Esperienze applicative sui correlati molecolari delle funzioni mentali

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1 Emiliano Ricciardi Esperienze applicative sui correlati molecolari delle funzioni mentali Corso di Laurea in Scienze e Tecniche di Psicologia della Salute Seminari, laboratori ed esperienze applicative II Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica Facoltà di Medicina, Università di Pisa

2 Correlati molecolari delle funzioni mentali Il corso cerca di introdurre gli studenti alle moderne metodologie di esplorazione funzionale del cervello e alla possibile loro applicazione nello studio delle funzioni cognitive fisiologiche e patologiche Le lezioni si focalizzeranno essenzialmente sulla biochimica e fisiologia cerebrale, sui principi fisici e applicativi della tomografia ad emissione di positroni (PET) e della risonanza magnetica funzionale (fmri), sull applicazione alla psicodiagnostica delle abilità cognitive, e sullo sviluppo di paradigmi di studio

3 Correlati molecolari delle funzioni mentali Il programma si articolerà nei seguenti punti: 1. introduzione alle metodologie di esplorazione funzionale del cervello e al metabolismo cerebrale 2. Principi fisici della PET, applicazioni cliniche e nella ricerca 3. Principi fisici della fmri e disegno sperimentale 4. Analisi dei dati in fmri ed esempi di applicazione 5. Esperienza pratica (o simulazione)

4 Correlati molecolari delle funzioni mentali Bibliografia: A) Appunti delle lezioni o lucidi scaricabili dal sito B) Testi di riferimento: Neil R Carlson - Fondamenti di Psicologia Fisiologica, V Ed, Piccin (capitoli 5, 6, 7, 12, 14, 15) M.S. Gazzanica, R.B. Ivry, G.R. Mangun - Neuroscienze Cognitive Zanichelli 2005 (capitoli 5, 6, 8, 12) C) Per gli studenti frequentanti, ulteriori indicazioni bibliografiche potranno essere fornite a lezione per integrare o sostituire il materiale indicato

5 Psicologia biologica o fisiologica Correlati neurometabolici e funzionali dell attività mentale Neuroscienze cognitive Studio dell attività mentale in termini di elaborazione delle informazioni (ogni compito comporta una generazione, elaborazione e manipolazione delle rappresentazioni mentali) Tecniche di esplorazione funzionale Misure dell attività cerebrale in vivo delle varie tecniche di sperimentazione e modellistica Psicodiagnostica delle abilità cognitive

6 Esplorazione funzionale in vivo del cervello

7 Esplorazione funzionale in vivo del cervello

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10 Psicodiagnostica delle abilità cognitive Metodi per l analisi di un fenomeno cognitivo Metodi per l identificazione di una patologia in base ai sintomi Strumenti: scale psicometriche compiti sperimentali lesioni cliniche o funzionali (es. TMS) modellistica esplorazione funzionale in vivo del cervello

11 Vantaggi Caratterizzazione non solo qualitativa ma anche funzionale Dissezione dei diversi passaggi dell elaborazione dell informazione Correlazione con diversi metodi diagnostici Versatilità (es. variazione parametrica) Informazioni originali rispetto ad altri metodologia

12 Vantaggi Flash di luce a frequenza crescente Modulazione parametrica in un compito di memoria di lavoro Correlazione flusso cerebrale e punteggio della Dementia Rating Scale 1 sec 6 sec 11 sec 16 sec

13 Vantaggi

14 Esplorazione funzionale in vivo del cervello

15 Solo aspetti cognitivi?

16 Solo aspetti cognitivi?

17 Farmacocinetica Esperienza clinica Farmaco Epidemiologia Farmacodinamica Siti funzionali dell azione dei farmaci Localizzazione e caratterizzazione recettoriale

18 Farmacocinetica Esperienza clinica Farmaco psicotropo Epidemiologia Farmacodinamica Siti funzionali dell azione dei farmaci Localizzazione e caratterizzazione recettoriale

19 Aging Atrophy and neuronal loss Age Symptoms Young Older Alzheimer

20 Plasticità dell invecchiamento Aree distinte del cervello possono essere reclutate per compensare o vicariare alcune abilità cognitive deficitarie Regioni corticali che partecipano al compito Le regioni corticali tendono a compensare quando il compito diventa più difficile

21 Esplorazione funzionale in vivo del cervello

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25 Esplorazione funzionale in vivo del cervello Perché studio in vivo? 1. Differenze in vitro e in vivo 2. Limite anatomico: santuario anatomico

26 Esplorazione funzionale in vivo del cervello Perché studio in vivo? 3. Segregazione e integrazione funzionale

27 Esplorazione funzionale in vivo del cervello Perché studio in vivo? 4. Limite dei modelli animali

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

29 Angelo Mosso (1881): Concerning the Circulation of the Blood in the Human Brain Verlag von Viet & Company: Leipzig, pages 66-67

30 Fisiologia della Correlazione Flusso Ematico- Metabolismo Cerebrale Nonostante i numerosi sforzi per risolvere il quesito del coupling, il meccanismo fisiologico è ancora sconosciuto: dopo l ipotesi omeostatica di Roy e Sherrington, sono stati suggeriti differenti modelli di regolazione dinamica cerebrovascolare e vari agenti mediatori di tipo biometabolico. Recentemente, è stata proposta un ipotesi di regolazione multilivello, che interessa anche le cellule neurogliali

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

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

33 Connessioni neuronali

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

35 Potenziale post-sinaptico sinaptico The inputs to a neuron (post-synaptic potentials) increase (excitatory PSPs) or decrease (inhibitory PSPs) the membrane voltage If the summed PSPs at the axon hillock push the voltage above the threshold, the neuron will fire an action potential

36 Le proprietà elettriche del neurone: il potenziale d azione

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

38 Il metabolismo energetico cerebrale: Effetti della deprivazione di glucosio condizioni fisiologiche ipoglicemia grave ipoglicemia con coma Glicemia (mg/dl) Consumo di Glucosio (mg/100g/min) 5,5 2,3 0,8 Consumo di O 2 (ml/100g/min) 3,5 2,6 1,9 Flusso Ematico Cerebrale (ml/100g/min) L ipoglicemia si associa a confusione mentale, obnubilamento del sensorio coma Questi effetti possono essere corretti dalla somministrazione di glucosio o di mannosio ATP ADP Mannosio Mannosio-6-P Fruttosio-6-P Fosfato Esochinasi isomerasi ma non dai substrati intermedi della glicolisi, che non possono passare attraverso la BEE

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

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

41 DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O2

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

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

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

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

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