L’aumento dell’attività neuronale in una regione cerebrale ... · Esplorazione funzionale in...
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• 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 Eventi legati all’Attivazione Neuronale Cerebrale Eventi legati all’Attivazione Neuronale Cerebrale
Transcript of L’aumento dell’attività neuronale in una regione cerebrale ... · Esplorazione funzionale in...
• 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
Eventi legati all’Attivazione Neuronale CerebraleEventi legati all’Attivazione Neuronale Cerebrale
Esplorazione funzionale in vivo dei correlati Esplorazione funzionale in vivo dei correlati neurometabolici dell’attività cerebraleneurometabolici dell’attività cerebrale
attività neuronale sinaptica
richiesta di ATP
richiesta di
ossigeno e
glucosio
flusso ematico cerebrale
attività 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
La tomografia ad La tomografia ad emissione di positroniemissione di positroni
Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni
• Presupposti fisici:• Radionuclidi a breve emivita (es. 18Fluoro, 15Ossigeno) che
decadono ed emettono positroni
• Positroni ed elettroni (stessa massa, carica opposta) annichilano e danno origine a due raggi γ in direzione diametralmente opposta, rilevabili da appositi detettori (Tomografo PET)
Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni
• 18FDG per misurare il metabolismo glucidico
• H215O per misurare il
flusso ematico
misurano l'attività sinaptica neuronale di un determinato
distretto cerebrale
Caratteristiche distintive
• emivita (min)• tempo di osservazione (min)• durata singolo studio (min)• numero di studi possibili
nella stessa sessione PET
18FDG H215O
11045 651-2
21 - 41 - 4> 10
• Sostanze di interesse biologico, quali substrati metabolici, possono essere marcati usando questi radionuclidi positrone-emittenti
• Per lo studio in vivo del metabolismo cerebrale possiamo utilizzare:
HO
HO-CH2
OH
H
H
OH
HO
H
OH
H
( 18F )
[18F]deossi-glicogeno
[18F]glicolipidi[18F]glico-proteine
[18F]UDPDG
[18F]deossiglucosio-1-P
[18F]deossiglucosio-6-P
glucosio-6-P
fruttosio-6-P
CO2 + H2O
Tessuto cerebralePlasma
[18F]deossiglucosioB
arrie
ra e
mat
o-en
cefa
lica
[18F]deossi-glucosio
glucosio glucosio
Il modello del Il modello del 1818FluoroFluoro--22--deossideossi--DD--glucosio nello glucosio nello Studio in vivo del Metabolismo Glucidico Cerebrale Studio in vivo del Metabolismo Glucidico Cerebrale
precursori prodotti metabolici
K*2
K*1
K1
K2
K*3
K3esochinasi fosfoglucosio
isomerasi
esochinasi
glucosio 2-deossi-D-glucosio
HO
HO-CH2
OH
H
H
H
HO
H
OH
H
G-6-Pasi
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
Studio del Metabolismo Cerebrale del Glucosio in vivo Studio del Metabolismo Cerebrale del Glucosio in vivo nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche
• Condizione di riposo
• Effetti della stimolazione sensoriale visiva
occhi chiusi 1 occhio 2 occhi scenacomplessa
0
10
20
30
40
50
60
Corteccia Visiva
aum
ento
% d
el m
etab
olis
mo
del g
luco
sio
Adapted from Gusnard & Raichle (2001)
Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell’Uomo in Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell’Uomo in Condizioni FisiologicheCondizioni Fisiologiche
18FDG -glucosio
18F-fluorodopa
18F-fluoroetilspiperone
Anziano
Sano
Malato
AD
Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell’Uomo in Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell’Uomo in Condizioni FisiologicheCondizioni Fisiologiche
PET: PET: MetodologiaMetodologia
La raccolta dei dati e i metodi di analisidipendono dallo studio in questione
• Immagine semiqualitativa singola (immaginestatica clinica)
• Analisi più dettagliate richiedonoun’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 PET staticastatica semiqualitativasemiqualitativa singolasingola
TAC = time-activity (concentration) curve
0 15 30 45 60 75 900
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Con
cent
ratio
n of
aut
hent
ic tr
acer
(kB
q/m
L)
Time (min)
0 15 30 45 60 75 900
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Con
cent
ratio
n in
tiss
ue (k
Bq/
mL)
Time (min)
TAC of tracer concentration
in arterial blood
TAC of concentrationin tissue measured by
PET scanner
Tissue characteristics:Perfusion
Endothelial permeabilityVascular volume fraction
Transport across cell membranes
Specific binding to receptorsNon-specific binding
Enzyme activity
ImmagineImmagine dinamicadinamica quantitativaquantitativa
Arterial FDG
Venous FDG
Interstitial FDG
Intracellular FDG
Intracellular FDG-6-P
• 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
TAC = time-activity (concentration) curve
ImmagineImmagine dinamicadinamica quantitativaquantitativa
Metodologia PET: confronto tra gruppiMetodologia PET: confronto tra gruppi
GRUPPO A GRUPPO B
IMMAGINERISULTATO
NORMALIZZAZIONESPAZIALE
ANATOMICA(Talairach
eTournoux
Atlas)
#1
#2
#3
#4
#5
…n
ANALISI STATISTICA
(ANOVA, T-TEST, CORRELAZIONE)
Metodologia PET: Attivazione Metodologia PET: Attivazione vsvs condizione di riposocondizione di riposo
ATTIVAZIONE RIPOSO CONTROLLO
IMMAGINE MEDIADELLE DIFFERENZE
NORMALIZZAZIONE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas)IMMAGINI INDIVIDUALI DI DIFFERENZA
La sottrazione cognitiva è nata con gli esperimenti di reazione motoria(F. C. Donders).
Assunzione della inserzione pura: Si può inserire unacomponente nel compito sperimentale senza interferirecon le altre componenti (N.B. grosso limite inerpretativo!)
Esempio:
T1: Premi un bottone quando appare una luceT2: Premi un bottone quando appare una luce verde ma non rossaT3: 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 coloriT3 – T2 = tempo per prendere una decisione F. C. Donders
ParadigmaParadigma sperimentalesperimentale
LogicaLogica delladella sottrazionesottrazione
PerchPerchéé la PET??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)
PerchPerchéé la PET??la PET??
La tomografia ad La tomografia ad emissione di positroni emissione di positroni
tra applicazioni tra applicazioni cliniche…cliniche…
Alzheimer’s Disease: Diagnosis
M 65 yrs
Alzheimer’s Disease: Evolution
Alzheimer’s Disease: Correlation with Clinical Symptoms
PET in the Evaluation of Dementia: Predicting Evolution
Silverman DHS et al., JAMA, 2001
PET in the Evaluation of Dementia: Differentiating cognitive impairments
Fronto-temporal dementia
F 70 yrs
Vascular Dementia
Visual Variant
The role of in vivo brain functional explorationmethodologies 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 patientsno ApoE ε4
Alzheimer patientswith ApoE ε4
HealthySubjectsno ApoE ε4
HealthySubjectswith ApoE ε4
vs
vs
vs
Parieto-occipitalcortex
Alzheimer patientsno ApoE ε4
Alzheimer patientswith ApoE ε4
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
PET - applicazioni cliniche
Oncologiche
Cardiache
Cerebrali
Malattie Infettive
Farmacologiche
Metaboliche
PET-FDG: diagnosi e caratterizzazione
PET-FDG: stadiazione
