Esperienze applicative sui Esperienze applicative sui correlati molecolari delle correlati molecolari delle

funzioni mentalifunzioni mentali

Emiliano RicciardiEmiliano Ricciardiemiliano.ricciardi@bioclinica.unipi.itemiliano.ricciardi@bioclinica.unipi.it

Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica Facolt di Medicina, Universit di PisaFacolt di Medicina, Universit di Pisa

Corso di Laurea in Scienze e Tecniche di Corso di Laurea in Scienze e Tecniche di Psicologia della SalutePsicologia della Salute

Seminari, laboratori ed esperienze applicative IISeminari, laboratori ed esperienze applicative II

www.bioclinica.unipi.it/lezioniwww.bioclinica.unipi.it/lezioni

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Correlati molecolari delle funzioni mentaliCorrelati molecolari delle funzioni mentali

Il corso cerca di introdurre gli studenti alle moderne Il corso cerca di introdurre gli studenti alle moderne metodologie di esplorazione funzionale del cervellometodologie di esplorazione funzionale del cervello e e alla possibile loro applicazione nello studio delle alla possibile loro applicazione nello studio delle funzioni cognitive fisiologiche e patologichefunzioni cognitive fisiologiche e patologiche

Le lezioni si focalizzeranno essenzialmente sulla Le lezioni si focalizzeranno essenzialmente sulla biochimica e fisiologia cerebrale, sui principi fisici e biochimica e fisiologia cerebrale, sui principi fisici e applicativi della tomografia ad emissione di positroni applicativi della tomografia ad emissione di positroni (PET) e della risonanza magnetica funzionale (fMRI), (PET) e della risonanza magnetica funzionale (fMRI), sullapplicazione alla psicodiagnostica delle abilit sullapplicazione alla psicodiagnostica delle abilit cognitive, e sullo sviluppo di paradigmi di studiocognitive, e sullo sviluppo di paradigmi di studio

Correlati molecolari delle funzioni mentaliCorrelati molecolari delle funzioni mentali

Il Il programmaprogramma si articoler nei seguenti si articoler nei seguenti punti: punti: 1. introduzione alle metodologie di 1. introduzione alle metodologie di esplorazione funzionale del cervello e al esplorazione funzionale del cervello e al metabolismo cerebralemetabolismo cerebrale2. Principi fisici della PET, applicazioni cliniche 2. Principi fisici della PET, applicazioni cliniche e nella ricercae nella ricerca3. Principi fisici della fMRI e disegno 3. Principi fisici della fMRI e disegno sperimentalesperimentale4. Analisi dei dati in fMRI ed esempi di 4. Analisi dei dati in fMRI ed esempi di applicazioneapplicazione5. Esperienza pratica (o simulazione)5. Esperienza pratica (o simulazione)

Correlati molecolari delle funzioni mentaliCorrelati molecolari delle funzioni mentali

Bibliografia:Bibliografia:A) Appunti delle lezioni o lucidi scaricabili dal sito A) Appunti delle lezioni o lucidi scaricabili dal sito

www.bioclinica.unipi.it/lezioniwww.bioclinica.unipi.it/lezioni

B) Testi di riferimento: B) Testi di riferimento: NeilNeil R R CarlsonCarlson -- Fondamenti di Psicologia Fisiologica, V Ed, Fondamenti di Psicologia Fisiologica, V Ed, PiccinPiccin (capitoli 5, 6, 7, 12, 14, 15) (capitoli 5, 6, 7, 12, 14, 15) M.S. M.S. GazzanicaGazzanica, , R.B.R.B. IvryIvry, , G.R.G.R. MangunMangun -- NeuroscienzeNeuroscienzeCognitive Cognitive ZanichelliZanichelli 2005 2005 (capitoli 5, 6, 8, 12)(capitoli 5, 6, 8, 12)

C) Per gli studenti frequentanti, ulteriori indicazioni C) Per gli studenti frequentanti, ulteriori indicazioni bibliografiche potranno essere fornite a lezione per integrare bibliografiche potranno essere fornite a lezione per integrare o sostituire il materiale indicatoo sostituire il materiale indicato

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Neuroscienzecognitive Tecniche di

esplorazione Psicologia biologica o fisiologica funzionale

Psicodiagnostica delle Psicodiagnostica delle abilit cognitiveabilit cognitive

Studio dellattivit mentale in termini di elaborazione

delle informazioni(ogni compito comporta una generazione, elaborazione e

manipolazione delle rappresentazioni mentali)

Correlati neurometabolici e

funzionali dellattivit mentale

Misure dellattivit cerebrale in vivo delle

varie tecniche di sperimentazione e

modellistica

Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello

Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello

Psicodiagnostica delle Psicodiagnostica delle abilit cognitiveabilit cognitive

Strumenti: scale psicometriche compiti sperimentali lesioni cliniche o funzionali (es. TMS) modellistica esplorazione funzionale in vivo del cervelloesplorazione funzionale in vivo del cervello

Metodi per lanalisi di un fenomeno

cognitivo

Metodi per lidentificazione di una patologia in base ai sintomi

VantaggiVantaggi

Caratterizzazione non solo qualitativa ma Caratterizzazione non solo qualitativa ma anche funzionaleanche funzionale

Dissezione dei diversi passaggi Dissezione dei diversi passaggi dellelaborazione dellinformazionedellelaborazione dellinformazione

Correlazione con diversi metodi diagnosticiCorrelazione con diversi metodi diagnostici

Versatilit (es. variazione parametrica)Versatilit (es. variazione parametrica)

Informazioni originali rispetto ad altri Informazioni originali rispetto ad altri metodologiametodologia

VantaggiVantaggi

Flash di luce a frequenza crescente

1 sec 6 sec

11 sec 16 sec

Modulazione parametrica in un compito di memoria di lavoro

Correlazione flusso cerebrale e punteggio della Dementia Rating Scale

VantaggiVantaggi

Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello

Solo aspetti cognitivi?Solo aspetti cognitivi?

Solo aspetti cognitivi?Solo aspetti cognitivi?

FarmacocineticaFarmacocinetica

FarmacoFarmacoEsperienzaEsperienzaclinicaclinica Epidemiologia

Epidemiologia

FarmacodinamicaFarmacodinamica

LocalizzazioneLocalizzazione e e caratterizzazionecaratterizzazione

recettorialerecettoriale

SitiSiti funzionalifunzionalidellazionedellazione deidei

farmacifarmaci

FarmacocineticaFarmacocinetica

FarmacoFarmacopsicotropopsicotropo

FarmacodinamicaFarmacodinamica

EpidemiologiaEpidemiologiaEsperienzaEsperienza

clinicaclinica

LocalizzazioneLocalizzazione e e caratterizzazionecaratterizzazione

recettorialerecettoriale

SitiSiti funzionalifunzionalidellazionedellazione deidei

farmacifarmaci

AgingAgingAtrophy and neuronal loss

Young Older Alzheimer

Symptoms

Age

Plasticit dellinvecchiamentoPlasticit dellinvecchiamento

Aree distinte del cervello possono esserereclutate per compensare o vicariare alcuneabilit cognitive deficitarie Regioni corticali che partecipano al compito Le regioni corticali tendono a compensare

quando il compito diventa pi difficile

Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello

Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello

Perch studio in vivo?1. Differenze in vitro e in vivo2. Limite anatomico: santuario anatomico

Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello

Perch studio in vivo?3. Segregazione e integrazione funzionale

Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello

Perch studio in vivo?

4. Limite dei modelli animali

Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello

La prima esperienza di Angelo Mosso: laumento dellattivit cerebrale induce un aumento di flusso ematico

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

Fisiologia della Correlazione Flusso Fisiologia della Correlazione Flusso EmaticoEmatico--MetabolismoMetabolismo CerebraleCerebrale

Nonostante i numerosi sforzi per risolvere il quesito del coupling, il meccanismo fisiologico ancora sconosciuto: dopo lipotesi omeostatica di Roy e Sherrington, sono stati

suggeriti differenti modelli di regolazione dinamica cerebrovascolare e vari agenti mediatori di tipo biometabolico.

Recentemente, stata proposta unipotesi di regolazione multilivello, che interessa anche le cellule neurogliali

Il metabolismo cerebrale del glucosioIl metabolismo cerebrale del glucosio Tessuto nervoso comprende neuroni e cellule gliali

In condizioni fisiologiche lossidazione del glucosio a CO2 ed H2O pressoch lunica 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'O2 (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 unaumentata richiesta metabolica

i prodotti del metabolismo energetico (CO2, ADP, AMP) contribuiscono a regolare laumento di flusso ematico

l'interruzione completa del flusso ematico cerebrale comporta perdita di coscienza in pochi secondi e danni irreversibili in pochi minuti

Il neurone : la struttura di baseIl neurone : la struttura di base Il neurone lunit 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:

Connessioni Connessioni neuronalineuronali

La sinapsiLa sinapsi La sinapsi, presente sul terminale assonico (ma non solo),

rappresenta lunita fisico-funzionale di trasmissione dellimpulso nervoso

Essa costituita da un elemento presinaptico (il bottone e la membrana dellassone) separato, da un vallo sinaptico, dallelemento post-sinaptico (la membrana di un dendrita, di un pirenoforo o di un altro assone)

Potenziale Potenziale postpost--sinapticosinaptico

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

Le propriet elettriche del neurone:Le propriet elettriche del neurone:il potenziale dazioneil potenziale dazione

Il metabolismo cerebrale del glucosioIl metabolismo cerebrale del glucosio Tessuto nervoso comprende neuroni e cellule gliali

In condizioni fisiologiche lossidazione del glucosio a CO2 ed H2O pressoch lunica 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'O2 (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 unaumentata richiesta metabolica

i prodotti del metabolismo energetico (CO2, ADP, AMP) contribuiscono a regolare laumento di flusso ematico

l'interruzione completa del flusso ematico cerebrale comporta perdita di coscienza in pochi secondi e danni irreversibili in pochi minuti

Lipoglicemia si associa a confusione mentale, obnubilamento del sensorio coma

Questi effetti possono essere corretti dalla somministrazione di glucosio o di mannosio

ma non dai substrati intermedi della glicolisi, che non possono passare attraverso la BEE

condizionifisiologiche

ipoglicemia grave ipoglicemiacon coma

Glicemia (mg/dL)

Consumo di Glucosio(mg/100g/min)

Consumo di O2(ml/100g/min)

Flusso Ematico Cerebrale(ml/100g/min)

8

0,8

1,9

63

19

2,3

2,6

60

70-100

5,5

3,5

58

Mannosio Mannosio-6-P Fruttosio-6-PEsochinasi

Fosfatoisomerasi

ATP ADP

Il metabolismo energetico cerebrale:Il metabolismo energetico cerebrale:Effetti della deprivazione di glucosioEffetti della deprivazione di glucosio

Glicogeno

Glucosio-1-P

Glucosio Glucosio-6-PGlicolisi

Piruvato

sintesi componenti cellulari (glicoproteine,

glicolipidi, ecc.)

Lattato

10%sintesi e metabolismo di neurotrasmettitori

(ossidasi, ossigenasi ecc.)

Acetil-CoA

Ciclo di Krebs

CO2 + H2O36-38 ATP

~ 10-15%

~ 85-90%

condizioni anaerobiche

90%ossidazionedel glucosio

Fosforilazione ossidativa

Ribulosio-5-P

condizioniaerobiche

shunt5-8%

UDP-glucosio

O2

Fosforilasi a

Glucosio-6-fosfatasi

Esochinasi

2 ATP

La glicolisi libera solo il 5,2% dellenergia totale

disponibile nella molecola di glucosio e che pu essere ricavata dallossidazione

completa a CO2 e H2O

DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E ODESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O22

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 destinata a mantenere la funzione della pompa Na+/K+

Consumo di ATP nel Cervello in CondizioniConsumo di ATP nel Cervello in Condizionidi Riposo di Riposo SomatosensorialeSomatosensoriale

DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E ODESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O22

Stimolando una cellula nervosa si provoca la sua depolarizzazione e lo sviluppo di un potenziale dazione, caratterizzato a livello intracellulareda un aumento del sodio e da una diminuzione del potassio

Laumento dellattivit di trasmissione sinaptica aumenta lattivit 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%

Eventi legati allAttivazione Neuronale CerebraleEventi legati allAttivazione Neuronale Cerebrale

Esperimento di Mata e coll., 1980J Neurochem, 34: 213-215

preparati in vivo di cellule nervose

del 30%

=consumo di glucosio

stimolazione elettrica a 10 Hz

UABAINAblocco della pompa

Na+/K+

Il maggior quantitativo di ATP prodotto durante Il maggior quantitativo di ATP prodotto durante l'attivazione neuronale utilizzato esclusivamente per l'attivazione neuronale utilizzato esclusivamente per

il funzionamento della pompa il funzionamento della pompa NaNa++/K/K++

Eventi legati allAttivazione Neuronale CerebraleEventi legati allAttivazione Neuronale Cerebrale

Il consumo di ATP avviene a livello delle Il consumo di ATP avviene a livello delle sinapsi e non dei corpi cellularisinapsi e non dei corpi cellulari

Eventi legati allAttivazione Neuronale CerebraleEventi legati allAttivazione Neuronale Cerebrale

Esperimento di Kadekaro e coll., 1987 Proc Natl Acad Sci USA, 84: 5492-5495

Laumento dellattivit 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 lunica via metabolica lossidazione del glucosio con produzione di ATP

LATP serve a ripristinare il potenziale di membrana

Il glucosio rappresenta un indice indiretto dellattivit neuronale sinaptica

Il consumo di ATP avviene a livello delle sinapsi e non dei corpi cellulari

Eventi legati allAttivazione Neuronale CerebraleEventi legati allAttivazione Neuronale Cerebrale

Esplorazione funzionale in vivo dei correlati Esplorazione funzionale in vivo dei correlati neurometabolici dellattivit cerebraleneurometabolici dellattivit cerebrale

attivit neuronale sinaptica

richiesta di ATP

richiesta di

ossigeno e

glucosio

flusso ematico cerebrale

attivit della

pompa Na+/K+

Rip

oso

Att

ivaz

ion

e

= HbO2

= Hb

-70

0

+50

mV

2 msec31

metabolismo ossidativo del

glucosio e produzione di

ATPHH221515OO--PETPETfMRIfMRI

FDGFDG--PETPETsMRIsMRI

EEGEEGMEGMEGTMSTMS