No Slide Title · Limite anatomico: “santuario anatomico ...

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Esperienze applicative sui correlati molecolari delle

funzioni mentali

Emiliano Ricciardi

[email protected]

Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica –

Facoltà di Medicina, Università di Pisa

Corso di Laurea in Scienze e Tecniche di Psicologia della Salute

Seminari, laboratori ed esperienze applicative II

www.bioclinica.unipi.it/lezioni

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

http://www.bioclinica.unipi.it/lezioni

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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

Psicodiagnostica delle abilità cognitive

Psicologia biologica o fisiologica

Neuroscienze cognitive

Studio dell’attività mentale in termini di elaborazione

delle informazioni

(ogni compito comporta una generazione, elaborazione e

manipolazione delle rappresentazioni mentali)

Correlati neurometabolici e

funzionali dell’attività mentale

Tecniche di esplorazione funzionale

Misure dell’attività cerebrale in vivo delle

varie tecniche di sperimentazione e

modellistica

http://www.bioclinica.unipi.it/lezioni

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Esplorazione funzionale in vivo del cervello

Vantaggi

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

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Solo aspetti cognitivi?

Farmacocinetica

Farmaco psicotropo

Farmacodinamica

Epidemiologia Esperienza

clinica

Localizzazione e caratterizzazione

recettoriale

Siti funzionali dell’azione dei

farmaci

?

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Perché studio in vivo?

1. Differenze in vitro e in vivo

2. Limite anatomico: “santuario anatomico”



3. Segregazione e integrazione funzionale

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4. Limite dei modelli animali

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

Fisiologia della Correlazione Flusso Ematico-Metabolismo Cerebrale

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Il metabolismo cerebrale del glucosio

Tessuto nervoso comprende neuroni e cellule gliali

In condizioni fisiologiche l’ossidazione del glucosio a CO2 ed H2O 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'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 è

un’aumentata richiesta metabolica

i prodotti del metabolismo energetico (CO2, 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

Glicogeno

Glucosio-1-P

Glucosio Glucosio-6-P

Glicolisi

Piruvato

sintesi componenti

cellulari (glicoproteine,

glicolipidi, ecc.)

Lattato

10%

sintesi e metabolismo

di neurotrasmettitori

(ossidasi, ossigenasi ecc.)

Acetil-CoA

Ciclo di Krebs

CO2 + H2O

36-38 ATP

~ 10-15%

~ 85-90%

condizioni

anaerobiche

90%

ossidazione

del glucosio

Fosforilazione

ossidativa

Ribulosio-5-P

condizioni

aerobiche

shunt 5-8%

UDP-glucosio

O2

Fosforilasi a

Glucosio-6-fosfatasi

Esochinasi

2 ATP

La glicolisi libera solo il 5,2% dell’energia totale

disponibile nella molecola di glucosio e che può essere ricavata dall’ossidazione

completa a CO2 e H2O

DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O2

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DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O2

• 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

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Esplorazione funzionale in vivo dei correlati neurometabolici dell’attività cerebrale

attività neuronale sinaptica

richiesta di ATP

richiesta di

ossigeno e

glucosio

flusso ematico cerebrale

attività della

pompa Na+/K+

Rip

oso

A

ttiv

azio

ne

= HbO2

= Hb

-70

0

+50

mV

2 msec 3 1

metabolismo ossidativo del

glucosio e produzione di

ATP H2

15O-PET

fMRI

FDG-PET

sMRI

EEG

MEG

TMS

La tomografia ad

emissione di positroni

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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 in direzione diametralmente opposta,

rilevabili da appositi detettori (Tomografo PET)

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• 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

110

45

65

1-2

2

1 - 4

1 - 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:

H O

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 cerebrale Plasma

[18F]deossiglucosio

Bar

rier

a em

ato-e

nce

fali

ca

[18F]deossi-

glucosio

glucosio glucosio

Il modello del 18Fluoro-2-deossi-D-glucosio nello Studio in vivo del Metabolismo Glucidico Cerebrale

precursori prodotti metabolici

K*2

K*1

K1

K2

K*3

K3

esochinasi fosfoglucosio

isomerasi

esochinasi

glucosio 2-deossi-D-glucosio

H O

HO-CH2

OH

H

H

H

HO

H

OH

H

G-6-Pasi

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Studio del Metabolismo Cerebrale del Glucosio in vivo nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche

• Condizione di riposo

• Effetti della stimolazione

sensoriale visiva

occhi chiusi 1 occhio 2 occhi scena complessa

0

10

20

30

40

50

60

Corteccia Visiva

aum

ento

% d

el m

eta

bolis

mo

del glu

cosi

o

Adapted from Gusnard & Raichle (2001)

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Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche

18FDG -glucosio

18F-fluorodopa

18F-fluoroetilspiperone

Anziano

Sano

Malato

AD

Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche

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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

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TAC = time-activity (concentration) curve

0 15 30 45 60 75 900

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Co

nce

ntr

ati

on

of

au

then

tic t

rac

er

(kB

q/m

L)

Time (min)

0 15 30 45 60 75 900

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Co

ncen

trati

on

in

tis

su

e (

kB

q/m

L)

Time (min)

TAC of tracer

concentration

in arterial blood

TAC of concentration

in tissue measured by

PET scanner

Tissue characteristics:

Perfusion

Endothelial permeability

Vascular volume fraction

Transport across cell membranes

Specific binding to receptors

Non-specific binding

Enzyme activity

Immagine dinamica quantitativa

Arterial FDG

Venous FDG

Interstitial FDG

Intracellular FDG

Intracellular FDG-6-P

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• 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

Immagine dinamica quantitativa

Metodologia PET: confronto tra gruppi

GRUPPO A GRUPPO B

IMMAGINE RISULTATO

NORMALIZZAZIONE SPAZIALE

ANATOMICA (Talairach

e Tournoux

Atlas)

#1

#2

#3

#4

#5

…n

ANALISI STATISTICA

(ANOVA, T-TEST, CORRELAZIONE)

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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)

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)

CPFVL= Corteccia prefrontale ventro-laterale

CPFVL

C. Orb. Front. Mediale

CPF sottogenicolat

a

Talamo mediale

Amigdala

Metodologia PET: Attivazione vs condizione di riposo

ATTIVAZIONE RIPOSO CONTROLLO

IMMAGINE MEDIA DELLE DIFFERENZE

NORMALIZZAZIONE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas)

IMMAGINI INDIVIDUALI DI DIFFERENZA

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La sottrazione cognitiva è nata con gli esperimenti di reazione motoria (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!)

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

Paradigma sperimentale

Logica della sottrazione

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)

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Perché la PET??

La tomografia ad

emissione di positroni

tra applicazioni

cliniche…

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Alzheimer’s Disease: Diagnosis

M 65 yrs

Alzheimer’s Disease: Evolution

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Alzheimer’s Disease: Correlation with Clinical Symptoms

PET in the Evaluation of Dementia: Predicting Evolution

Silverman DHS et al., JAMA, 2001

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PET in the Evaluation of Dementia: Differentiating cognitive impairments

Fronto-temporal dementia

F 70 yrs

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Vascular Dementia

Visual Variant

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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 ε4

Alzheimer patients with ApoE ε4

Healthy Subjects no ApoE ε4

Healthy Subjects with ApoE ε4

vs

vs

vs

Parieto-occipital cortex

Alzheimer patients no ApoE ε4

Alzheimer patients with ApoE ε4

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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

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PET - applicazioni cliniche

Oncologiche

Cardiache

Cerebrali

Malattie Infettive

Farmacologiche

Metaboliche

PET-FDG: diagnosi e caratterizzazione

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PET-FDG: stadiazione

La PET cerebrale tra

applicazioni cliniche…

e di ricerca

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Analisi dei dati:

postprocessing

ricostruzione

registrazione

smoothing

Rationale: ipotesi

sperimentale

Preprocessing e sessione

sperimentale

Interpretazione dei risultati,

correlazione con dati

comportamentali e verifica

dell’ipotesi

Paradigma sperimentale Selezione, screening,

test psicologici e

comportamentali

Esperimento

PET

ESEMPIO

DI SPM

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