Università degli studi di Brescia
Dipartimento Scienze Biomediche e Biotecnologie
Sezione di Fisiologia
Dottorato di ricerca in Neuroscienze
Coordinatore Prof PierFranco Spano
XXII Ciclo
Relazione annuale – Anno accademico 2009/2010
Dottoranda: De Stefani Elisa
Tutor: prof. Claudio Maioli
VARIAZIONI DI ECCITABILITÀ DEL SISTEMA CORTICO-SPINALE (SCS) DELL’ARTO
A RIPOSO DOVUTI ALL’ESECUZIONE DI MOVIMENTI SACCADICI
Introduzione
I movimenti oculari offrono un eccellente modello per studiare l’abilità del nostro cervello ad adattarsi
al mondo che ci circonda e selezionare di volta in volta gli stimoli di interesse ignorandone altri. Una
caratteristica fondamentale del comportamento umano è la capacità di rispondere in modo flessibile
agli stimoli ambientali specie in situazioni in cui l’uomo mette in atto azioni che prevedono una stretta
coordinazione tra lo spostamento dello sguardo e i gesti della mano. In un’azione finalizzata, come
l’afferrare un oggetto o il seguire uno stimolo che compare nel nostro capo visivo, si ottiene
un’esecuzione più accurata se i movimenti degli occhi sono associati a movimenti della mano nella
stessa direzione (Prablanc et al., 1979; Mather and Lackner, 1980; Koken and Erkelens, 1992; Vercher
et al., 1994; Neggers and Bekkering, 1999; van Donkelaar and Staub, 2000; Miall and Reckess, 2002;
Engel and Soechting, 2003)
In uno studio precedentemente condotto nel nostro laboratorio è stato dimostrato che, stimolando la
corteccia motoria sinistra con un singolo impulso di stimolazione magnetica transcranica (TMS) in uno
di tre possibili ritardi rispetto all’inizio del movimento oculare (60, 300 e 540ms), sono state misurante
le variazioni di ampiezza dei potenziali evocati motori (PEM) di due muscoli distali (first dorsal
interosseus FDI e abduttor digiti minimi ADM) e del muscolo estensore radiale del carpo (extensor
carpi radialis ECR), in funzione della direzione verso cui il soggetto eseguiva la saccade richiesta
(esperimento SACCADE). I dati ottenuti hanno portato alla conclusione che l’esecuzione di una
saccade induce cambiamenti di eccitabilità dell’SCS del braccio a riposo compatibili con l’esistenza di
un piano motorio sotto soglia dell’arto superiore, specifico per il puntamento. In particolare:
2
-
la modulazione specifica dei PEM, osservata nei muscoli FDI ed ECR, risulta essere maggiore
subito dopo l’inizio della saccade per poi decrescere nel tempo fino a tornare ad una condizione
di riposo circa 540ms dopo;
-
i cambiamenti di eccitabilità riscontrati dipendono dal lato verso cui la saccade viene eseguita e
risentono dell’ampiezza del movimento.
L’attivazione del SCS del braccio a riposo sembra, perciò, essere strettamente legata all’esecuzione
della saccade in una specifica direzione. Tuttavia, rimane non chiara quale relazione temporale esista
tra l’aumento di eccitabilità di SCS ed il movimento saccadico e, in modo particolare, se è necessaria la
presenza dello stimolo visivo affinché si verifichi l’accoppiamento occhio-mano descritto.
A questo scopo, è stata condotta una prima sessione sperimentale utilizzando un compito di
discriminazione a scelta multipla (esperimento GO/NOGO), in cui il soggetto doveva eseguire una
saccade verso uno stimolo periferico (compito di GO) di un determinato colore (blu o giallo)
concordato precedentemente o, in alternativa, rimanere con lo sguardo fisso al centro dello schermo
(compito di NOGO). I risultati hanno dimostrato che, solo durante la condizione GO, è presente una
modulazione specifica dei PEM che è differente a seconda del muscolo registrato e del lato verso cui
l’occhio muove. Considerando il fatto che il muscolo FDI è un abduttore del dito indice e che il suo
effettivo reclutamento nel puntamento di un oggetto avviene quando lo stimolo compare a sinistra, la
maggiore ampiezza dei PEM, registrati quando l’occhio muove a sinistra, conferma le conclusioni
trattate nei dati pubblicati, avvalorando l’ipotesi dell’esistenza di un piano motorio sotto soglia del
braccio a riposo, che si attiva in conseguenza al movimento degli occhi.
Al contrario, nei compiti NOGO, non si riscontra una significativa differenza di lato nell’eccitabilità
dell’SCS dell’arto superiore a riposo, e questo ci ha portato a supporre che l’effetto trovato nella
condizione GO possa essere dovuto al movimento oculare eseguito e non in risposta alla semplice
presentazione dello stimolo periferico.
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Al fine di verificare se la modulazione di eccitabilità del SCS è strettamente associata all’esecuzione di
un movimento saccadico, indipendentemente dalla direzione degli stimoli visivi, si è deciso di
procedere con un ulteriore esperimento utilizzando un paradigma di scelta semplice che prevede
l’esecuzione di 2 possibili movimenti saccadici: una saccade eseguita in direzione del cue (pro-saccade
PS) e un movimento saccadico di identica ampiezza in direzione opposta al punto di comparsa dallo
stimolo visivo (anti-saccadi AS). Questo paradigma sperimentale ci offre la possibilità di manipolare la
congruenza tra lo stimolo e la risposta, in modo da disaccopiare il lato in cui si presenta lo stimolo
visivo e la direzione del movimento oculare.
Protocollo sperimentale
Soggetti.
Alla sessione sperimentale hanno partecipato 26 soggetti (13 femmine e 13 maschi con età media di 23
anni), destrimani (misurati utilizzando Edinburgh handedness inventory), sani e ignari rispetto allo
scopo dell’esperimento.
Le istruzioni date ai soggetti erano di mantenere lo sguardo fisso al centro dello schermo fino alla
comparsa dello stimolo il cui colore avrebbe specificato il tipo di movimento da eseguire.
Prima dell’inizio della sessione sperimentale veniva eseguito un blocco di prova della durata di 36
stimoli in modo tale che il soggetto diventasse pratico nell’eseguire il compito. Durante il blocco di
prova i movimenti oculari venivano ugualmente registrati per consentire agli sperimentatori di fornire
feedback al soggetto sulla sua performance.
4 soggetti dei 26 registrati sono stati scartati perché hanno eseguito in modo non accurato il compito.
Nello specifico 2 soggetti scartati hanno commesso un numero troppo elevato di errori nei movimenti
4
oculari (più del 20% rispetto alla totalità delle prove); 2 soggetti tendevano a mantenere contratti i
muscoli del braccio destro durante tutta la sessione sperimentale.
Ai soggetti era chiesto di eseguire il compito oculare in modo accurato il più rapidamente possibile, ma
avendo cura di eseguire il compito oculare solo dopo aver correttamente discriminato il colore dello
stimolo. Inoltre, a ciascun soggetto veniva esplicitamente chiesto di mantenere le braccia
completamente rilassate durante la sessione sperimentale.
I soggetti sedevano ad un metro di distanza da uno schermo a retroproiezione (160 cm di larghezza e
120 cm di altezza) con il braccio destro orientato verso il centro (in posizione rilassata). La testa del
soggetto era immobilizzata mediante una mentoniera e una base di appoggio per la fronte. Per la
presentazione degli stimoli è stato utilizzato un programma in ambiente di sviluppo Presentation
(Neurobehavioral Systems) (fig. 1)
Fig. 1 Seduta del soggetto durante la sessione sperimentale
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In ciascuna prova sperimentale, ai soggetti veniva chiesto di spostare lo sguardo in direzione del cue
che poteva comparire in una di due possibili posizioni, ad un’eccentricità di 5° gradi a sinistra o destra
del punto di fissazione centrale, lungo il meridiano orizzontale. Dall’inizio della prova fino a quando lo
stimolo colorato compariva, trascorreva un periodo di tempo variabile compreso tra i 3 e 5 sec. Durante
questo intervallo temporale, il soggetto manteneva lo guardo sulla mira centrale. Alla comparsa dello
stimolo visivo colorato (cue), il soggetto doveva discriminare il colore dello stimolo e decidere se
eseguire la saccade verso il cue (PS) o spostare lo sguardo in direzione opposta (AS). Dopo
l’esecuzione del movimento oculare richiesto il soggetto doveva mantenere lo sguardo su di esso per 2
sec e tornare a fissare la mira centrale dopo la scomparsa del cue (fig. 2.)
Fig.2 Protocollo sperimentale
Durante ogni prova era erogato un singolo impulso TMS sulla corteccia motoria sinistra ma in momenti
diversi rispetto alla presentazione del cue.
Prima della presentazione del cue la TMS poteva scaricare in due momenti distinti: all’inizio della
prova, in corrispondenza di un segnale acustico che serviva per avvertire il soggetto che la nuova prova
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era iniziata o circa 500ms prima della comparsa del cue per un totale di 20 stimoli nell’intera sessione
sperimentale. I valori dei PEM registrati quando la TMS scaricava prima della comparsa del cue, sono
stati utilizzati come riferimento (baseline) rispetto a cui calcolare il grado di eccitazione o inibizione
del SCS del braccio a riposo.
Dopo la comparsa del cue la TMS poteva scaricare in uno di 9 differenti momenti ad intervalli multipli
di 120ms, durante i quali i soggetti eseguivano la saccade. Quindi, rispetto alla presentazione del cue,
gli impulsi TMS potevano avvenire, in uno dei seguenti ritardi: 120, 240, 360, 480, 600, 720, 840, 960
o 1080ms dopo la comparsa dello stimolo visivo (fig.3).
Fig.3 Durante ogni prova sperimentale, era erogato un singolo impulso di TMS. La TMS scaricava all’inizio della prova o
480 ms prima della comparsa dello stimolo visivo . In alternativa, l’impulso era erogato con uno di 9 possibili ritardi entro
1080 ms dalla comparsa dello stimolo visivo. Perciò, la TMS poteva scaricare casualmente prima o dopo il segnale acustico,
oppure 120, 240, 360, 480, 600, 720, 840, 960 o 1040ms dopo la comparsa dello stimolo visivo
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Per ciascuno dei 9 possibili ritardi TMS successivi alla comparsa del cue, erano effettuate 10 ripetizioni
in ciascuna delle 4 combinazioni: posizione dello stimolo (destra o sinistra) e colore (giallo o blu) per
un totale di 36 combinazioni. In ogni prova, la selezione del ritardo con cui la TMS scaricava rispetto
all’onset dello stimolo visivo era casuale. Ciascuna sessione sperimentale prevedeva, perciò, 380 prove.
Per limitare l’affaticamento dei soggetti, abbiamo suddiviso l’esperimento in 5 blocchi di 76 prove e tra
un blocco e l’altro il soggetto era fatto riposare per alcuni minuti.
Baseline
I valori di “baseline” rispetto ai quali misurare le variazioni di eccitabilità del SCS dell’arto a riposo
durante l’esecuzione del compito saccadico, corrispondono ai PEM registrati nei due diversi ritardi
TMS prima della presentazione del cue, poiché, i valori dei PEM non sono risultati essere
significativamente distinti (t-test=0.19: p=0.95). Se, in ogni soggetto, la media della baseline in un dato
muscolo non superava i 140 μv, il muscolo in questione veniva escluso dalle analisi in quanto
l’ampiezza di attivazione non veniva ritenuta sufficiente. Questo valore limite di 140μv si è dimostrato
essere una valore soglia ottimale verso cui confrontare un’eventuale inibizione del SCS del braccio
(Maioli et al, 2007).
Elettrooculografia (EOG) ed elettromiogramma (EMG)
I movimenti oculari orizzontali sono stati registrati tramite EOG mediante elettrodi Ag-AgCl
posizionati ai lati esterni degli occhi (cutoff 0-200 Hz).
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Il segnale EMG viene registrato dai muscoli FDI, ADM e ECR. Il segnale EMG è stato amplificato
1000x, con ampiezza di banda tra 0.2 Hz e 1 kHz. I segnali EOG e EMG sono stati acquisiti su PC con
una frequenza di campionamento di 4 khz (National Instrument PCI-MIO-16E-4) e analizzati off-line.
Stimolazione magnatica transcranica (TMS) e raggruppamento dei dati per l’analisi statistica
Un coil focale di 70 mm è stato posizionato tangenzialmente allo scalpo con il manico che puntava
all’indietro con un angolo di 45° rispetto al piano sagittale, inducendo una corrente postero-anteriore. Il
coil era connesso ad uno stimolatore magnetico MagStim Super Rapid (Mag-1450-00; MagStim,
Whitland, UK). Per ogni soggetto veniva trovata la soglia nel muscolo FDI rilassato, definita come
l’intensità di stimolazione in grado di evocare un PEM avente un’ampiezza picco-picco di almeno 100
μV in 5 su 10 stimoli consecutivi. Trovato il punto di stimolazione sullo scalpo che permette di evocare
i PEM in tutti i muscoli di interesse cercando di minimizzare la soglia di stimolazione per il muscolo
FDI, il coil era fissato grazie ad un braccio meccanico e mantenuto in posizione per tutta la durata
dell’esperimento. Durante l’intero esperimento, è stata utilizzata un’intensità TMS pari al 120% dalla
soglia motoria dell’FDI trovata per ciascun soggetto.
Per aiutare il soggetto a riposizionare correttamente la testa rispetto alla posizione precedentemente
assunta e, soprattutto, a riposizionare il coil rispetto al punto in cui è stata trovata la soglia per il
muscolo FDI, è stato sviluppato un software dedicato, in grado di interfacciarsi con il sistema di
neuronavigazione FASTRAK Polhemus e restituire la posizione e l’orientamento del capo e del coil.
FASTRAK Polhemus è un sistema elettromagnetico che prevede l’utilizzo di sensori 3D di piccole
dimensioni, che comunicano con un trasmettitore tramite campi magnetici. Mediante l’utilizzo di
FASTRAK e del software dedicato è stato possibile registrare accuratamente la posizione (coordinate
cartesiane X, Y, Z) e l’orientamento nello spazio della testa del soggetto e del coil. La ricostruzione
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della posizione del capo avveniva posizionando i trasmettitori sulla testa del soggetto in tre punti
craniometrici: i due punti pre-auricolari sinistro e destro e a livello del nasion del soggetto. Un quarto
sensore era posizionato sul coil della TMS. Prima di iniziare l’esperimento erano acquisite le posizioni
dei sensori e questi dati erano utilizzati per verificare che, durante l’esperimento, il soggetto
mantenesse la testa ferma, così da poter concludere che la TMS era applicata ogni volta nel medesimo
punto di stimolazione.
Data l’ampia variabilità dei potenziali evocati motori (PEM) registrati nei muscoli FDI, ADM ed ECR,
l’analisi statistica è stata svolta sull’attività normalizzata degli EMG per ciascun soggetto. I valori dei
PEM sono stati analizzati seguendo due diversi criteri di allineamento dei dati: rispetto all’onset dello
stimolo visivo e rispetto all’onset del movimento oculare (fig4). Nel primo caso il confronto è avvenuto
raggruppando tra loro i dati registrati quando la TMS scaricava con lo stesso ritardo (D) rispetto alla
comparsa dello stimolo visivo, cioè senza tenere conto della latenza con cui il soggetto inizia il
movimento oculare.
a
b
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Fig.4Raggruppamento dei dati (PEM) per l’analisi statistica in funzione dell’onset dello stimolo (distanza “D” ovvero il
tempo che intercorre tra la comparsa dello stimolo e la scarica dell’impulso TMS e dell’onset della saccade (distanza “d”
che rappresenta l’intervallo di tempo trascorso tra l’inizio della saccade e l’impulso TMS).
Nel secondo caso i dati sono stati allineati in funzione dell’inizio della saccade. Calcolando l’intervallo
di tempo entro cui l’occhio iniziava a muovere rispetto all’impulso di TMS (d), i dati sono stati
raggruppati in intervalli (bin) di 120ms. Partendo dal bin 0 (fig5), in cui rientrano tutti i valori dei PEM
registrati quando la TMS scaricava tra i 60ms prima dell’inizio della saccade e i 60 successivi all’inizio
del movimento, i dati vengono suddivisi attribuendo ai valori negativi i PEM registrati prima dell’inizio
della saccade e ai valori positivi quelli successivi.
Valori dei PEM normalizzati
Variazioni di ampiezza dei PEM
rispetto all’onset della saccade
onset saccade
Bin
Fig.5 Valori medi dei PEM ottenuti per ogni singolo bin.
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Risultati
Latenze delle risposte saccadiche
Le latenze considerate per l’analisi statistica sono quelle incluse tra 200-600 ms per le prove in cui la
TMS scaricava dopo la comparsa dello stimolo. In fig.6 è possibile osservare la distribuzione delle
latenze delle saccadi e delle antisaccadi senza distinguere per le varie condizioni (lato e delay della
TMS). In entrambe le distribuzioni si può osservare un certo numero di osservazioni in cui i movimenti
oculari hanno latenze molto brevi (<200ms) che, data la complessità del compito in cui i soggetti
dovevano prima discriminare il colore dello stimolo e successivamente eseguire il movimento oculare
ad esso associato, sono state considerate risposte anticipatorie. Inoltre, sono state escluse le prove in
cui la risposta oculare avveniva con un ritardo superiore ai 600ms rispetto alla comparsa dello stimolo,
in quanto ciò è stato considerato indice di un basso livello attentivo da parte del soggetto.
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Fig.6 Distribuzione delle latenze nel compito PS (azzurro) e AS (rosso)
Le latenze delle saccadi e delle antisaccadi differiscono significativamente di circa 30 ms. La media
della latenza delle saccadi è di 387 ms mentre quella delle antisaccadi è di 420 ms. Non risulta esserci
una differenza significativa (t-test=1.47; p=0.14) tra la risposta saccadica go dell’esperimento
GO/NOGO (latenza media di 387ms) e la risposta PS dell’esperimento ANTISACCADE (latenza
media di 390ms)
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Generale inibizione del SCS dell’arto a riposo in risposta alla comparsa dello stimolo visivo.
I dati rappresentati in fig.7 sono le medie dei PEM di tutti i soggetti, registrati sul muscolo FDI, ADM
ed ECR durante la risposta PS (a) e la risposta AS (b). Ciascun tracciato rappresenta la media dei valori
acquisiti in un preciso momento dell’esecuzione saccadica rispetto all’onset dello stimolo (vedi pag.9,
cap 1.1.3). Nell’asse delle ascisse, infatti, si trovano i 9 ritardi con cui la TMS scaricava dopo la
comparsa del cue visivo e ogni punto rappresenta una media dei valori registrati tra la comparsa dello
stimolo e lo specifico ritardo con cui veniva dato l’impulso TMS. Abbiamo applicato un t-test che
permettesse di verificare, innanzitutto, un’eventuale differenza tra la condizione baseline e il lato verso
cui il soggetto sposta lo sguardo (destra-sinistra). Osservando l’ampiezza dei PEM dei tre muscoli, si
nota, nel compito PS (fig.7a), una graduale riduzione di eccitabilità dell’SCS del braccio a risposo, che
risulta essere significativamente diversa rispetto alla baseline dopo circa 300 ms dalla comparsa dello
stimolo visivo e che tende a mantenersi nel tempo. Inoltre, osservando l’ampiezza dei PEM nel
muscolo ADM si nota un aumento di eccitabilità del SCS del braccio entro i primi 240ms dall’onset
dello stimolo (l’ampiezza dei PEM è maggiore quando il soggetto esegue il movimento oculare rispetto
alla condizione di riposo), mentre, dopo 400ms dalla comparsa del cue, il SCS del braccio a riposo
viene inibito in concomitanza con l’inizio del movimento oculare che, ricordiamo avere, nella risposta
PS, il una latenza media di 390ms. Nel compito AS, invece, non si osserva nei muscoli registrati questo
fenomeno di inibizione generalizzata dei PEM rispetto alla baseline (fig.7b).
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a
b
Fig.7 I tracciati rappresentano i cambiamenti di eccitabilità del SCS raggruppati in funzione della comparsa dello stimolo
visivo in ciascuno dei nove ritardi con cui la TMS scaricava. I simboli riempiti sono stati utilizzati per indicare quando la
media dei PEM di tutti i soggetti, in una specifica condizione, risulta essere significativamente diverse rispetto alla baseline.
L’effetto lato significativo (t-test tra i PEM registrati quando il soggetto esegue una saccade verso uno stimolo comparso a
sinistra piuttosto che a destra) è rappresentato da un doppio asterisco. La fig7a rappresenta la risposta pro-saccade (nei tre
muscoli FDI, ADM ed ECR), mentre la fig7b rappresenta la risposta anti-saccade.
Modulazione dell’SCS dell’arto a riposo in funzione dell’onset dello stimolo visivo.
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Sempre in fig.7a è possibile osservare un effetto lato (cioè una differenza significativa tra i PEM
registrati quando il soggetto esegue una saccade verso uno stimolo comparso a sinistra piuttosto che a
destra), solo nel muscolo FDI, circa 360ms dopo la comparsa del cue. In questa specifica finestra
temporale i PEM registrati quando l’occhio muove a sinistra sono significativamente diversi rispetto
allo stesso movimento eseguito a destra (t-test=8.69; p=0.03) Nel compito AS, in cui il movimento
oculare e la posizione dello stimolo sono disgiunti non si osserva nessuna differenza di lato
significativa (fig7b)
Le analisi finora condotte non tengono conto della latenza con cui il soggetto inizia il movimento
oculare. Perciò ci siamo chiesti se, tra le latenze raggruppate assieme, non vi fossero due popolazioni di
dati: una costituita dalle prove in cui i soggetti rispondevano prontamente al compito e altre in cui la
latenza del movimento oculare era più lenta. Per questo motivo abbiamo suddiviso i dati in due gruppi
in funzione della mediana: un primo gruppo che comprende le latenze tra i 200 e i 380ms ed un
secondo che comprende le latenze maggiori di 380ms.
In fig.8 si può notare che l’effetto lato
riscontrato nel muscolo FDI si mantiene anche suddividendo le latenze in precoci e tardive (t-test=1.34,
p=0.047; t-test=0.97, p=0.01). Tuttavia l’effetto di inibizione generalizzata a partire dai 360ms dalla
comparsa dello stimolo è presente solo nel raggruppamento precoce.
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Fig.8 Dati suddivisi in due gruppi di latenze, il primo gruppo comprende i valori dei PEM registrati durante saccadi con
latenza comprese tra i 200 ed i 380ms mentre il secondo tra i 381 ed 600ms.
Modulazione dell’SCS dell’arto a riposo in funzione dell’inizio del movimento oculare.
Nei risultati riportati in fig.9a un t-test è stato eseguito tra i valori medi dei PEM normalizzati dei
muscoli FDI ADM ed ECR, registrati durante la condizione di riposo e quelli registrati durante le
diverse condizioni sperimentali. I dati dei soggetti sono stati allineati in funzione dell’onset del
movimento saccadico. Osservando l’andamento dei dati in tutti e tre i muscoli, si nota che, quando
l’occhio inizia a muoversi, si verifica un’inibizione del SCS del braccio a riposo rispetto alla baseline.
Questa inibizione si mantiene per circa 400ms al termine dei quali, nei muscoli FDI ed ECR, circa
480ms dall’inizio del movimento oculare, si osserva un chiaro aumento di eccitabilità’ del SCS quando
il soggetto esegue una saccade verso sinistra (FDI: t-test=3.998; p=0.02 e ECR: t-test=4.355; p=0.03).
L’effetto lato è presente solo nelle risposte PS ma non in quelle AS (fig9b).
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a
b
Fig.9 Ogni punto rappresenta la media dei PEM calcolati suddividendo i valori in funzione dell’inizio del movimento
oculare che nell’asse delle ascisse è indicato con 0. Sempre nell’asse delle ascisse, i valori negativi identificano i PEM
registrati prima che i soggetti iniziassero a muovere l’occhio, mentre i valori successivi allo 0 le registrazioni effettuate in
vari momenti dell’esecuzione saccadica.
Discussione
Le saccadi sono movimenti degli occhi rapidi e frequenti il cui scopo è portare l’informazione visiva
nella parte di retina (fovea) dove l’acuità visiva è migliore. Esistono due tipi di saccadi; quelle
conosciute come saccade riflesse sono generate da indicazioni esterne (stimoli) e richiedono per la loro
implementazione la semplice e diretta trasformazione sensorimotoria. Un secondo tipo di saccadi sono
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quelle volitive che richiedono processi di controllo più complessi quali un maggiore dispiegamento
delle risorse attentive, l’inibizione della saccade riflessa, l’uso della memoria spaziale e l'analisi di
indicazioni contestuali.
La risposta AS utilizzata in questo studio è un tipo di movimento oculare volontario in cui gli
spostamenti effettuati sono in direzione opposta a quella in cui lo stimolo visivo è presentato. Abbiamo
deciso di utilizzare questo paradigma allo scopo di verificare se le variazioni di eccitabilità del SCS del
braccio a riposo siano indotte dalla semplice presentazione dello stimolo visivo presentato o se, invece,
dipendano dall’effettiva esecuzione della saccade. L’alternare risposte PS con risposte AS costringe i
soggetti ad inibire la risposta saccadica riflessa indotta dalla comparsa dello stimolo ed eseguire una
saccade volitiva. La richiesta attentiva in entrambe le risposte è simile: discriminare il colore del cue
periferico mantenendo lo sguardo centrale (spostamento covert dell’attenzione) e successivamente
eseguire il movimento oculare corretto.
Nel compito PS notiamo, in tutti e tre i muscoli registrati (FDI, ADM, ECR), una graduale riduzione di
eccitabilità del SCS dell’arto mantenuto a riposo che inizia circa 300 ms dopo l’onset dello stimolo
periferico che si mantiene nel tempo. Tuttavia, dopo circa 360ms dalla comparsa dello stimolo visivo
da analizzare, si osserva una modulazione specifica dell’ampiezza dei PEM del muscolo FDI quando il
soggetto esegue una saccade a sinistra rispetto a quando la esegue verso destra. Il muscolo FDI è un
abduttore del dito indice, il cui reclutamento è previsto nel puntamento di un oggetto che compare a
sinistra. Perciò, la maggiore eccitabilità dell’SCS del braccio a riposo durante una saccade a sinistra,
avvalora l’ipotesi dell’esistenza di un piano motorio sotto soglia per il puntamento, che si attiva in
conseguenza al movimento saccadico. Lo scopo principale per cui abbiamo condotto l’esperimento
ANTISACCADE era quello di chiarire se, affinché si verifichi l’accoppiamento occhio-mano, fosse
necessaria la presenza dello stimolo visivo verso cui dirigere lo sguardo o se fosse sufficiente
l’esecuzione di un movimento oculare in una direzione compatibile con un’eventuale azione di
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puntamento del braccio. I risultati ottenuti nel precedentemente esperimento GO/NOGO avevano
dimostrato che, solo durante la risposta saccadica, era presente una modulazione specifica dei PEM
differente a seconda del muscolo registrato e del lato verso cui l’occhio muoveva. Al contrario, in
assenza di movimento oculare, non si riscontrava alcuna differenza significativa di lato nell’eccitabilità
dell’SCS dell’arto superiore a riposo. Questo fece supporre che l’effetto trovato fosse dovuto
all’effettiva esecuzione del movimento oculare. Tuttavia, sembra che quando ai soggetti viene richiesto
di discriminare, in base ad una caratteristica del cue visivo, tra una risposta PS ed una risposta AS, lo
stimolo codificato mandi in modo parallelo un segnale motorio agli occhi ed alla mano. Questo
scambio di informazioni tra i due sistemi visuomotori avverrebbe, però, solamente nella risposta PS,
quando cioè lo stimolo visivo è in una posizione compatibile con la direzione della saccade ma non
nella risposta AS in cui la posizione dello stimolo visivo e la direzione del movimento oculare sono
disgiunti. Eppure, se fosse la codifica dello stimolo a generare lo scambio di informazioni necessarie
affinché si verifichi l’accoppiamento occhio-mano, ci saremmo dovuti aspettare, nel compito AS, una
modulazione specifica dei PEM registrati in direzione dello stimolo. Nello specifico, per i muscoli FDI
ed ECR una differenza significativa di lato quando lo stimolo compare a sinistra, anche se il
movimento richiesto è a destra. Il motivo per cui nella risposta AS non si osserva alcun effetto potrebbe
essere il fatto che in natura questo movimento oculare volitivo non è naturale. E’ da ricordare che vari
studi hanno dimostrato una stretta coordinazione dei movimenti del braccio e degli occhi in compiti
“naturali” di raggiungimento o puntamento di un oggetto in modo accurato (Prablanc et al., 1979;
Mather and Lackner, 1980; Koken and Erkelens, 1992; van Donkelaar and Staub, 2000; Miall and
Reckess, 2002; Engel et al., 2003) L’inversione richiesta nel compito AS non è naturale come compito
e quindi probabilmente non è prevista una coordinazione tra i due sistemi motori. Per questo motivo,
nel compito AS non si osserva alcuna differente modulazione dei PEM né rispetto alla condizione di
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riposo, né rispetto al lato di comparsa dello stimolo visivo contenente l’informazione sul compito da
eseguire.
Allo scopo di verificare se la modulazione di eccitabilità del SCS del braccio a riposo fosse associata
all’esecuzione di un movimento saccadico, i dati sono stati allineati rispetto all’onset del movimento
oculare. A differenza di quanto osservato nell’esperimento GO/NOGO in cui l’accoppiamento occhiomano avveniva in concomitanza con l’inizio della saccade, nell’esperimento ANTISACCADE si è
osservata una specifica modulazione dell’ampiezza dei PEM dei muscoli FDI ed ECR circa 480ms
dall’inizio della saccade. La modulazione di eccitabilità trovata nei muscoli FDI ed ECR è presente
solamente nel compito PS ma non in quello AS.
Una possibile spiegazione al perchè al compito PS l’accoppiamento occhio-mano si verifica 480ms
dopo l’inizio del movimento oculare, potrebbe essere che il compito AS è notevolmente complesso da
richiedere una maggiore elaborazione cognitiva dell’informazione da trasformare in piano motorio
anche nel compito PS. I soggetti potrebbero essere portati a prestare maggiore attenzione al cue
ritardando così l’eventuale programmazione motoria della mano. In letteratura, vari studi hanno
dimostrato come, in un compito che richiede un cambio nella programmazione motoria tra anti e prosaccade (Everling & Munoz, 1999; 2000; Matthews et al. 2002), vi sia un più alto livello di attivazione
di attività preparatoria nelle aree frontali e parietali. In modo particolare, gli autori suggeriscono che
nel compito anti-saccadico, oltre ad un’attivazione frontale che riflette l’inibizione della saccade
riflessa, vi sia un’attivazione parietale e centrale ad indicare una trasformazione delle informazioni
sensoriali in motorie necessarie affinché avvenga la generazione dell’antisaccade (Matthews et al.
2002). In conclusione possiamo affermare che il discriminare tra una risposta PS ed una risposta AS
risulta essere un compito complesso ed inibitorio che da un lato determina, nella risposta PS, un ritardo
nei cambiamenti di eccitabilità del SCS del braccio a riposo rispetto all’onset della saccade; dall’altro
non permette, nella risposta AS, l’accoppiamento occhio-mano osservato nei precedenti esperimenti.
21
Inoltre, in un compito così articolato, il comando motorio per l’occhio e per la mano, nella risposta PS,
non dipende strettamente dall’esecuzione saccadica ma anche dalla codifica sensoriale dello stimolo
quando questo si trova in una posizione compatibile con la direzione del movimento oculare.
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