Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello · Tecniche di esplorazione funzionale in...

Tecniche di esplorazione Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervellofunzionale in vivo del cervello

Ing. Lorenzo SaniIng. Lorenzo Sani

E-mail: [email protected]: [email protected]

Materiale didattico:Materiale didattico:

www.bioclinica.unipi.it/lezioni/bioingegneriawww.bioclinica.unipi.it/lezioni/bioingegneria

[email protected]@bioclinica.unipi.it

www.ing.unipi.itwww.ing.unipi.it “Prenotazione Esami”“Prenotazione Esami”

Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare ClinicaLaboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare ClinicaFacoltà di Medicina, Università di PisaFacoltà di Medicina, Università di Pisa

• I metodi di neuroimaging attualmente sviluppati non solo I metodi di neuroimaging attualmente sviluppati non solo forniscono informazioni sulla struttura e sull’anatomia forniscono informazioni sulla struttura e sull’anatomia cerebrale, ma consentono anche di investigare lo stato cerebrale, ma consentono anche di investigare lo stato funzionale in vivo del cervello umanofunzionale in vivo del cervello umano

• Distinzione generale tra le metodiche di esplorazione Distinzione generale tra le metodiche di esplorazione funzionale in vivo del cervello:funzionale in vivo del cervello:

• Tecniche elettriche - magnetiche: rilevano Tecniche elettriche - magnetiche: rilevano direttamentedirettamente la la funzionalità cerebrale attraverso la misurazione dei correlati funzionalità cerebrale attraverso la misurazione dei correlati elettrici o magnetici dell’attività neuronale (elettrici o magnetici dell’attività neuronale (EEGEEG; ; MEGMEG))

• Metodiche emodinamiche - metaboliciche: rilevano Metodiche emodinamiche - metaboliciche: rilevano indirettamenteindirettamente la funzionalità cerebrale attraverso la la funzionalità cerebrale attraverso la misurazione degli eventi vascolari o metabolicici che misurazione degli eventi vascolari o metabolicici che accompagnano l’attività neuronale (accompagnano l’attività neuronale (PETPET, , fMRIfMRI))


1881

1991

80s Today

Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Introduzionedel cervello - Introduzione

Friston K., Science, 2009



• Bioingegneria• Matematica• Fisica

• Psicologia• Neurologia• Farmacologia

• Marketing e Economia• Morale e Etica• Giurisprudenza

Versatilità (es. variazione della modalità di acquisizione, modifiche sperimentali, modulazione farmacologica, ecc.)

1 sec 6 sec

11 sec 16 sec

Caratterizzazione anatomico-strutturale e funzionale in vivo del cervello umano

Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Vantaggidel cervello - Vantaggi

Correlazione con metodi diagnostici differenti

Piet

rini e

t al.,

Am

J P

sych

iatry

, 199

9

White et al., FieldStrenght, 2008

Variabili periferiche (HR, SCR, Variabili periferiche (HR, SCR, ecc.), caratterizzazione ecc.), caratterizzazione

neuropsicologica, parametri neuropsicologica, parametri comportamentali, ecc.comportamentali, ecc.

Dati Dati strutturalistrutturali


Haxby et al., Science, 2001

Informazioni originali rispetto ad altre metodologie


Metabolismo energetico Metabolismo energetico cerebrale cerebrale


Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello

Perché studio in vivo?Differenze in vitro e in vivo 1. Limite anatomico: la barriera emato-encefalica


Perché studio in vivo?2. Segregazione e integrazione funzionale


Perché studio in vivo?

3. Limite dei modelli animali


La prima esperienza di Angelo Mosso: l’aumento dell’attività cerebrale induce un aumento di flusso ematico

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


Fisiologia della Correlazione Flusso Ematico-Fisiologia della Correlazione Flusso Ematico-Metabolismo CerebraleMetabolismo Cerebrale

Nonostante i numerosi sforzi per risolvere il quesito del “neurovascular coupling”, non è ancora chiaro il meccanismo fisiologico legato al controllo della richiesta, da parte dei neuroni, di un maggiore flusso sanguigno. Sono stati suggeriti differenti modelli di regolazione dinamica cerebrovascolare e le ipotesi più probabili sono:

• il rilascio, da parte dei neuroni, di vari fattori chimici che agiscono come mediatori di tipo biometabolico come per esempio l’ossido nitrico, l’adenosina, gli ioni idrogeno o potassio;

• il rilascio, da parte dei neuroni, di opportuni neurotrasmettitori;• una innervazione diretta che parte dai neuroni e raggiunge la muscolatura vascolare

Il metabolismo cerebrale del glucosioIl 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• 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

• Il neurone è l’unità 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:

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

• Essa è costituita da un elemento presinaptico (il bottone e la membrana dell’assone) separato, da un vallo sinaptico, dall’elemento post-sinaptico (la membrana di un dendrita, di un pirenoforo o di un altro assone)

• La sinapsi, presente sul terminale assonico (ma non solo), rappresenta l’unita fisico-funzionale di trasmissione dell’impulso nervoso

La sinapsiLa sinapsi

Connessioni neuronaliConnessioni neuronali

Le proprietà elettriche del neurone:Le proprietà elettriche del neurone:il potenziale d’azioneil potenziale d’azione

DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E ODESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O22

ATP + AMP 2ADP

ATP PCr + ADP

membrana cellulare

2K+

Glucosio

Piruvato

PompaPompa

Na+/K+

translocasitranslocasi

ATP ADP + Pi

ADP

ATP ADP + Pi

Lattato

Pi H+

Ca2+Pi

matricemitocondriale

H+

ATPsintetasi

catena di trasferimentodegli elettroni

fosforilazione ossidativa

ATP ADP

ATP Ca2+

3Na+

GLICOLISI

membrana

mitocondriale

citoplasmacellulare

Acetil-CoA

CICLO DIKREBS


Isocitratodeidrogenasi

Piruvato

Acetil-CoA

IsocitratoOssaloacetato Citrato

NADH

FADH2

α-chetoglutarato

Complesso dellapiruvato deidrogenasi

ATP, NADH

AMP, ADP, NAD+

Succinil-CoA

ADP, Ca++

α-chetoglutaratodeidrogenasi

+

_

+

Malato

Fumarato

SuccinatoSuccinatodeidrogenasi

Malatodeidrogenasi

Glucosio

Glucosio-6-P

Fruttosio-6-PATP

ADP

ATP

ADP

Fruttosio-1,6-biP

Pi

AMP, Pi

Esochinasi

Fosfofrutto-chinasi

AMPATP, NADH

ATP, citrato

Piruvato

FosfoenolpiruvatoATP

Piruvato-chinasi

ADPLattato

+

_+

+_

Fosfo-esoso isomerasi

GLICOLISI CICLO DI KREBS

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 + H2O 36-38 ATP

~ 10-15%

~ 85-90%

condizioni anaerobiche

90%ossidazione del glucosio

Fosforilazione ossidativa

Ribulosio-5-Pcondizioniaerobiche

shunt5-8%

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, che può essere ricavata dall’ossidazione

completa a CO2 e H2O


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

Consumo di ATP nel Cervello in CondizioniConsumo di ATP nel Cervello in Condizionidi Riposo Somatosensorialedi Riposo Somatosensoriale

• Stimolando una cellula nervosa si provoca la sua depolarizzazione e lo sviluppo di un potenziale d’azione, caratterizzato a livello intracellulare da un aumento del sodio e da una diminuzione del potassio

• L’aumento dell’attività di trasmissione sinaptica aumenta l’attività della pompa Na+/K+, necessaria a ripristinare il potenziale negativo della membrana cellulare

• Questo comporta un incremento della richiesta energetica (di ATP), che viene soddisfatta attraverso il metabolismo ossidativo del glucosio, con aumento della produzione di ATP dal 60% all’ 80%

Eventi legati all’Attivazione Neuronale CerebraleEventi legati all’Attivazione Neuronale Cerebrale

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

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

il funzionamento della pompa Nail funzionamento della pompa Na++/K/K++

preparati in vivo di cellule nervose

del 30%

=consumo di glucosio

stimolazione elettrica a 10 Hz

UABAINAblocco della pompa

Na+/K+


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


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

• 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


Esplorazione funzionale in vivo dei correlati Esplorazione funzionale in vivo dei correlati neurometabolici dell’attività cerebraleneurometabolici dell’attività cerebrale

Ripo

soAtt

ivaz

ione

= HbO2

= HbOxygen

Hemoglobin

Blood FlowmV

-70

0

+50

2 msec31

attività della

pompa Na+/K+

attività neuronale sinaptica

richiesta di ATP

richiesta di ossigeno e glucosio

flusso ematico

cerebrale

metabolismo ossidativo del

glucosio e produzione di

ATP

EEGEEGMEGMEG

HH221515O-PETO-PETfMRIfMRI

FDG-PETFDG-PETsMRIsMRI

La Tomografia ad La Tomografia ad Emissione di PositroniEmissione di Positroni

(PET)(PET)


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 e del Flusso Ematico Cerebrale mediante PET

• 18FDG per misurare il metabolismo glucidico

• H215O per misurare il flusso ematico

misurano l'attività sinaptica neuronale di un determinato

distretto cerebrale

• 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:

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

[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]deossiglucosio

Bar

riera

em

ato-

ence

falic

a[18F]deossi-

glucosio

glucosio glucosio

Il modello del Il modello del 1818Fluoro-2-deossi-D-glucosio nello Fluoro-2-deossi-D-glucosio nello Studio in vivo del Metabolismo Glucidico CerebraleStudio in vivo del Metabolismo Glucidico Cerebrale

precursori prodotti metabolici

K*2

K*1

K1

K2

K*3

K3

esochinasi fosfoglucosioisomerasi

esochinasi

HO

HO-CH2

OH

H

H

OH

HO

H

OH

H

glucosio( 18F )

2-deossi-D-glucosio

HO

HO-CH2

OH

H

H

H

HO

H

OH

H

G-6-Pasi

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

60Corteccia Visiva

aum

ento

% d

el m

etab

olis

mo

del g

luco

sio

18FDG -glucosio

18F-fluorodopa

18F-fluoroetilspiperone

Anziano

Sano

Malato

AD

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

La PET cerebraleLa PET cerebraletra applicazioni clinichetra applicazioni cliniche

e di ricercae di ricerca

• Progressivo e globale decadimento delle funzioni cognitive (memoria → linguaggio, ragionamento, pensiero astratto, ecc.)

• Le riduzioni dei valori di metabolismo glucidico in pazienti con malattia di Alzheimer:

• prevalenti nelle regioni della neocorteccia associativa dei lobi parietale, temporale e frontale

• si aggravano con il progredire della malattia

• correlano con il quadro di disfunzione cognitiva e, in alcuni casi, possono precedere e predire il successivo sviluppo dei deficit neuropsicologici

SOGGETTONORMALE

DEMENZAINIZIALE

DEMENZAMODERATA

DEMENZAGRAVE

Alterazioni del Metabolismo Cerebrale del Glucosio nelle Alterazioni del Metabolismo Cerebrale del Glucosio nelle Malattie Neurodegenerative: la Demenza di AlzheimerMalattie Neurodegenerative: la Demenza di Alzheimer

ATTIVAZIONE DIFFERENZA

IMMAGINE MEDIADELLE DIFFERENZE

NORMALIZZAZIONE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas)IMMAGINI INDIVIDUALI DI DIFFERENZA

RIPOSO

Studio in vivo delle funzioni cerebrali: elaborazione Studio in vivo delle funzioni cerebrali: elaborazione dei dati acquisiti con metodologia PETdei dati acquisiti con metodologia PET

PET - applicazioni cliniche

• Oncologiche

• Cardiache

• Cerebrali

• Malattie Infettive

• Farmacologiche

• Metaboliche

PET-FDG: diagnosi e caratterizzazione

PET-FDG: stadiazione

Esame PETLinfoma di Hodgkin

Esame PETPost-trattamento

PET-FDG: verifica della terapia

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