Emiliano Ricciardi emiliano.ricciardi@bioclinica.unipi.it 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 www.bioclinica.unipi.it/lezioni Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica Facoltà di Medicina, Università di Pisa 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 1
Correlati molecolari delle funzioni mentali Bibliografia: A) Appunti delle lezioni o lucidi scaricabili dal sito www.bioclinica.unipi.it/lezioni 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 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 2
Esplorazione funzionale in vivo del cervello 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 3
Solo aspetti cognitivi? Farmacocinetica Esperienza clinica Farmaco psicotropo Epidemiologia Siti funzionali dell azione dei farmaci? Farmacodinamica Localizzazione e caratterizzazione recettoriale 4
Esplorazione funzionale in vivo del cervello Perché studio in vivo? 1. Differenze in vitro e in vivo 2. Limite anatomico: santuario anatomico Esplorazione funzionale in vivo del cervello Perché studio in vivo? 3. Segregazione e integrazione funzionale 5
Esplorazione funzionale in vivo del cervello Perché studio in vivo? 4. Limite dei modelli animali 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 6
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 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 10% sintesi e metabolismo di neurotrasmettitori (ossidasi, ossigenasi ecc.) Acetil-CoA Ciclo di Krebs Fosforilazione ossidativa CO 2 + H 2 O 36-38 ATP O 2 ~ 10-15% condizioni 2 ATP anaerobiche Piruvato 90% ossidazione del glucosio condizioni aerobiche ~ 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 7
DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O 2 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 8
Attivazione Riposo 12/01/2012 Esplorazione funzionale in vivo dei correlati neurometabolici dell attività cerebrale mv +50-70 0 EEG MEG TMS = Hb = HbO 2 FDG-PET smri 1 2 3 msec attività neuronale sinaptica attività della pompa Na + /K + richiesta di ATP richiesta di ossigeno e glucosio H 15 2 O-PET fmri flusso ematico cerebrale metabolismo ossidativo del glucosio e produzione di ATP La tomografia ad emissione di positroni 9
Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni Presupposti fisici: Radionuclidi a breve emivita (es. 18 Fluoro, 15 Ossigeno) che decadono ed emettono positroni Positroni ed elettroni (stessa massa, carica opposta) annichilano e danno origine a due raggi in direzione diametralmente opposta, rilevabili da appositi detettori (Tomografo PET) 10
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Barriera emato-encefalica 12/01/2012 Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni 18 FDG per misurare il metabolismo glucidico H 2 15 O per misurare il flusso ematico emivita (min) tempo di osservazione (min) durata singolo studio (min) numero di studi possibili nella stessa sessione PET Sostanze di interesse biologico, quali substrati metabolici, possono essere marcati usando questi radionuclidi positroneemittenti Per lo studio in vivo del metabolismo cerebrale possiamo utilizzare: misurano l'attività sinaptica neuronale di un determinato distretto cerebrale Caratteristiche distintive 18 FDG H 15 2 O 110 2 45 1-4 65 1-4 1-2 > 10 Il modello del 18 Fluoro-2-deossi-D-glucosio nello Studio in vivo del Metabolismo Glucidico Cerebrale Plasma precursori Tessuto cerebrale prodotti metabolici [ 18 F]glicolipidi [ 18 F]deossiglicogeno [ 18 F]UDPDG [ 18 F]glicoproteine [ 18 F]deossiglucosio-1-P [ 18 F]deossiglucosio K* 1 K* 2 [ 18 F]deossiglucosio K* 3 esochinasi [ 18 F]deossiglucosio-6-P glucosio K 1 K 2 glucosio K 3 esochinasi G-6-Pasi glucosio-6-p fruttosio-6-p fosfoglucosio isomerasi CO 2 + H 2 O HO-CH 2 H H HO OH O H H OH HO-CH 2 H H HO OH O H H OH H glucosio OH H H 2-deossi-D-glucosio ( 18 F ) 12
Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni 13
aumento % del metabolismo del glucosio 12/01/2012 Studio del Metabolismo Cerebrale del Glucosio in vivo nell Uomo in Condizioni Fisiologiche Condizione di riposo Effetti della stimolazione sensoriale visiva 60 50 40 30 20 10 0 Corteccia Visiva occhi chiusi 1 occhio 2 occhi scena complessa Adapted from Gusnard & Raichle (2001) 14
Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell Uomo in Condizioni Fisiologiche 18 FDG -glucosio 18 F-fluorodopa Anziano Sano Malato AD 18 F-fluoroetilspiperone Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell Uomo in Condizioni Fisiologiche 15
PET: Metodologia La raccolta dei dati e i metodi di analisi dipendono dallo studio in questione Immagine semiqualitativa singola (immagine statica clinica) Analisi più dettagliate richiedono un acquisizione dinamica (elaborazione di un modello, campionamento ematico, ecc. Confronto tra gruppi a riposo Attivazione vs condizione di riposo Confronto tra attivazioni di gruppi diversi PET statica semiqualitativa singola 16
Concentration of authentic tracer (kbq/ml) Concentration in tissue (kbq/ml) 12/01/2012 Immagine dinamica quantitativa TAC = time-activity (concentration) curve 90 TAC of tracer concentration in arterial blood TAC of concentration in tissue measured by PET scanner 90 80 70 60 50 40 Tissue characteristics: Perfusion Endothelial permeability Vascular volume fraction Transport across cell membranes 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 15 30 45 60 75 90 Time (min) Specific binding to receptors Non-specific binding Enzyme activity 30 20 10 0 0 15 30 45 60 75 90 Time (min) Arterial FDG Interstitial FDG Intracellular FDG-6-P Intracellular FDG Venous FDG 17
Immagine dinamica quantitativa TAC = time-activity (concentration) curve L informazione dinamica viene convertita in informazione funzionale Il valore di ogni singolo voxel corrisponde al valore del parametro fisiologico studiato (perfusione, consumo di glucosio, densità recettoriale, ecc.) Analisi statistiche più complesse Metodologia PET: confronto tra gruppi GRUPPO A GRUPPO B #1 #2 #3 NORMALIZZAZIONE SPAZIALE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas) #4 #5 n ANALISI STATISTICA (ANOVA, T-TEST, CORRELAZIONE) IMMAGINE RISULTATO 18
Correlati neurometabolici delle emozioni ruolo contrapposto dell amigdala, della corteccia orbitofrontale mediale e ventrolaterale rispetto alla corteccia prefrontale sottogenicolata nella tristezza patologica (studio PET nella Depressione Maggiore) Amigdala C. Orb. Front. Mediale CPF sottogenicolat a CPFVL CPFVL= Corteccia prefrontale ventro-laterale Talamo mediale Attivazione abnorme delle strutture cerebrali che controllano, modulano o inibiscono le espressioni emotive (amigdala, corteccia orbitale mediale e ventrolaterale): in presenza di metabolismo ridotto nella corteccia prefrontale sottogenicolata che modula la risposta viscerale alle emozioni e forse partecipa alla valutazione del significato di ricompensa degli stimoli. (da Drevets e coll., 2000) Metodologia PET: Attivazione vs condizione di riposo ATTIVAZIONE RIPOSO CONTROLLO NORMALIZZAZIONE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas) IMMAGINI INDIVIDUALI DI DIFFERENZA IMMAGINE MEDIA DELLE DIFFERENZE 19
Logica della sottrazione La sottrazione cognitiva è nata con gli esperimenti di reazione motoria (F. C. Donders). Esempio: T1: Premi un bottone quando appare una luce T2: Premi un bottone quando appare una luce verde ma non rossa T3: Premi il bottone sinistro quando appare una luce verde e il bottone destro quando appare una luce rossa T2 T1 = tempo per fare una discriminazione tra colori T3 T2 = tempo per prendere una decisione F. C. Donders Assunzione della inserzione pura: Si può inserire una componente nel compito sperimentale senza interferire con le altre componenti (N.B. grosso limite inerpretativo!) Paradigma sperimentale Perché la PET?? Può usufruire di un numero illimitato di traccianti È un metodo quantitativo Ha alta sensibilità Ha un elevata risoluzione chimica Ha una risoluzione spaziale discreta (2 mm) 20
Perché la PET?? La tomografia ad emissione di positroni tra applicazioni cliniche 21
Alzheimer s Disease: Diagnosis M 65 yrs Alzheimer s Disease: Evolution 22
Alzheimer s Disease: Correlation with Clinical Symptoms PET in the Evaluation of Dementia: Predicting Evolution Silverman DHS et al., JAMA, 2001 23
PET in the Evaluation of Dementia: Differentiating cognitive impairments Fronto-temporal dementia F 70 yrs 24
Vascular Dementia Visual Variant 25
The role of in vivo brain functional exploration methodologies in understanding cognitive impairment during pathological aging Investigate the effects of neurodegenerative processes on: Brain metabolism Correlation between cognitive deficits, clinical evidences and metabolic changes Clinical differentiation and evolution Neurotransmitters Detect early evidence of cognitive impairment Genetic risk for dementia Stress test Recovery Insight into neuropathology Understanding and following therapy Genetic risk: ApoE ε4 allele Alzheimer patients no ApoE ε 4 vs Healthy Subjects no ApoE ε 4 Alzheimer patients with ApoE ε 4 vs Healthy Subjects with ApoE ε 4 Alzheimer patients with ApoE ε 4 vs Alzheimer patients no ApoE ε 4 Parieto-occipital cortex 26
Early diagnosis: Stress test Close Eyes Open Eyes White light Open Eyes Complex scene Early diagnosis: Stress test in Healthy Olders Pietrini P et al., J Nucl Med, 2000 27
PET - applicazioni cliniche Oncologiche Cardiache Cerebrali Malattie Infettive Farmacologiche Metaboliche PET-FDG: diagnosi e caratterizzazione 28
PET-FDG: stadiazione La PET cerebrale tra applicazioni cliniche e di ricerca 29
ESEMPIO DI SPM ricostruzione registrazione smoothing Interpretazione dei risultati, correlazione con dati comportamentali e verifica dell ipotesi Analisi dei dati: postprocessing Esperimento PET Rationale: ipotesi sperimentale Selezione, screening, test psicologici e comportamentali Paradigma sperimentale Preprocessing e sessione sperimentale 30
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