Laboratorio di metodi di raccolta e analisi di dati morfologici e funzionali nelle neuroscienze cognitive Leonor J. Romero Lauro Legge di Faraday Un campo elettrico applicato sul tessuto neuronale eccita le cellule nervose COME? y Il campo elettrico allinea le cariche elettriche libere nello spazio intracellulare y La membrana cellulare diviene iperpolarizzata o depolarizzata y Con un grado sufficiente di depolarizzazione viene generato un potenziale d’azione o un ESPS (potenziale post‐sinaptico eccitatorio) MA l’attivazione neuronale dipende da due caratteristiche del campo elettrico 1. La direzione 2. La forza DIREZIONE La posizione del coil influenza la direzione della corrente. ¾ Per es, nella corteccia motoria diversi orientamenti inducono onde diverse. ¾ L’orientamento ottimale per elicitare un MEP su M1 e 45 º rispetto alla linea mediana ¾ Corrente posteriore‐anteriore perpendicolare al solco centrale Pertanto e’ fondamentale monitorare tale parametro mediante sistemi di neuronavigazione. FORZA Nessuna resistenza dello scalpo o del cranio al campo magnetico. Decade in funzione della distanza (< 1/100,000th dell’energia magnetica del coil è trasferita al cervello) Genera sia D‐waves che I‐waves a seconda della direzione e della forza D‐waves: ¾ Derivano dalla stimolazione Diretta degli assoni delle cellule piramidali ¾ Non cambiano a secondo dei livelli di eccitabilità della corteccia I‐waves: ¾ Derivano dalla stimolazione Indiretta (trans‐sinaptica) degli assoni delle cellule piramidali ¾ Vi e’ una stimolazione diretta di una popolazione cellulare (presumibilmente network orizzontali) che attivano i neuroni piramidali attraverso una sinapsi ¾ Altamente sensibile al livello di eccitabilità corticale Misurabili direttamente: ¾ MEP ¾ Fosfeni Misurabili indirettamente: ¾ Misure comportamentali (ACC, TR) ¾ Altre tecniche (EEG, fMRI, PET) Misurabili direttamente: ¾ MEP ¾ Fosfeni Misurabili indirettamente: ¾ Misure comportamentali (ACC, TR) ¾ Altre tecniche (EEG, fMRI, PET) Le neuroscienze cognitive adoperano la TMS soprattutto per indagare i CORRELATI NEURALI delle funzioni cognitive. La TMS consente di interferire con l’attività di una determinata area cerebrale VIRTUAL LESION PARADIGM Se un’ area è il correlato neurale di una funzione, allora stimolando quell’area dovrei ottenere un effetto di interferenza sull’esecuzione di un compito che richiede quella funzione (per es. aumento RT o riduzione dell’ACC) Presupposti delle neuroscienze cognitive: Modularità Localizzazione delle funzioni Network piuttosto che aree Interferenza piuttosto che “lesione virtuale” Areax Areay Inibisce funzione Areax Areay Aumenta funzione Areax Areay Inibisce funzione Areax Areay Aumenta funzione Le neuroscienze cognitive impiegano la TMS anche per studiare la CRONOMETRIA, ovvero gli aspetti temporali del contributo di un’area al comportamento ESEMPIO: ¾Effetto su LBA22 a 80ms, no a 120ms ¾Effetto su LPFC a 80ms e 120ms Misurabili direttamente: ¾ MEP ¾ Fosfeni Misurabili indirettamente: ¾ Misure comportamentali (ACC, TR) ¾ Altre tecniche (EEG, fMRI, PET) Diversi studi hanno esaminato gli effetti della TMS mediante fMRI ¾ Per. es sono stati confrontati gli effetti di una stimolazione alta (110% rMT0) vs bassa (80% rMT) ¾ o gli effetti della stimolazione della corteccia prefrontale. Biological Psychiatry 1999, 45, 385‐394 Biological Psychiatry 2001, 50, 712‐720 Diversi studi hanno esaminato gli effetti della TMS mediante PET ¾ La figura mostra attivazioni PET eseguite dopo la rTMS a 5Hz su m1 sinistra. Misurabili direttamente: ¾ MEP ¾ Fosfeni Misurabili indirettamente: ¾ Misure comportamentali (ACC, TR) ¾ Altre tecniche (EEG, fMRI, PET) La SOGLIA MOTORIA (MT) = intensita’ % MSO elicitare un MEP di almeno 50 μV 5 volte su 10 y La soglia motoria cambia a riposo o durante contrazione volontaria y E’ minore per i muscoli della mano rispetto a quelli degli arti o del tronco La soglia ai fosfeni (PT) viene utilizzata come misura dell’eccitabilità della corteccia visiva MT e PT non sono correlate ¾ Tipi di impulso (mono‐, bi‐, or polifasico) ¾ Tipi di coil ¾ TMS coil “effetti collaterali” Impulso Monofasico ¾ ¾ ¾ Crea uno stimolo in un’unica direzione Ideale se si vuole stimolare una specifica popolazione neuronale (è il tipo di coil che usiamo noi) Impulsi bi‐ e poli‐ fasici ¾ ¾ Creano stimoli multidirezionali Ideale se si vuole attivare un’area generale, ma non si è sicuri su quale sia la giusta direzione di stimolazione per tale popolazione Coil circolare ¾ ¾ Attiva la regione sotto la circonferenza del coil Il campo elettrico e’ diffuso, in modo da esser certi di colpire una certa area target, ma puo’ anche stimolare altre aree Coil a farfalla ¾ La direzione delle correnti e’ opposta, cosi’ gli effetti si sommano nel punto di incontro, al centro. ¾ Il campo e’ piu’ concentrato e piu’ forte. ¾ E’ il coil piu’ indicato per gli studi di mappaggio cerebrale. Coil conico ¾ ¾ ¾ Le ali sono curve in modo da seguire la curvatura della testa Il campo e’ meno concentrato ma piu’ forte del coil a farfalla Ideale per stimolare aree corticali piu’ profonde, come l’area motoria della gamba. Coil 25 mm E’ disegnato per facilitare l’accuratezza della posizione per la stimolazione periferica. Può essere adoperato per y stimolare nervi (facciale, mediano, ulnare) y Per elicitare potenziali evocati somatosensoriali y Elicitare riflessi Coil SHAM ¾ ¾ ¾ Girare il coil di 90º perpendicolare allo scalpo Sollevare il coil dalla testa: di 20 mm diminuisce la forza del campo a < 30% Usare il coil SHAM (a 8): la direzione di una delle correnti è invertita, in modo che le correnti si annullino Stimolazione on line vs off line TMS singolo impulso TMS doppio impulso TMS (rTMS) ripetitiva y Bassa frequenza (< 1 Hz) y Alta frequenza (> 1 Hz) Theta‐burst y (3–5 impulsi a 100 Hz ripetuti s 5 Hz) Quale paradigma scegliere? Online + ‐ Risoluzione Temporale Effetti più specifici < Durata complessiva Può essere necessaria una > frequenza Effetti collaterali interferiscono con il compito Offline ‐ + Effetti più generici > Durata dell’esperimento Frequenza bassa Nessuna interferenza sul compito Usando la TMS su BA45 ottengo un’effetto di interferenza rispetto alla baseline (senza TMS) sull’esecuzione di un compito di linguaggio. Posso concludere che tale area fa parte dei correlati neurali del linguaggio? Importanza della CONDIZIONE di CONTROLLO Per essere sicuri che eventuali effetti di interferenza della TMS sull’esecuzione di un compitox non siano dovuti al fastidio della TMS posso: Utilizzare il coil SHAM ‐> no effetti sul compitox Far eseguire un compitoy (che chiama in gioco una funzione cognitiva diversa ) e mostrare che la TMS non ha effetto sulla sua esecuzione L’importanza di una localizzazione precisa EEG 10‐20 L’importanza di una localizzazione precisa Neuronavigazione L’importanza di una localizzazione precisa Neuronavigazione L’intensità basata sul campo elettrico indotto V/m piuttosto che come % rMT Il suono click: e’ causato nei cavi e nell’estremita del coil dalla forza radiale della scarica elettrica (~10 kN!) Riscaldamento del coil: causato dalla resistenza del cavo. Richiede un raffreddamento attivo mediante acqua o aria altrimenti la temperatura puo’ salire fino 50ºC/100 impulsi. • Il click Puo’ essere una variabile da tenere in considerazione (es. • TMS-EEG). Una soluzione puo’ essere far ascoltare un rumore di fondo con le stesse proprieta’ audiometriche. TMS ‐ Corso di Dottorato a.a. 2010‐2011 • Sensazioni tattili: sono causate dalla stimolazione dei muscoli dello scalpo. Area of stimulation: Occipitofrontalis Vantaggio della TMS rispetto alle altre tecniche di neuroimaging è che individua una RELAZIONE CAUSALE fra area e funzione piuttosto che una semplice correlazione AREA Fx Fy AREA Fx Rispetto agli studi neuropsicologici y I soggetti sono controlli di sè stessi y La “lesione virtuale”, essendo temporanea, non è associata a fenomeni di riorganizzazione o diaschisi y Utilizzare un sito/compito di controllo consente di definire la specificità (funzionale o topografica) del sito stimolato. Fastidio locale Mal di testa Attacco epilettico Aumento della soglia uditiva Controindicazioni all’uso della TMS y Epilissia y Convulsioni y Emicrania y Presenza di clip metalliche Nessun caso riportato al mondo con TMS a bassa frequenza 1 caso riportato con TMS a singolo impulso 9 casi al mondo con alta frequenza (< 15) Rischio aumenta con y Alta frequenza (>3) y Alta intensità (> 100%MT) y Lunga durata y Intervalli brevi tra treni di stimolazione Durata massima (in sec) dei treni di stimolazione (rTMS) in funzione della frequenza e dell’intensità Frequenza (Hz) 1 Intensità (% della soglia MT) 100 110 120 130 140 150 >1800 > 1800 360 >50 >50 >50 5 > 10 > 10 > 10 > 10 7.6 5.2 10 > 5 > 5 4.2 2.9 1.3 0.8 20 2.05 1.6 1.0 0.55 0.35 0.25 15 1.28 0.84 0.4 0.24 0.2 0.24 Wasserman et al., 1998 Studi sull’eccitabilita’ corticale Studi comportamentali (on‐line) Studi comportamentali (off‐line) Clinical trials of rTMS Studi sull’eccitabilità corticale La latenza del MEP e’ utilizzata per stimare il tempo di conduzione del SN Il periodo silente successivo al MEP e’ una misura della funzione inibitoria corticospinale Cantello, Neurology, 1991; 41: 1449‐65 Le recruitment curves sono le misure dei MEP in risposta a stimoli di crescente intensita’ della TMS o alla contrazione volontaria e sono una misura dell’eccitabilita’ corticospinale. Over three days Leonor's RC Amplitude (V) 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Day 1 Day 2 Day 3 100 110 120 %RMT 130 140 Un paradigma utilizzato generalmente per indagare l’eccitabilita’ corticale; Vengono dati 2 stimoli: y 1 condizionante (CS) y 1 stimolo test (TS) Lo stimolo coondizionante modula il MEP evocato dallo stimolo test y CS + TS Æ MEP change Il risultato finale puo’ essere una facilitazione o una inibizione del MEP a secondo di alcuni fattori: y Localizzazione di entrambi gli stimoli (intra – vs – inter emisferico) y Intensita’ di entrambi gli stimoli (sotto vs sopra soglia) y Intervallo di tempo tra gli stimoli (corto vs lungo) y Se il muscolo e’ contratto volontariamente o no Intracortical Facilitation (ICF) CS, 5‐7ms prima di TS a 80% rMT TS a 110% rMT Muscolo non contratto CS TS Studio comportamentale on line: I correlati neurali della MBT verbale Baddeley,1990 Ph.store impairment Rehearsal impairment Vallar et al, 1997 Awh, Smith & Jonides, 1995 Paulesu et al, 1993 TMS on line: 5 Hz, 110% rSM, 1500ms 3 compiti sperimentali: Giudizi Fonologici Ripasso articolatorio Memoria di cifre Ripasso articolatorio + magazzino fonologico Memoria di matrici No circuito fonologico Romero et al., 2006, JoCN, 18(7),1147‐1155. Studio comportamentale off line: Il ruolo della MBT verbale nella comprensione di frasi TMS ‐ Laboratorio di metodi di raccolta e analisi di dati morfologici e funzionali nelle neuroscienze cognitive a.a. 2010‐2011 LBA44 LBA40 Correlati neurali del circuito fonologico CZ Condizioni di controllo Frasi: •Semplici •Lunghe •Complesse1 •Complesse2 SHAM rTMS 30 min COMPRENSIONE DI FRASI 10min COMPITO VISUOSPAZIALE 2min Romero Lauro et al., 2010, Neuropsychologia , 48 4003‐11 TMS ‐ Corso di Dottorato a.a. 2010‐2011 Romero Lauro et al., 2010, Neuropsychologia , 48 4003‐11 Trial Clinici con rTMS Meccanismi dell’effetto terapeutico della rTMS Locali y Aumento (o diminuzione) dell’eccitabilità corticale in casi di anomalia Effetti distanti y Neuromodulazione di network corticali – sottocorticali per migliorare il comportamento I sintomi (es, diminuzione dell’inibizione, migliore responsività, aumento della connettivià funzionale) Effetti neurochimici y Stimola il rilascio ( o modula I livelli) di neurotrasmettitori (es. Dopamina) TMS ‐ Corso di Dottorato a.a. 2010‐2011 Hamilton Meccanismi dell’effetto terapeutico della rTMS Nel 2008 la FDA ha approvato l’uso della rTMS per il trattamento dei sintomi della Depressione Maggiore Left DLPFC rTMS 5 giorni alla settimana 10HZ rTMS , 120%rMT, 4 sec ON, 26 sec PAUSA O’ Reardon et al., (2007) Biol. Psychiatry 62(11): 1208‐16 Artefatto da TMS a 20 Hz, 30%MSO, registrato sotto il coil D. Veniero et al., (2009) Clinical Neurophysiology 120: 1392‐1399 3 sistemi: Sample and hold (Virtanen et al., 1999); y Nessun artefatto Slew‐rate pre amplifiers (Thut et al., 2003, 2005); y Artefatto breve y Metodo “sottrattivo” Amplificatori TMS compatibili (Bonato et al., 2006). y Registrazione continua Per esplorare l’eccitabilità e la connettività corticale (Massimini et ., 2005; Rosanova et al., 2009) Per esplorare quando, dove e come la TMS interferisce con il network funzionale durante l’esecuzione di un compito (Taylor et al., 2007) Per indagare il funzionamento della TMS stessa (Thut & Pascual‐Leone, 2010) Su MRI individuali Guida il posizionamento corretto Visualizza e quantifica il campo elettrico Permette di digitalizzare la posizione degli elettrodi Cuffia a 60 canali Registrazione continua da dopo 3 ms dall’impulso Controllo impedenze (<5 KΩ) Elettrooculogramma (EOG) registrato tramite due sensori extra Traccia audio con rumore mascherante Confronto in un soggetto tra stimolazione BA19 vs BA6, stessa I%, angolo 0° Confronto in un soggetto della stimolazione su BA19 con intensità pari a 40% o 50% MSO Confronto in un soggetto della stimolazione su BA19 con stemmi parametri dopo 1 settimana
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