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
