12/01/2012 1 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
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Esperienze applicative sui correlati molecolari delle
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
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
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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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
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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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
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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
• 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