i pazienti caso-controllo (pz. c.c.), dati riguardanti la scala di valutazione Abilhand. TABELLA 17

40 40 di 50 12/05/ :36 Come strumento per quantificare il tono muscolare dei pazienti è stata utilizzata la scala di valutazione ASCHWORTH (ASC.), che ha mostrato i seguenti risultati: 1) per i pazienti trattati con il protocollo sperimentale, in fase T0, ilpunteggio medio del tono muscolare quantificato dalla scala era di 1,3+/-0,4 che poi è diventato in fase T1 di 1,2+/-0,3 (tabella 18).Dimostrando così una riduzione media dell'ipertono di 0,1+/-0,2 a paziente. TABELLA 18 TABELLA 19 La tabella 19 mostra quantitativamente, la differenza del punteggio totale tra la valutazione a T1 e quella a T0 (T1-T0 tabella 1.) della scala di valutazione Ashworth, che ha ottenuto ogni singolo paziente sottoposto al protocollo sperimentale. TABELLA 20

41 41 di 50 12/05/ :36 La tabella 20, mostra il punteggio totale a T0 e a T1(vedi tabella 1) per ogni singolo paziente, relativo alla scala valutativa Ashworth.2) Per i tre soggetti sottoposti al follow-up i punteggi medi erano: in fase T1 1,33+/-0,2 che poi in fase T2 è diventato 1,5+/-0,5 (tabella 21). In conclusione tra la fase T1 e T2 c'è stato una riduzione media dell'ipertono di 0,17+/-0,2. TABELLA 21. 3) La scala ha evidenziato per i pazienti caso-controllo un punteggio medio in fase T0 di 1,25 che è rimasto tale anche in fase T1 (tabella 22). TABELLA 22

42 42 di 50 12/05/ :36 Dall'analisi statistica dei dati sopra riportati, partendo dal presupposto che la significatività è raggiunta quando il P-Value ha un valore inferiore a 0,05; si possono estrarre le seguenti valutazioni. Per quanto riguarda la scala di valutazione Test Fugl-Mayer: tenendo conto di tutti i 7 pazienti trattati con entrambi i metodi c'è stato un miglioramento significativo fra la fase T0 e la fase T1 (t = 3,91; P-Value = 0,0079). Nello specifico, c'è una differenza statisticamente significativa, tra i risultati ottenuti dalla differenza media tra T1-T0, fra il trattamento tradizionale e quello del nostro protocollo sperimentale (t = 3,74; P-Value = 0,0135). Per i tre pazienti al follow-up (T2-T1) non si è evidenziato un miglioramento significativo ( t = 2,48; P-Value = 0,132). Analizzando i dati espressi dalla Wolf Function Motor Test si riscontra: un aumento significativo per quando riguarda la differenza media fra la fase T1- T0 dei pazienti sottoposti al nostro trattamento (t = 6,6; P-Value = 0,0027). Mentre per i tre pazienti poi sottoposti al follow-up (T2-T1 = 1,67) l'aumento non è significativo ( t = 3,78; P-Value = 0,063). Dai dati estratti dalla scala di valutazione Ashworth: tenendo conto di tutti i 7 i pazienti trattati non si riscontra un aumento significativo fra la fase T0 e la fase T1 ( t = 1; P-Value= 0,356). Mentre analizzando i dati della differenza fra la fase T2-T1 dei tre pazienti al follow-up, il miglioramento del punteggio è significativo ( t = 5,23; P-Value = 0,035). Per quanto riguarda l'analisi dei dati della scala di valutazione Abilhand: non c'è differenza significativa fra i risultati ottenuti dai due tipi di trattamento fra la fase T0 e la fase T1 ( t =0,55; P-Value= 0,6). Analizzando però i risultati di tutti e 7 i pazienti tra la differenza di risultati fra la fase T1 in paragone con la fase a T0 il risultato è quasi significativo ( t = 2,36; PValue= 0,056). I pazienti sottoposti al follow-up (T2-T1) non mostrano un aumento significativo (t = 0,45; P-Value= 0,69). Ulteriormente all'analisi dei dati di queste scale di valutazione, i due pazienti della seconda sessione, sono stati filmati mentre eseguivano delle attività motorie, prima e dopo il nostro trattamento. Questi compiti motori che gli sono stati richiesti di svolgere e per cui sono stati filmati, fanno parte dei video che loro hanno osservato durante il protocollo sperimentale.