Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello · funzionale in vivo del cervello umano ... Il neurone : la struttura di base • Essa è costituita da un elemento presinaptico

Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello

Ing. Lorenzo Sani

E-mail: [email protected]

Materiale didattico:

www.bioclinica.unipi.it/lezioni/bioingegneria

[email protected]

www.ing.unipi.it “Prenotazione Esami”

Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica

Facoltà di Medicina, Università di Pisa

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

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

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

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


1881

1991

80s Today

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

Correlazione con metodi diagnostici differenti

Pie

trin

i et

al.

, A

m J

Psy

chia

try,

19

99

White et al., FieldStrenght, 2008

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

neuropsicologica, parametricomportamentali, ecc.

Datistrutturali


Haxby et al., Science, 2001

Informazioni originali rispetto ad altre metodologie


Metabolismo energetico cerebrale


Esplorazione funzionale in vivo del cervello

Perché studio in vivo?

Differenze in vitro e in vivo

1. Limite anatomico: la barriera emato-encefalica



2. Segregazione e integrazione funzionale



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-Metabolismo 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 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 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 sinapsi

Connessioni neuronali

Le proprietà elettriche del neurone:il potenziale d’azione

DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O2

ATP + AMP 2ADP

ATP PCr + ADP

membrana cellulare

2K+

Glucosio

Piruvato

Pompa

Na+/K+

translocasi

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

Isocitrato

OssaloacetatoCitrato

NADH

FADH2

-chetoglutarato

Complesso dellapiruvato deidrogenasi

ATP, NADH

AMP, ADP, NAD+

Succinil-CoA

ADP, Ca++

-chetoglutaratodeidrogenasi

+

_

+

Malato

Fumarato

Succinato

Succinatodeidrogenasi

Malatodeidrogenasi

Glucosio

Glucosio-6-P

Fruttosio-6-P

ATP

ADP

ATP

ADP

Fruttosio-1,6-biP

Pi

AMP, Pi

Esochinasi

Fosfofrutto-chinasi

AMP

ATP, NADH

ATP, citrato

Piruvato

Fosfoenolpiruvato

ATP

Piruvato-chinasi

ADP

Lattato

+

_

+

+_

Fosfo-esoso isomerasi

GLICOLISI CICLO DI KREBS

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

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 membrananegativo; 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 Condizionidi 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 Cerebrale

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

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

il funzionamento della pompa Na+/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 sinapsi 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 neurometabolici dell’attività cerebrale

Ripos

oAtt

ivazione

= HbO2

= Hb

Oxygen

Hemoglobin

Blood Flow

mV

-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

EEG

MEG

H215O-PET

fMRI

FDG-PET

sMRI

La Tomografia ad

Emissione di Positroni

(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 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

110

45

65

1-2

2

1 - 4

1 - 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

rier

a em

ato

-en

cefa

lica

[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

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 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

60

Corteccia Visiva

aum

ento

% d

el m

eta

bolis

mo

del glu

cosi

o

18FDG -glucosio

18F-fluorodopa

18F-fluoroetilspiperone

Anziano

Sano

Malato

AD

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

La PET cerebraletra applicazioni cliniche

e 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

SOGGETTO

NORMALE

DEMENZA

INIZIALE

DEMENZA

MODERATA

DEMENZA

GRAVE

Alterazioni del Metabolismo Cerebrale del Glucosio nelle Malattie 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 dei dati acquisiti con metodologia PET

PET - applicazioni cliniche

Oncologiche

Cardiache

Cerebrali

Malattie Infettive

Farmacologiche

Metaboliche

PET-FDG: diagnosi e caratterizzazione

PET-FDG: stadiazione

PET-FDG: stadiazione

Esame PETLinfoma di Hodgkin

Esame PETPost-trattamento

PET-FDG: verifica della terapia

Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello · funzionale in vivo del cervello umano ... Il neurone : la struttura di base • Essa è costituita da un elemento presinaptico

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