UNIVERSITA DEGLI STUDI DI MILANO CORSO DI DOTTORATO IN FISIOLOGIA UMANA CICLO XIII IL NUCLEO RETICOLARE DEL TALAMO: SUO RUOLO NELL ATTIVITÀ EEG SINCRONA NORMALE E PAROSSISTICA Tutore: Chiar.mo Prof. Mauro MANCIA Coordinatore: Chiar.mo Prof. Fausto BALDISSERA Tesi di Dottorato di: Piera CECCARELLI Matr. Nr. 003252 Anno Accademico 2001-2002
SOMMARIO Il nucleo reticolare del talamo (NRT) è costituito da un sottile guscio di neuroni GABAergici che avvolge bilateralmente il talamo dorsale. Tale nucleo è suddiviso in diversi settori ciascuno dei quali collegato ad un particolare nucleo del talamo dorsale. Si ritiene che uno di questi settori, la porzione anterodorsale del NRT, o polo rostrale, eserciti effetti potenti sull attività oscillatoria elettroencefalografica (EEG) sia fisiologica che parossistica. I processi di sincronizzazione EEG segnalano il passaggio dallo stato di veglia e attenzione ad uno stato di riduzione del campo di coscienza con scomparsa dell attenzione e comparsa del sonno, ma caratterizzano anche la comparsa di attività parossistiche. E stato dimostrato che l iniezione unilaterale di acido ibotenico (un eccitotossina che dapprima eccita e poi distrugge i neuroni) nel polo rostrale di NRT di ratto Sprague Dawley (SD) induce un attività EEG anormale controlaterale di tipo spike-and-wave o punta-onda a 3 Hz con correlati comportamentali simili all assenza umana (Marini et al., 1995). La nostra attuale ricerca ha riguardato la lesione chimica bilaterale del polo rostrale del NRT in ratti SD, liberi di muoversi. In questi animali, sono stati studiati gli effetti della lesione sulla sincronizzazione EEG normale durante il ciclo sonno-veglia e sull eventuale comparsa di parossismi EEG. Questi animali venivano impiantati lungo l asse antero-posteriore con elettrodi standard per il monitoraggio degli stati comportamentali. 1
Sono state compiute registrazioni video-eeg simultanee, monopolari e bipolari, e successivamente, sulla base dell analisi spettrale quantitativa, sono state costruite le mappe cerebrali di distribuzione del potere spettrale. Per quanto riguarda la sincronizzazione EEG fisiologica, sono stati osservati gli effetti corrispondenti alla nota azione bifasica dell acido ibotenico: nel periodo di eccitazione cellulare (10-12 ore), i ratti permanevano in uno stato di sonno sincrono profondo, mentre il sonno REM (Rapid Eye Movement) e l attività spindling erano assenti. Nel periodo successivo, corrispondente alla distruzione delle cellule, il ciclo sonno-veglia si riorganizzava, sebbene con delle anomalie, e ricomparivano il sonno REM e gli spindles. Nell EEG neocorticale di questi animali emergevano gradualmente 12-24 ore dopo l iniezione due forme di disritmia (Penfield e Jasper, 1954; questo termine è stato esteso ad attività ritmiche inappropriate generate nei circuiti talamocorticali in alcune condizioni patologiche da Llinas et al., 1999): i) un potenziamento delle onde theta (4.5-8 Hz) e ii) ipersincronismi con punte-onde spontanei a frequenza 5-8 Hz, associati con immobilità della testa. Questi ipersincronismi erano simili agli High Voltage Spindles (HVS) descritti per la prima volta da Kiingberg e Pickenhain (1968) e considerati modelli di assenza da Danober et al. (1998) e Buzsàki (1990). Gli effetti della distruzione bilaterale chimica di una piccola porzione dell unica popolazione cellulare GABAergica del talamo di ratto (in cui sono assenti gli interneuroni intrinseci inibitori: Barbaresi et al., 1986), cioè le alterazioni 2
osservate nell EEG normale e patologico, sono da attribuire a un release inibitorio prodotto dalla lesione di acido ibotenico. I risultati ottenuti nel ratto permettono le seguenti considerazioni: 1) è stato confermato che il polo rostrale del NRT di ratto gioca un ruolo chiave nella sincronizzazione EEG fisiologica e patologica: 2) il ratto con lesioni bilaterali del polo rostrale del NRT può essere considerato un modello di EEG parossistico di tipo assenza. Lo studio di tale modello può contribuire a chiarire le strutture e i meccanismi cerebrali coinvolti nella sincronizzazione EEG normale e patologica. 3
INTRODUZIONE Il nucleo reticolare del talamo di ratto: caratteristiche anatomiche e funzionali. La percezione del mondo che ci circonda dipende dalle informazioni che giungono alla corteccia, dove vengono analizzate. Il talamo, in questo processo, svolge un importante ruolo di porta di ingresso delle informazioni sensoriali in transito verso la neocorteccia. Questa funzione non consiste semplicemente nell apertura o nella chiusura meccanica di una sorta di porta che lascia passare o blocca le informazioni in transito. Un elaborata e complessa circuiteria neuronale regola il passaggio di tutte le informazioni sensoriali. Il talamo può essere suddiviso, sulla base dell origine embrionale e delle connessioni in tre parti: il talamo dorsale, che contiene i neuroni che stabiliscono reciproche connessioni con la corteccia e lo striato; il talamo ventrale, che non innerva la corteccia, ma da essa riceve proiezioni, e l epitalamo, che è collegato prevalentemente all ipotalamo. Il nucleo reticolare del talamo di ratto (NRT) fa parte del talamo ventrale e consiste di un sottile strato di neuroni GABAergici (contenenti acido gamma ammino butirrico, GABA) localizzati nelle regioni antero-laterali, e, in parte, ventrali del talamo dorsale. Fasci di fibre talamo-corticali e corticotalamiche attraversano il nucleo, interrompendo la continuità della popolazione cellulare, conferendo al nucleo un tipico aspetto a rete da cui il nome reticolare. Le interazioni tra i neuroni del NRT dipendono da sinapsi dendro-dendritiche e da corti collaterali assonali che proiettano lateralmente alle altre cellule 4