Meccanismi psicobiologici di impulsività e propensione

all‟azzardo: Modelli animali e differenze di età

Dr. Walter Adriani

Sezione di Neuroscienze Comportamentali

Dipartimento di Biologia Cellulare e Neuroscienze

Istituto Superiore di Sanità, Roma

E’ un concetto che può essere definito in vari modi:

Incapacità di saper aspettare o di inibire comportamenti inappropriati

Tendenza ad agire senza prevedere le possibili conseguenze

Insensibilità alle conseguenze avverse generate dal proprio agire

Le due principali categorie d’impulsività sono:

Impulsività motoria: incapacità di resistere a un forte impulso, a una pulsione o a una tentazione

Impulsività cognitiva: scelta, fra opzioni, presa senza considerare alternative e/o conseguenze

Il comportamento esageratamente impulsivo è un sintomo clinico significativo in una serie di

patologie psichiatriche, caratterizzate da un controllo inibitorio inappropriato :

Disturbo da deficit di attenzione / iperattività (ADHD)

Disturbi ossessivo-compulsivi

Abuso di sostanze (alcool, fumo, nuove droghe “smart”)

Gioco d‟azzardo patologico

Impulsività

Bambini ADHD

Deficit dell‟attenzione

Impulsività

Eccessiva attività motoria

Rendimento scolastico basso

Difficoltà di relazionarsi con i coetanei

Bassa autostima dovuta a fallimenti ripetuti

Disturbo da deficit dell’attenzione / iperattività (ADHD)

E‟ il più comune tra i disturbi neuro-comportamentali in bambini e adolescenti

La prevalenza stimata è del 4-7% negli USA e dell‟ 1-3% in Europa

É circa 4 volte più frequente nei maschi che nelle femmine

C‟è una elevata co-morbidità con altri disturbi neuropsichiatrici

Nell‟80% dei bambini con ADHD, i sintomi permangono nell‟adolescenza; nel 30-50% di questi casi,

essi persistono anche in età adulta.

Adulti ed adolescenti ADHD

Deficit dell‟attenzione

Impulsività

Propensione al rischio

Gioco d‟azzardo patologico

Abuso di alcool e droghe

Personalità antisociale

Breve panoramica sulla patologia

Gioco d’azzardo patologico (GAP)

Colpisce lo 0.2-5.3% degli adulti nella popolazione mondiale

Inizia sempre più ad essere un problema anche tra gli adolescenti

3.5-8.0% degli adolescenti rientra nei criteri diagnostici del GAP

C‟è co-morbidità con una serie di altri disturbi e con l‟abuso di sostanze

Nel DSM-V: da “Disturbo del controllo degli impulsi, non classificato

altrove” a “Disturbo correlato a sostanza”

Il GAP come una “dipendenza senza sostanza”: tolleranza, crisi di

astinenza, perdita di controllo sul comportamento

Breve panoramica sulla patologia

Sintomi psicologici

• Alterazione dell‟umore

• Alterata autostima

• Aumento della impulsività

• Comportamenti superstiziosi

Sintomi fisiologici

• Ansia correlata a sintomi fisici

• Insonnia

• Mal di testa

• Infarti (dovuti a stress e a sovra-

eccitazione da gioco d‟azzardo)

Impatto sulla società

• Problemi finanziari,

sociali, e legali (inclusi:

fallimento, divorzio, perdita

del lavoro, galera)

• Tentativi di suicidio

• Abuso di sostanze

Propensione all‟azzardo

I vari giochi combinano questi elementi in modi

differenti:

Poker, Black Jack = alea (fortuna) + agon (competizione)

Russian roulette = alea (fortuna) + ilynx (vertigine)

Competizione

P.Es. scacchi

Probabilità, caso

P.Es. slot machine

Abilità

P.Es. imitazione o

pantomima

Vertigine

P.Es. montagne

russe, paracadute

Una definizione di gioco d’azzardo

Gioco che consiste nello scommettere denaro, o altri beni equivalenti, sul futuro esito di un

evento che presenti un margine di incertezza, in vista della vincita di un premio; la vincita è

strettamente legata al caso e non all‟abilità individuale.

Test e scale di personalità:

Barratt Impulsiveness Scale (BIS)

Eysenck Impulsiveness Scale (EIS)

UPPS Impulsive Behaviour Scale

Paradigmi comportamentali (in ambito clinico e sperimentale, inclusi modelli animali):

Marshmallow Test (solo negli umani)

Delay Discounting / Delay Intolerance

Go/No-Go Task

Stop-Signal Reaction Time (SSRT) Task

Differential Reinforcement of Low Response Rate Task (DRL)

Per misurare l‟impulsività

Ritardo nella consegna della ricompensa

Inibizione della risposta

Test e scale di personalità :

South Oaks Gambling Screen (SOGS)

South Oaks Gambling Screen Revised for Adolescents (SOGS-RA)

Gambling Attitudes and Beliefs Survey (GABS)

Canadian Problem Gambling Index (CPGI)

Paradigmi comportamentali (in ambito clinico e sperimentale, inclusi modelli animali):

Iowa Gambling Task (IGT)

Balloon Analogue Risk Task (BART) (solo negli umani)

Probability Discounting Task (PDT)

Per misurare la propensione all‟azzardo

Aree cerebrali coinvolte nella impulsività e propensione all‟azzardo

Corteccia pre-frontale

Elaborazione e attuazione delle risposte

comportamentali più evolute

Inibizione attiva delle risposte sottocorticali

Striato dorsale

Apprendimento di nuove procedure e di

strategie abitudinarie

Formarsi e stabilirsi di “riti” e abitudini

Comportamenti semi-automatici innati e/o

acquisiti

Striato ventrale (nucleus accumbens)

Gratificazione correlata alla ricompensa

Valutazione del valore della ricompensa

Sostiene e motiva le pulsioni che portano al

raggiungimento degli obiettivi

Corteccia pre-frontale

Coinvolta nella risoluzione di scelte binarie o multiple, attraverso la pianificazione, regolazione sulla

base del risultato (feedback) e inibizione dei comportamenti concorrenti (Dalley et al. 2004)

Promuove l‟attenzione cognitiva sia verso le caratteristiche dello stimolo, sia verso le caratteristiche

del compito, supportando i cambiamenti attentivi e la flessibilità cognitiva / comportamentale

Striato dorsale

Classicamente considerato come promotore del comportamento abitudinario, innato o acquisito

Lo striato dorso-laterale è coinvolto nell‟espressione dei “riti” e delle abitudini; lo striato dorso-mediale

svolge un ruolo cruciale nel supportare la flessibilità comportamentale - permettendoci di comportarci

diversamente da quanto suggerito in prima istanza dal nostro istinto (Ragozzino 2003; Yin et al. 2004)

Striato ventrale

Consiste nel nucleo accumbens (NAcc) e nel tubercolo olfattivo

Coinvolto nei processi di rinforzo: svolge la valutazione “affettiva” delle caratteristiche dell‟esito di una

scelta, e la modulazione (feedback) delle scelte successive (Cardinal et al. 2004; Christakou et al. 2004)

Il NAcc svolge un ruolo cruciale nella motivazione a compiere sforzi volti a raggiungere gli obiettivi,

determinando il massimo sforzo sostenibile (Salamone et al. 2005; Salamone et al. 2007)

Aree cerebrali coinvolte nella impulsività e propensione all‟azzardo

Sistemi neurochimici di trasmissione

Sistema Dopaminergico Sistema Serotoninergico

Neurotrasmettitore: Dopamina, DA

Origine: Ventral tegmentum; Substantia nigra

Target: Nucleus accumbens; Striato dorsale

Neurotrasmettitore: Serotonina, 5-HT

Origine: Raphe nuclei (mesencefalo)

Target: Corteccia pre-frontale

Neurotrasmettitore: Dopaminae Neurotrasmettitore: Serotonina

Sistemi neurochimici di trasmissione

Sistema di rinforzo e ricompensa

Circuito costituito da neuroni dopaminergici

che, dall‟ Area Tegmentale Ventrale (VTA),

vanno ad innervare il Nucleus Accumbens e

parte della Corteccia pre-frontale

Questo importante sistema neurochimico è

chiamato sistema meso-limbico e agisce in

parallelo con quello meso-corticale

Altro sistema, implicato nell‟apprendimento

procedurale, è quello nigro-striatale

Il sistema della gratificazione nei disturbi di controllo degli impulsi

Alterata percezione della ricompensa vs. alterata sensibilità al rinforzo

Corteccia pre-frontale (mediale e orbitale) e area ventro-striatale (Nucleus Accumbens): regolano i

processi motivazionali, di gratificazione e di “aspettativa” (valore attribuito a rinforzi futuri)

I circuiti cortico-striatali dorso-mediale e dorso-laterale regolano le azioni semi-automatiche

Entrambi i sistemi, dipendenti dall‟attività della dopamina, sono attivati dagli psicostimolanti

Le proiezioni meso-limbiche e meso-corticali, che originano dalla VTA

Il sistema della ricompensa nell‟adolescenza

Alla pubertà, aumenta il numero di neuroni

dopaminergici che proiettano alla corteccia

pre-frontale; sovraproduzione dei recettori

della dopamina, con conseguente “pruning”

Il “pruning” dei recettori avviene prima

nelle regioni limbiche (sub-corticali) e solo

successivamente in quelle (pre)corticali

Spostamento dell‟equilibrio esistente tra i

“due” sistemi dopaminergici, sub-corticale e

corticale; dominanza, dopo l‟adolescenza,

del sistema meso-corticale (Davey et al., 2008)

Spiegazione della vulnerabilità ai disturbi mentali in adolescenza

Il grafico in alto descrive l‟età nell‟uomo alla

quale insorgono depressione e uso di droghe; in

basso è rappresentato lo sviluppo del sistema

limbico e della corteccia pre-frontale (PFC) nello

stesso intervallo di tempo.

Lo sfasamento di sviluppo tra il sistema

limbico e la corteccia pre-frontale è responsabile

della elevata vulnerabilità ai più vari disturbi

mentali in adolescenza (Davey et al., 2008).

Lo sviluppo della sostanza grigia corticale segue un modello regionale specifico. La sostanza grigia

diminuisce man mano che il cervello matura. In figura, lo sviluppo del cervello è riassunto in 5 immagini

in cui si nota il passaggio da rosso = meno maturo a viola = più maturo (Lenroot & Giedd, 2006).

Differenze di età negli esseri umani: MRI anatomica

Differenze di sesso ed età nell‟impulsività degli umani

(A) Grafico sulla sensation-seeking ed impulsività

in funzione dell‟età. (B) Grafico che illustra l‟attività

in due regioni del cervello, implicate nel feedback

(la valutazione dei risultati), durante un compito di

controllo cognitivo; si noti l‟andamento durante lo

sviluppo adolescenziale (Casey & Jones, 2010).

Gli effetti della deplezione acuta di triptofano

(ATD) sul tipo di risposta in uomini e donne.

Uno stile di risposta < 1 indica una risposta

impulsiva, mentre > 1 indica una risposta

equilibrata (Walderhaug et al., 2007).

Differenze di età e sesso nella propensione all‟azzardo in umani

Un campione di 4494 giocatori è stato preso da IPSAD-Italia 2007-2008 (Italian Population Survey on

Alcohol and Drugs) al fine di esaminare differenti pattern di gioco d‟azzardo; esso è stato valutato

utilizzando il Canadian Problem Gambling Index - Short come scala (Bastiani et al., 2013).

Giovani

(15-24 anni)

Adulti

(25-64 anni)

Differenze di età e sesso in propensione all‟azzardo in umani

Distribuzione dei soggetti italiani, registrati per la terapia contro il gioco d‟azzardo patologico nel 2011,

suddivisi per sesso ed età (totale di 4544 soggetti, di cui l‟ 82% sono uomini ed il 18% donne).

Gli adolescenti umani possono presentare dei comportamenti devianti e/o a rischio, tra

cui la ricerca e l‟utilizzo di sostanze psicoattive (e altre fonti di “sensazioni”).

Il ritardo nella maturazione tra la corteccia pre-frontale e le aree sub-corticali (limbiche) ha

un ruolo importante e può spiegare la manifestazione di comportamenti “sregolati”.

Negli ultimi vent‟anni, il contributo della pubertà, con tutti i suoi rimodellamenti nei

processi neurobiologici e neuroendocrinologici importanti per lo sviluppo, ha ricevuto

un‟attenzione crescente nella investigazione sperimentale.

E‟ quindi importante caratterizzare il comportamento di ricerca della novità e del rischio

nei roditori di laboratorio, durante l‟adolescenza e/o utilizzando modelli specifici.

Riassumendo

Modelli animali in neuroscienze comportamentaliModelli animali

Permettono di indagare le relazioni tra il cervello e il

comportamento, con l‟obiettivo di approfondire la nostra

conoscenza sui comportamenti normali e anormali, e sui

sottostanti processi neuro-cerebrali e neuro-endocrinologici

(van der Staay, 2006)

Permettono di analizzare alcune di queste relazioni in

condizioni controllate (per es., condizioni di stabulazione

standardizzate)

Perché i modelli animali sono necessari?

Per ottenere quelle informazioni che non possono essere

acquisite in altri modi (per es., manipolazioni genetiche ed

ambientali, trattamenti farmacologici, sostanze psicoattive,

ecc.)

Approcci in vitro non possono riprodurre le interazioni in

sistemi viventi complessi, come le relazioni tra il cervello e il

comportamento

Validità dei modelli animali

La distinzione tra differenti forme di validità è utile al fine di identificare debolezze e limitazioni di un

modello: una scarsa validità determina un aumento del numero di falsi positivi e falsi negativi nella

ricerca di base, limitando in tal modo la possibilità di sviluppare nuove strategie terapeutiche (Willner

1984, 1995, 2002; van der Staay 2006, 2009).

Categorie di validità

Validità interna (affidabilità e replicabilità): si riferisce alla qualità intrinseca della valutazione

sperimentale condotta nel modello animale.

Validità di “facciata” (validità apparente): indica la similarità fenomenologica tra il modello e la

condizione alla quale il modello si riferisce.

Un animale modello con elevata validità predittiva permette l‟estrapolazione dell‟effetto, esercitato

da una particolare manipolazione sperimentale (o farmaco), dal modello alla specie umana.

Validità di costrutto: fa riferimento al grado di similarità biologica, tra i meccanismi alla base del

comportamento nel modello animale e quelli alla base del comportamento nella condizione che il

modello si propone di riprodurre.

Validità esterna (generalizzabilità): fa riferimento alla misura in cui i risultati ottenuti usando un

particolare modello animale possono essere generalizzati ad altre specie più simili all‟uomo.

Un confronto tra sviluppo negli umani e nei ratti (Andersen,

2003).

Sviluppo umani-ratti a confronto

“Impulsività motoria” (azione impulsiva) può essere valutata con paradigmi che non sono basati sulla

scelta, e che ricordano il classico“Go/No-Go Task” utilizzato negli umani.

La valutazione della “impulsività cognitiva” (scelta impulsiva) richiede paradigmi che vertono su scelte

binarie o multiple; uno dei più utilizzati è il “delay-discounting”.

Soggetti impulsivi sono molto intolleranti a situazioni in cui la ricompensa è ritardata: premi più

piccoli ma che arrivano immediatamente sono preferiti rispetto a quelli più grandi, ma che arrivano

solo dopo un ritardo (Thiebot et al., 1985; Logue, 1988; Evenden & Ryan, 1996; 1999; Bizot et al., 1999)

Il “five-choice serial reaction time task (5CSRTT)”: inizialmente sviluppato per studiare l‟attenzione,

implica aspetti di inibizione comportamentale, tra cui: risposte premature, perseverative (Carli et al., 1983).

Il “unpredictable operant conditioning schedule (variable interval-15, VI-15)” : ci consente di

misurare le risposte “liberamente” emesse durante un periodo refrattario variabile (Coppens et al., 2012).

Il “conditioned locomotor activity to food” : un paradigma non operante che consente di misurare

la disinibizione comportamentale (Matthews et al., 1996; Winstanley et al., 2004).

Lo studio dell‟impulsività in modelli animali

Studio della propensione all‟azzardo in modelli animali

Molti paradigmi operanti sono stati sviluppati per studiare l‟(in)tolleranza verso l‟incertezza e/o la

propensione all‟azzardo (Mobini et al., 2000; Cardinal & Howes, 2005; Adriani et al., 2006; Wilhelm & Mitchell, 2008).

“Probabilistic Delivery Task (PDT)”: scelta tra una ricompensa di cibo piccola e sicura, oppure una

ricompensa grande che verrà consegnata o meno sulla base del caso - quindi, potrà arrivare oppure

no in maniera random (Adriani & Laviola, 2006; Adriani et al., 2006).

“Iowa Gambling Task (IGT)”: scelta tra bassa probabilità di ottenere un premio grande o elevata

probabilità di ottenere un premio piccolo (van den Bos et al., 2006).

“Risky Decision-Making Task (RDT)”: scelta tra una ricompensa di cibo piccola ma sicura, oppure

una più grande ma associata al rischio di ottenere in maniera random anche una punizione (per es.,

una lieve scossa elettrica) (Simon et al., 2009).

“Incertezza”, “Rischio”, “Perdita”

“Incertezza” e “Rischio” non sono sinonimi

Il “rischio di perdere” è diverso dal “non riuscire a vincere”

“Rischio”: implica una conseguenza apertamente negativa (per es., lieve scossa elettrica alle zampe)

“Rischio di perdere”: quando una scommessa non va a buon fine, si hanno meno risorse rispetto alla

situazione di partenza

“Non riuscire a vincere”: assenza di qualsiasi ulteriore guadagno, situazione che causa “frustrazione”

Molti paradigmi di scelta operante (Adriani & Laviola, Cardinal and Howes, 2005; Mobini et al., 2000 van den

Bos et al., 2006) hanno a che fare esclusivamente con il “non riuscire a vincere” (per es., omissione della

ricompensa, oppure: consegna di un premio sgradevole): non v‟è nessun rischio di finire la sessione in

condizione di svantaggio rispetto alla situazione di partenza

Ogni caso di insuccesso è un evento “sfortunato” - che causa una “frustrazione” - ma non si tratta

necessariamente di un “rischio”

L‟attrazione verso una ricompensa incerta può essere correlata alla “propensione all‟azzardo”, ma

non riflette necessariamente il concetto di “propensione al rischio”

paradigmi operanti per lo studio di

Impulsività: Intolerance to Delay (ID) task

Propensione all‟azzardo: Probabilistic Delivery (PD) task

Lo studio della impulsività e della propensione all‟azzardo nel nostro

laboratorio

Classiche gabbie operanti o pannelli operanti all‟interno delle gabbie di stabulazione

Classiche gabbie operanti

(Skinner-box)

pannelli operanti

all’interno delle gabbie di

stabulazione

A

A

B B

C C

D D

A: Fori per il nose-poking

B: Luce, indica:

Durata del ritardo (ID task)

Flash (4 s) tra il nose-poke e la

consegna del rinforzo (PD task)

C: scomparto, dove vengono

rilasciati i pellet di cibo

D: luce - illumina lo scomparto

dei pellet, e segnala la durata

del timeout (TO)

Rappresentazione schematica di un apparato

Timeout (TO): un breve periodo

(di circa 30 s) successivo alla

consegna del cibo, in cui ogni

ulteriore nose-poking viene

registrato, ma non ha alcuna

conseguenza (detti, pertanto,

nose-pokes inadeguati)

Paradigmi per misurare la impulsività

nose-poking

nel foro

“Small &

Soon” (SS)

immediata

consegna di

1-2 pellets

nose-poking

nel foro

“Large &

Late” (LL)

consegna di 5-6 pellets

dopo un ritardo,

che aumenta

progressivamente ogni

sessione giornaliera

TO RT

SS nose-poking

delay TO RT

LL nose-poking

delay TO RT

LL nose-poking8 sessioni di test, ritardo da 0 s fino a 90 s

(precedute da 3 sessioni di training a ritardo 0 s)

Intolerance to Delay (ID) task

impulsività

TO: timeout

RT: response time

Probabilistic Delivery (PD) task

Propensione all‟azzardo

Paradigmi per misurare la propensione all‟azzardo

11 sessioni di test, da una probabilità del 99% fino

ad arrivare al 9% (precedute da 2 sessioni di

training a probabilità pari al 99%)

TO RT

SS nose-poking

TO RT

LLL nose-poking

LLL nose-poking

TO RT

X

nose-poking

nel foro

“Small &

Sure” (SS)

sicura

consegna di

1-2 pellets

nose-poking nel

foro “Large &

Luck-Linked”

(LLL)

consegna (o no) di 5-6 pellets,

a seconda del livello di probabilità

percentuale “p”, che diminuisce

progressivamente ogni giorno

TO: timeout

RT: response time

Intolerance to

Delay (ID) task

Probabilistic

Delivery (PD) task

TO: timeout

RT: response time

Il punto di indifferenza

Entrambe le scelte sono

identiche, da un punto di

vista puramente matematico,

in termini di guadagno totale

Differenze di età nella propensione all‟azzardo

Comportamento di propensione all‟azzardo leggermente aumentato nei ratti adolescenti (pnd 36-49)

rispetto agli adulti (pnd 67-80) .

Livelli di propensione all’azzardo

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

middle adolescents adults

age

slo

pe

of

pre

fere

nc

e-o

dd

s c

urv

e

#P = 0.07

0

25

50

75

100

0 5 10 15 20 25 30

experienced odds

% c

ho

ice o

f th

e larg

e r

ew

ard

GAMBLING PART(n = 12)

(n = 14)

0

2

4

6

8

10

50 33 25 20 17 14 11

level of probability "p" (%)

n in

ad

eq

ua

te n

os

e-p

ok

es

x t

ria

l

middle adolescents

adults

Frequenza negli adulti paragonabile a quanto riscontrato in precedenza in ratti adulti testati

individualmente (Zoratto et al., 2012); frequenza sorprendentemente bassa negli adolescenti.

Frequenza di risposte

inadeguate, come indice di

“frustrazione”

* **** **

** ** ** **** ** **

0

2

4

6

8

10

50 50 33 33 25 25 20 20 17 17 14 14 11 11

level of probability "p" (%)

n in

ad

eq

ua

te n

os

e-p

ok

es

x t

ria

l

GAMBLING PART

(n = 12)

(n = 14)

0

2

4

6

8

10

50 33 25 20 17 14 11

level of probability "p" (%)

n in

ad

eq

ua

te n

os

e-p

ok

es

x t

ria

l

middle adolescents

adults

Considerando i tratti comportamentali tipici dell‟adolescenza, ci aspettavamo che i ratti adolescenti

dovessero essere molto più soggetti all‟ attrazione verso una ricompensa incerta

Nose-poke inadeguati in reazione all‟omissione della ricompensa sono un indice di frustrazione; gli

adolescenti potrebbero dunque essere “insensibili” alla perdita di una ricompensa.

La risposta cerebrale e comportamentale alla punizione è ridotta? improbabile!

Aumento del valore soggettivo del rinforzo secondario? ruolo delle luci …

Fori di nose-poking

Luce, nei

due fori di

nose-

poking

Luce, di

“casa”

Deposito di cibo

Luce, del

deposito

Comportamento di gioco d’azzardo leggermente maggiore negli adolescenti

Evidenze esistenti nella ricerca clinica sperimentale: sono contrastanti e non sempre supportano le

differenze di età (Scheres et al., 2006; Crone & van der Molen, 2004)

La presenza di coetanei che osservano può rendere le attività “potenzialmente rischiose” molto più

gratificanti (Steinberg, 2005; Chein et al., 2011)

(Steinberg, 2005)

RELEASERE-UPTAKE

lentivirus e meccanismo dell’RNA-

interference in cellule di mammifero

(Cojocari D., 2010)

Farmaci usati per il trattamento dell‟ADHD: metilfenidato (Ritalin)

Manipolazione dell‟espressione del DAT con lentivirus

Delay-intolerance task. I ratti

hanno libera scelta tra:

- un solo pellet di cibo, ma

che viene consegnato

immediatamente, o

- cinque pellets di cibo,

consegnati con un certo

ritardo che aumenta

progressivamente.

DAT+

SIL

GFP

choice to delay

MODELLO DI IMPULSIVITÁ /

PROPENSIONE ALL’AZZARDO

Livelli di impulsività cognitiva

Adriani W, Boyer F, Gioiosa L, Macrì S, Dreyer J-L, Laviola G (2009) Neuroscience, 159: 47-58.

Scelta (%) della ricompensa grande ma incerta (per es., un pellet di cibo di sicuro vs. cinque pellets, consegnati o

meno, al progressivo diminuire delle probabilità).

Il compito è stato ripetuto 3 volte: ratti esposti alla

doxyciclina (doxy) nella seconda volta, per spegnere qualsiasi over-espressione

esogena del DAT.

A sinistra: media delle 3 replicazioni. A destra: ultimo punto rappresentato (p=6%)

per la prima (no doxy), seconda (sotto doxy) e

terza (no doxy) replicazione.

+DOXY

DAT+

SIL

DAT+SIL

GFP

Replication

choice

Percent (%) of

MODELLO DI IMPULSIVITÁ /

PROPENSIONE ALL’AZZARDO

Livelli di propensione

all’azzardo nel ratto

Conclusioni

In generale, il miglioramento di test quali ID e PD, e lo sviluppo di modelli animali innovativi, sono

essenziali per aumentare le conoscenze circa i meccanismi neurobiologici che caratterizzano disturbi

neuropsichiatrici, e per lo sviluppo di nuovi approcci terapeutici .

Impulsività e propensione all‟azzardo vengono modulati dall‟ età, dal sesso, da fattori genetici

(polimorfismi), da cambiamenti ambientali (stress, alterazione della dieta, trattamento farmacologico),

che agiscono andando a modificare dei marcatori specifici fondamentali del sistema dopaminergico e

serotoninergico.

Obiettivi futuri

Studi preclinici sul trattamento con farmaci attualmente usati per:

Giocatori d‟azzardo: antagonisti degli oppioidi (naltrexone,

nalmefene); inibitori selettivi di ricaptazione della serotonina,

SSRI (paroxetine, fluvoxamine)

Morbo di Parkinson: levodopa; terapie per il ripristino della

dopamina (agonisti di recettori della dopamina)

Lo svolgimento dei protocolli, effettuabili direttamente nelle gabbie

di stabulazione, ci può permettere di migliorare sia il benessere degli

animali sia la qualità dei dati sperimentali.

Hikikomori

Forme estreme di ritiro sociale sono state identificate in Giappone nei primi anni „90

I giovani si isolano nelle loro case, o camerette, per mesi o addirittura per anni

Alcuni credono che questo fenomeno possa diffondersi in tutto il mondo

Mancanza di una solida ricerca clinica

by Maggie Jones, The New York Times (January 15, 2006)

“ … spesso stanno svegli tutta la notte, ad usare

Internet, a giocare con il computer, o a guardare la

TV, e poi dormono tutto il giorno … ”

Grazie per l’attenzione

Si ringrazia, per il prezioso contributo:

Francesca Zoratto

Giovanni Laviola

Funding source:

- Italian Ministry of Health, with “under 40” Young-Investigator Project “ADHD-sythe” and

EU-FP7 “Prio-Med-Child” ERAnet Project “NeuroGenMRI” (both coordinated as PI by WA)

- The Dipartimento Politiche Antidroga, Presidenza del Consiglio dei Ministri (grant to GL)

Immagine (ratto di laboratorio) proveniente dalla

biblioteca “Understanding Animal Research”

SPETTROSCOPIA DI RISONANZA

MAGNETICA

Dati ottenuti da:

ISS (dr.ssa R. Canese)

Dorsal Striatum

Nucleus Accumbens

Prefrontal Cortex

SPETTROSCOPIA DI RISONANZA

MAGNETICA in:

striato, n. accumbens, corteccia prefrontale

I principali metaboliti possono essere così raggruppati:

tCr/PCr= total / phospho- creatine tCho = total choline

NAA = N-acetyl-aspartate Glx = glutamine + glutamate

Tau = taurine Ins = inositols phosphates

NAAtCrtCho

Glx

tCr

GluInsTau

SPETTROSCOPIA RISONANZA MAGNETICA

in: striato, n.accumbens, corteccia pre-frontale

Parametri metabolici in dStr e NAcc di ratti adulti precedentemente

inoculati con vettori lentivirali (DAT+ and/or SIL) a livello di NAcc.

Dorsal Striatum PCr/tot (%) Phospho-creatine Total creatine

GFP control 65.4±3.4 % 6.29±0.54 9.86±0.41

DAT+ 63.0±2.7 % 6.60±0.30 * 10.46±0.10 *

SIL 64.8±2.6 % 6.24±0.52 9.57±0.46

DAT+SIL 65.5±2.1 % 6.97±0.35 * 10.62±0.29 *

N. Accumbens PCr/tot (%) Phospho-creatine Total creatine

GFP control 64.3±1.5 % 6.49±0.17 10.10±0.26

DAT+ 67.5±2.3 % 6.72±0.27 9.96±0.22

SIL 59.7±3.4 % * 5.63±0.44 * 9.56±0.26

DAT+SIL 59.1±3.6 % * 5.84±0.32 * 9.80±0.26

Livelli di metaboliti indicati in unità arbitrarie, riferiti al segnale d‟acqua non soppresso. (*) p

< .05 confrontato con ratti di controllo GFP. Solo ratti DAT+SIL presentano cambiamenti in

entrambe le aree.

Interessante come, creatina e/o fosfo-creatina (metaboliti

bioenergetici) erano “up-regulated” in dStr e contrariamente

“down-regulated” in NAcc di ratti DAT+SIL. La diversa

regolazione di queste due aree non genera un comportamento

impulsivo e/o di propensione al rischio.

Coerentemente con il ruolo funzionale di queste due aree del

prosencefalo, gli animali DAT+SIL possono presentare un

aumento della loro abilità di coping utilizzando nuove strategie

comportamentali (dStr), ed essere meno guidati dall’attrattività

della ricompensa o dalle caratteristiche salienti del test (NAcc).

COMPORTAMENTO OPERANTE E

SPETTROSCOPIA MR

Ruolo di striato dorsale vs n. accumbens nell’autocontrollo

Differenze di sesso nella propensione all‟azzardo

Con l‟aumentare delle prove, i soggetti di sesso maschile scelgono l‟opzione, che porta a un maggiore

vantaggio a lungo termine, prima dei soggetti di sesso femminile (van den Bos et al., 2012).

Performance nel decision-making

Impulsivity and home-cage activity are decreased by

lentivirus-mediated silencing of serotonin transporter

in the rat hippocampus

Zoratto F., Laviola G., Adriani W.

Neuroscience Letters (submitted)

Modificazione dell‟espressione del SERT mediante lentivirus

Soggetti sperimentali

attività locomotoria spontanea:

Ratti maschi adulti

All‟interno delle gabbie di stabulazione, 50

giorni dopo l‟inoculo

Registrazione continua automatica (per 15

giorni) usando sensori ad infrarossi (20 Hz)

Giornata media calcolata su intervalli di 5

giorni consecutivi

Test di Intolleranza al ritardo (ID):

Analizzati in classiche gabbie operanti,

durante la fase di buio del ciclo

Lieve restrizione alimentare

test: 8 giorni, 1 sessione al giorno (40 min),

timeout 30 s

Gruppi sperimentali

Lenti-SERT (n=11): inoculo di un lentivirus attivo

controlli (n=6): inoculo di un lentivirus inattivato con

alte temperature

Inoculo bilaterale (volume di 1 µl) a livello

dell‟ippocampo; AP −3.3, ML ±2.0, DV −4.0

0

20

40

60

80

100

LV-siSERT1 LV-siSERT2 LV-siSERT3 mix

avera

ged

SE

RT

exp

ressio

n l

evel

(%)

In-vitro quantification of SERT silencing

Attività locomotoria spontanea all’interno delle gabbie di stabulazione

** P < 0.01; # 0.05 < P < 0.1 when comparing Lenti-SERT vs control rats in post-hoc test

0

500

1000

1500

2000

2500

0:0

0

3:0

0

6:0

0

9:0

0

12:0

0

15:0

0

18:0

0

21:0

0

time (h)

co

un

ts p

er

min

ute

control

Lenti-SERT ****

#

**

co

un

ts p

er

min

ute

time (h)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 7 15 30 45 60 75 90

delay (s)

n i

nad

eq

uate

no

se-p

okes x

tri

al

control

Lenti-SERT

Livelli di impulsività cognitiva

* P < 0.05 when comparing Lenti-SERT vs control rats in post-hoc test

0

20

40

60

80

100

0 7 15 30 45 60 75 90

delay (s)

% c

ho

ice o

f th

e l

arg

e r

ew

ard

(L

L)

control

Lenti-SERT

*

chance level

% c

ho

ice o

f th

e l

arg

e r

ew

ard

delay (s)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 7 15 30 45 60 75 90

delay (s)

n i

nad

eq

uate

no

se-p

okes x

tri

al

control

Lenti-SERT

Livelli di impulsività motoria

* P < 0.05 quando confrontiamo ratti Lenti-SERT vs ratti di controllo

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 7 15 30 45 60 75 90

delay (s)

n i

nad

eq

uate

no

se-p

okes x

tri

al

control

Lenti-SERT *

n i

na

de

qu

ate

no

se

-po

kes x

tri

al

delay (s)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 7 15 30 45 60 75 90

delay (s)

n i

nad

eq

uate

no

se-p

okes x

tri

al

control

Lenti-SERT

La funzionalità ridotta del SERT ha un impatto significativo sulla attività e sui profili

di impulsività

Questi profili confermano la relazione inversa esistente tra 5-HT e impulsività, come riportata da studi

effettuati con varie manipolazioni a livello del sistema serotoninergico.

Considerando la complessità del sistema serotoninergico, potrebbe non essere sorprendente la

correlazione tra la variante allelica “s” e l‟incremento della impulsività, riportata nella ricerca clinica.

L‟associazione tra il genotipo s/s e la diminuzione dell‟espressione di SERT, nel sistema nervoso

centrale umano, non è stata ancora dimostrata del tutto.

Differenze di sesso nella impulsività

I maschi di controllo sono meno in grado, rispetto alle femmine, di inibire il comportamento di nose

poking durante il ritardo. E‟ interessante notare che il profilo mostrato dai maschi trattati con BPA è

paragonabile a quello espresso dalle femmine (Adriani et al., 2003).

Livelli di impulsività motoria

All‟aumentare dei ritardi, topi di sesso femminile scelgono l‟opzione economicamente più vantaggiosa

prima dei topi maschi (Koot et al., 2009).

Livelli di impulsività cognitiva

indifferent

point

Differenze di età nella impulsività

Paragonando topi adolescenti con topi adulti, un profilo di marcata impulsività è ben evidente in quelli

adolescenti (Adriani & Laviola, 2003).

Livelli di impulsività cognitiva Livelli di impulsività motoria

EFFETTI PERMANENTI DOVUTI A

SOMMINISTRAZIONE DI MPH IN ADOLESCENTI

Somministrazione di metilfenidato (MPH, Ritalin) può

determinare la modulazione del comportamento impulsivo

attraverso:

- un incremento permanente della neurotrasmissione di 5-

HT(7).

- cambi funzionali permanenti all’interno di circuiti fronto-

striatali.

DISEGNO SPERIMENTALEIn ratti adolescenti (dai 30 ai 44 giorni di vita) viene somministrato MPH (2

mg/kg i.p.) o una soluzione salina per 14 giorni, e poi, diventati adulti,

vengono testati, per :

1) cambiamenti a livello di impulsività (intolleranza al ritardo)

2) blocco degli effetti del MPH usando un antagonista di 5-HT(7)

3) ottenimento degli effetti “MPH-like” usando un agonista di 5-HT(7)

4) risonanza magnetica: spettrometria, DTI, fMRI, connettività

Tolleranza al

ritardo = minore

impulsività

INTOLERANCE TO REWARD DELAY

Delay (sec)

0 7.5 15 30 45 60 75

% choic

e of the

large re

inforcer

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

saline

MPH

**

*

EFFETTO A

LUNGO

TERMINE DEL

MPH

RATTI ANALIZZATI

DURANTE IL PERIODO

DELL’ADOLESCENZA , UN

MESE DOPO IL

PRETRATTAMENTO CON

MPH

PRE-EXPOSED TO SALINE DURING ADOLESCENCE

Delay (sec)

0 7.5 15 30 45 60 75

% choic

e of the

large re

inforcer

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

vehicle

SB 269970

PRE-EXPOSED TO MPH DURING ADOLESCENCE

Delay (sec)

0 7.5 15 30 45 60 75

% choic

e of the

large re

inforcer

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

vehicle

SB 269970

*

*

$

$

BLOCCO degli EFFETTI a LUNGO TERMINE indotti da MPH

con somministrazione acuta di antagonista selettivo del 5-HT(7)

Livelli di mRNA e proteina DAT,

estratti dal NAcc dei ratti

Doxy spegne il promotore del DAT :

Ratti DAT+SIL: forte silenziamento.

DAT+ SIL DAT+SIL GFP

DAT+ SIL DAT+SIL GFP

+DOXY

+DOXY

MODELLO DI IMPULSIVITÁ/GIOCO

D’AZZARDO

MODELLO DI IMPULSIVITÁ /

PROPENSIONE ALL’AZZARDO

DAT+ DAT+SIL

+DOXY

Livelli di

controllo

(colorazione

DAT)

Adriani W, Boyer F, Gioiosa L, Macrì S, Dreyer J-L, Laviola G (2009) Neuroscience, 159: 47-58.

Efficacia di lentivirus inoculati nel Nacc di ratti: Lenti-DAT con o senza Lenti-DAT- siRNAs

Serotonina (5-HT)

Il sistema serotoninergico è ben noto per la modulazione dei processi

emotivi, cognitivi e motivazionali.

La serotonina (5-HT) svolge un ruolo chiave nel trattenimento delle

reazioni istintive e nella regolazione comportamentale

Deficit a livello di questo sistema sono responsabili di molti disturbi psichiatrici, inclusi disturbi

emotivi e del controllo degli impulsi

Trasportatore della serotonina (SERT)

SERT, che ricapta la 5-HT dalla fessura sinaptica, è il

maggiore determinante dell‟efficienza della trasmissione

serotoninergica

Mutazioni a livello del promotore del gene che codifica il SERT

vanno a influenzare la ricaptazione e questo è stato correlato

con lo sviluppo di parecchi disturbi psichiatrici

La “variante corta” del 5-HTTLPR è associata a una ridotta

efficacia di trascrizione del gene SERT, determinando livelli

ridotti di SERT e ridotta ricaptazione di 5-HT; i livelli extra-

cellulari di 5-HT sono superiori rispetto alla “variante lunga”

New Scientist (5 March 2005)

Age differences in humans

Sex differences in humans: anatomical MRI

Fully processed images from one 8-year-old

female participant (Sowell et al., 2002).

Total cerebral volume peaks at 14.5 years in

males and 11.5 years in females.

Male brains are approx. 9% larger than those of

females. This difference is statistically significant,

even when controlling for height and weight

(Lenroot & Giedd, 2006).

Sex differences in dopamine receptors: density

Density o…f D1 and D2 receptors in male and female rats between 25 and 120 days of age in the striatum

and nucleus accumbens.

Males and females differed markedly in their pattern of dopamine receptor development in striatum and

nucleus accumbens (Andersen & Teicher, 2000).

Sex differences in dopamine receptors: laterality

These data show the pronounced lateralization of D1 dopamine receptors for females, and the transient

expression of D2 receptor lateralization in male striatum at 40 days of age (Andersen & Teicher, 2000).

Laterality indices …for D1 and D2 receptors in male and female rats between 25 and 120 days of age in

the striatum and nucleus accumbens.

Age differences in dopamine receptors: density

Developmental changes in the density of D1 and D2 receptors from weanling (25 days of age) to the

onset of puberty (40 days of age) to full adulthood (120 days) in male rats.

Marked reduction in the density of D1 and

D2 receptors in the prefrontal cortex and

striatum between 40 and 120 days of age.

The pattern of receptor elimination is

similar, although more extensive and

protracted in prefrontal cortex.

The nucleus accumbens shows minimal

evidence of receptor elimination.

(Andersen & Teicher, 2000)

The three group-averaged functional maps of percentage signal change illustrate differences in both the

magnitude and extent of activation.

Children showed strongest activation bilaterally in the caudate nucleus, the thalamus and the anterior

insula. Adolescents showed strongest activation in the right dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), and

adults showed concentrated activation in the left prefrontal and posterior parietal regions (Bunge & Wright,

2007).

Developmental shifts in the location of active voxels during

performance of a visuospatial working memory

Depletion of forebrain 5-HT levels by means of ICV infusions of the

serotonergic neurotoxin 5,7-dihydroxytryptamine

Lack of effect of the same manipulation on delay-discounting (Winstanley et al., 2004).

(a) Effects of reducing 5-HT levels in the central nervous system on the acquisition of conditioned

locomotor activity and (b) effects of prefeeding prior to conditioning sessions (Winstanley et al., 2004).

Neonatal serotonin depletion

Dietary serotonin depletion

The relationship between 5-HT and impulsivity

Experimental studies with different serotonergic

manipulations have demonstrated an inverse relationship

between 5-HT levels and impulsivity, with a reduction in the

neurotransmitter causing an increase in impulsivity and vice

versa.

However, in humans, an increase in impulsivity appears to be

associated with the short (s) allelic variant of 5-HTTLPR,

leading to reduced SERT gene transcription.

We aimed to determine whether a partial silencing of the

SERT-encoding gene within the hippocampus could induce

alterations relevant to the modelling of ADHD, in particular

symptoms of hyperactivity and impulsivity. Lentiviral delivery of shRNAs and the

mechanism of RNAi interference in

mammalian cells (Cojocari D., 2010)

0

5

10

15

20

25

control depleted

co

ncen

trati

on

(p

g/m

g)

**

0

4

8

control depleted

co

ncen

trati

on

(p

g/m

g)

**

0

10

20

30

control depleted

co

ncen

trati

on

(p

g/m

g)

*

** P < 0.01; * P < 0.05 when comparing depleted vs control rats in post-hoc test

Experimental subjects

adult male rats tested in classical operant

chambers during the dark phase of the cycle

mild food restriction

testing: 11 days, 1 session per day (25

min), timeout 15 s

Experimental groups

depleted (n=12): food without TRP (0.0 g/kg)

control (n=12): food with a standard content

of TRP (2.8 g/kg)

from 2 weeks before and throughout the

duration of the experiment (until sacrifices)

5-HT in prefrontal cortex 5-HT in striatum 5-HT in hippocampus

** P < 0.01; * P < 0.05; # 0.05 < P < 0.1 when comparing depleted vs control rats in post-hoc test

0

20

40

60

80

100

99 80 66 50 33 25 20 17 14 11 9

depleted

control

gambling part

chance level

indifferent point

**

***

#*%

ch

oic

e o

f th

e l

arg

e r

ew

ard

set level of probability (%)

Levels of gambling proneness

# 0.05 < P < 0.1 when comparing depleted vs control rats in post-hoc test

0

,5

1

99 80 66 50 33 25 20 17 14 11 9

depleted

control

##

gambling part

n i

na

de

qu

ate

no

se

-po

kes x

tri

al

set level of probability (%)

Frequency of inadequate responding, an index of frustration

Punishment insensitivity and/or enhanced secondary reinforcement

In the clinical literature, it has been reported that:

gamblers may be insensitive to losses (Rachlin, 1990);

despite repeated losses, feelings of “near win” and the occasional large payoff seem to provide

sufficient reinforcement (Walker, 1992).

In our preclinical model, the nose-poking for large reward was constantly turning on the reward-

associated lights while occasionally triggering binge reward delivery: this may perhaps reproduce the

addictive features of slot machines.

PHARMACOLOGICAL TOOLS

Methylphenidate (MPH, Ritalin) is currentlyprescribed to ADHD children, since it decreasesimpulsivity and increases sustained attention (Ward et

al., 1997).

However, MPH interacts with the same brain pathways activated

by drugs of abuse, producing striatal dopamine (DA) overflow

similarly to cocaine (Marsteller et al., 2002). Its use raises

concerns for public health (Rapport & Moffitt, 2002;

Klein-Schwartz, 2002; Carlezon & Konradi, 2004).

Great effort is devoted to the identification ofnovel non-psychostimulant agents.

Interestingly, total creatine and taurine, reputed to be involved

in neural activation, were up-regulated in the STRIATUM and

conversely down-regulated in the NUCLEUS ACCUMBENS

of MPH-exposed rats. We suggest that the influence of these

two areas on behavioral output was modulated accordingly.

Based on the functional role played by these two brain areas,

MPH-exposed animals may be suggested to be more prone to

elaborate novel behavioral habits, in order to cope with actual

reinforcement delay (STRIATUM), and to be less instinctive,

i.e. less affected by the immediacy of reward (ACCUMBENS).

MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY

in: striatum, nucleus accumbens, and prefrontal

cortex

IMPULSIVITY IN THE SHR ADOLESCENT

A validated animal model for ADHD is the SHR(Spontaneously Hypertensive Rat) strain.

Aim of the work was to compare SHRs to theirWistar-Kyoto controls in a test for intolerance-to-delay during adolescence (PND 30 to 45), inorder to further validate the adolescent SHR as asuitable animal model for ADHD.

Clear-cut individual differences were evidenced within the SHR model during adolescence.

ONGOING EFFECTS of SUBCHRONIC MPH

DURING ADOLESCENCE

The ongoing treatment with MPH (3 mg/kg i.p.) reduced impulsivity

levels

CONCLUSION - THE ADOLESCENT “SHR”

Clear-cut individual differences were evidenced within the SHR model during adolescence.

« STEEP » subpopulation showed elevated impulsivity. The ongoing treatment with MPH (3 mg/kg

i.p.) reduced impulsivity levels. Acute administration of WIN 55,212 (2 mg/kg s.c.) alsoreduced impulsivity in young-adult SHRs, without effect in WKYs.

FLAT subpopulation kept on choosing H5 even at higher delays

a) animals do not pay attention to the experimental contingency (see Sagvolden et al., 1998;Sagvolden & Sergeant, 1998; Sagvolden, 2000), as expected in an animal model of ADHD;

b) animals are unable to modulate response patterns according to changes in the experimentalcontingency (perseverative behavior).

CONCLUSIONS

This study combined behavioural analysis and genome-

wide approach, to investigate the molecular and

neurobehavioural changes resulting from subchronic MPH

exposure during adolescence.

In summary, such early treatment was able to modulate

striatal gene expression of Post Synaptic Density family in

the adolescent brain. These changes underlie enduring

plastic rearrangements in reward-related brain circuits, from

both structural and functional (dendritic spines,

neurotransmitter receptors) viewpoint.

The latter may in turn account for a complex picture of

increased self-control abilities at adulthood, associated with

an altered processing of incentive values.

* Abnormal Htr7 and/or DAT in adolescents or in ADHD patients is perhaps associated with patterns of impulsive decision-making and with risk-prone behaviours;

• The impact of stimulant drugs during such important developmental rearrangements received a fast-growing attention in preclinical experimental investigation (i.e. to model cases of illicit use for increased performance);

• It is thus emphasized the importance of characterizing novelty-seeking and risk-prone behaviour in the rodent, during adolescence and/or using new specific models.

CONCLUSIONS

Intolerance to Delay (ID) task

impulsivity

Probabilistic Delivery (PD) task

gambling proneness

Paradigms for the measure of impulsivity and gambling proneness

nose-poking

in “Small &

Sure” hole

(SS)

certain

delivery of

1-2 pellets

nose-poking in

“Large & Luck-

Linked” hole

(LLL)

delivery (or not) of 5-6 pellets,

according to the level of

probability “p”,

which is decreased

progressively each day

nose-poking

in “Small &

Soon” hole

(SS)

immediate

delivery of

1-2 pellets

nose-poking

in “Large &

Late” hole

(LL)

delivery of 5-6 pellets

after a delay,

which is increased

progressively each day

8 testing sessions, from delay 0 s to 90 s

(preceded by 3 training sessions at delay 0 s)

11 testing sessions, from probability 99% to 9%

(preceded by 2 training sessions at probability 99%)

under conditions of mild food restriction

(to increased motivation to work for food delivery)

odds = 1 odds = 2

il delay è uguale al mITI il delay è il doppio del mITI

Delay-equivalent odds = delay / mITI = delay / (TO + RT)

“Large & Luck-Linked” hole (LLL)

“Small & Sure” hole (SS) certain delivery of 2 pellets

delivery (or not) of 6 pellets, according

to the level of probability “p”

“Large & Late” hole (LL)

“Small & Soon” hole (SS) immediate delivery of 1 pellets

delivery of 5 pellets, after a delay

EXPERIMENT OUTLINE

TRP

5-HT