Metodi di Indagine della Struttura e Funzione Corticale PDF

METODI DI INDAGINE DELLA STRUTTURA E FUNZIONE CORTICALE L'obiettivo di questa lezione è esplorare le principali tecniche utilizzate per studiare la struttura e la funzione della corteccia cerebrale, con alcune applicazioni anche al midollo spinale. Oltre ai metodi classici come l'istologia e la cito...

METODI DI INDAGINE DELLA STRUTTURA E FUNZIONE CORTICALE L'obiettivo di questa lezione è esplorare le principali tecniche utilizzate per studiare la struttura e la funzione della corteccia cerebrale, con alcune applicazioni anche al midollo spinale. Oltre ai metodi classici come l'istologia e la citoarchitettura, esamineremo approcci basati su lesioni, tecniche di neuroimaging e stimolazione magnetica. Tecniche di Indagine: 1. Istologia e Citoarchitettura: Sono alla base dello studio della corteccia, come dimostrato dal lavoro di Broca. Permettono di analizzare l'organizzazione cellulare. 2. Lesioni: L'analisi delle conseguenze di lesioni cerebrali (traumatiche o naturali) fornisce informazioni preziose sulle funzioni delle aree danneggiate. Tuttavia, è importante sottolineare che non è etico provocare lesioni al sistema nervoso umano. 3. Tecniche di Neuroimaging: Si dividono in: Tecniche Elettromagnetiche (EEG/MEG): Offrono alta risoluzione temporale ma bassa risoluzione spaziale. Imaging Strutturale e Funzionale (MRI/fMRI, PET): Hanno alta risoluzione spaziale ma bassa risoluzione temporale. 4. Registrazioni di Campo: Vengono effettuate durante interventi chirurgici. 5. Modelli Animali: Forniscono una maggiore libertà per lo studio del sistema nervoso. Elettroencefalogramma (EEG) L'EEG è l'analogo cerebrale dell'elettrocardiogramma (ECG). Registra l'attività elettrica del cervello attraverso elettrodi posti sul cuoio capelluto. Origine dei Segnali EEG: I segnali EEG derivano principalmente dalle correnti sinaptiche che agiscono sui dendriti dei neuroni, in particolare i neuroni piramidali, grazie alla loro disposizione parallela e ortogonale alla superficie corticale. Non sono i potenziali d'azione la fonte diretta del segnale EEG, ma piuttosto le variazioni di potenziale generate dalle correnti sinaptiche a livello dei dendriti. Durante la depolarizzazione del dendrita, si registra una positività all'interno e una negatività all'esterno. Le depolarizzazioni apicali, dovute all'attività della corteccia controlaterale, sono più frequenti e quindi la negatività viene convenzionalmente rappresentata verso l'alto nel tracciato EEG. Posizionamento degli Elettrodi: Gli elettrodi vengono distribuiti sulla superficie della testa e misurano il potenziale rispetto a un riferimento. Il riferimento può essere il lobo dell'orecchio o la media di tutti i potenziali (analogia con la centrale di Wilson). Precedentemente venivano usate registrazioni bipolari per esplorare la corteccia in direzione antero-posteriore. Gli artefatti, come i movimenti oculari, possono essere misurati e utilizzati come indicatore dell'attività cerebrale. Magnetoencefalografia (MEG) La MEG misura i campi magnetici prodotti dalle correnti elettriche cerebrali utilizzando magnetometri raffreddati. Principi della MEG: I nuclei atomici si comportano come trottole con un moto di rotazione e precessione. L'applicazione di un campo magnetico forte allinea i nuclei, e il loro moto di precessione ha una determinata frequenza. Quando l'impulso di campo magnetico cessa, i nuclei emettono energia riallineandosi al campo principale. Il segnale emesso varia a seconda del tessuto (es. acqua, grasso, proteine). Localizzazione del Segnale: Per distinguere il segnale da diverse porzioni del corpo, vengono utilizzati gradienti di campo magnetico. Un primo gradiente permette di ottenere informazioni da una sezione rostro-caudale. Un secondo gradiente (antero-posteriore) sfasza le componenti provenienti dalle varie righe. Un terzo gradiente (medio-laterale) forza le colonne ad oscillare a diverse frequenze. L'analisi di Fourier permette di separare il segnale nelle sue componenti di frequenza e identificare la fase, da cui risalire all'origine del segnale. Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI) La fMRI sfrutta le proprietà paramagnetiche dell'ossiemoglobina per studiare l'attività cerebrale. Principi della fMRI: L'ossiemoglobina ha proprietà paramagnetiche maggiori rispetto alla deossiemoglobina. Maggiore ossiemoglobina porta a un segnale MRI più intenso. Si confrontano fasi di riposo (minore flusso sanguigno e ossiemoglobina) con fasi attive (maggiore flusso sanguigno e ossiemoglobina). Le differenze tra le due condizioni identificano le aree cerebrali con maggiore attività. Tomografia a Emissione di Positroni (PET) La PET utilizza traccianti radioattivi per studiare la funzione degli organi. Principi della PET: Un radionuclide (es. deossiglucosio marcato con fluoro-18) viene iniettato nel paziente. Il radionuclide emette positroni che, incontrando elettroni, generano coppie di fotoni (raggi gamma) in direzioni opposte. Un pannello di cristalli rileva le radiazioni gamma, identificando la posizione del radionuclide. La PET viene usata per visualizzare il metabolismo e l'attivazione di particolari aree del cervello. Stimolazione Magnetica Transcranica (TMS) La TMS utilizza campi magnetici per stimolare o inibire l'attività neuronale corticale. Principi della TMS: Una bobina di rame genera un campo magnetico che penetra nella corteccia cerebrale. Il campo magnetico induce una corrente elettrica che depolarizza gli assoni piramidali e genera un potenziale d'azione. La TMS permette di studiare l'attività neuronale, i cambiamenti nel flusso ematico e nel metabolismo, le contrazioni muscolari e i cambiamenti comportamentali. Spero che questa rielaborazione sia utile per lo studio dei metodi di indagine della corteccia cerebrale. REGISTRAZIONE INTRACELLULARE E STUDIO DEL MOVIMENTO Questa lezione si concentra sulla registrazione intracellulare, con un riferimento a quanto discusso nella corteccia temporale inferiore, e sull'analisi del movimento, in particolare dei movimenti volontari. Movimento: Cinematica e Dinamica Per studiare un movimento volontario, si procede con: 1. Cinematica: Studio della traiettoria del movimento, analizzando posizione iniziale, evoluzione della posizione nel tempo. 2. Dinamica: Studio delle forze necessarie per compiere il movimento. Tipologie di Movimento Esistono tre tipologie di movimento: 1. Intenzionale Volontario: Avviato sulla base della volontà cosciente. 2. Riflesso: Modulato dalla volontà ma con un circuito stereotipato (es. riflesso da stiramento). 3. Automatico: Avviato dalla volontà ma eseguito automaticamente a livello midollare (es. locomozione, masticazione). Organizzazione dell'Atto Motorio L'atto motorio è organizzato in diverse fasi: 1. Status Quo: Valutazione della posizione iniziale e dell'ambiente circostante attraverso gli organi sensoriali: Vista: Posizione assoluta nello spazio esterno (sistema esco-centrico). Propriocezione: Posizioni relative dei segmenti corporei (sistema egocentrico). Vestibolo: Posizione rispetto al campo gravitazionale (sistema geo-centrico). La vista ci fornisce anche informazioni sulla posizione degli oggetti fra loro.  1. Pianificazione: Fase Strategica: Definizione dell'obiettivo ("cosa voglio fare"). Fase Tattica: Scelta di come eseguire il movimento, tenendo conto dei gradi di libertà del corpo e delle perturbazioni meccaniche. In questa fase vengono definiti i muscoli da attivare, il pattern e la tempistica, e si pianifica come controllare la postura. 2. Esecuzione: Attuazione del piano, con gestione degli errori sia a breve che a lungo termine. Analisi dello Status Quo La percezione dello status quo è fondamentale per iniziare un movimento. Si basa su: Centro di Massa: Punto in cui è concentrata la massa di un corpo rigido. Il centro di massa è fisso in un corpo rigido e proietta al centro della base di appoggio. La posizione del centro di massa si sposta in base alla postura. Il controllo della postura si basa su informazioni provenienti dai recettori vestibolari e dalle afferenze plantari. Integrazione Sensoriale: La combinazione di informazioni visive, propriocettive e vestibolari permette di definire l'obiettivo motorio. Fasi della Pianificazione Dopo aver integrato le informazioni sensoriali e dalla memoria, si decide dove iniziare l'azione. Il movimento viene prima immaginato (cinematica astratta) in termini di "cosa prendo e dove lo metto". Il compito viene suddiviso in operazioni fondamentali che il sistema muscolo-scheletrico dovrà eseguire. Elaborazione delle Fasi dell'Atto Motorio Le fasi dell'atto motorio (strategica, tattica ed esecutiva) sono elaborate in diverse aree del cervello. La registrazione elettroencefalografica (EEG) associata al movimento volontario ha fornito i primi indizi a riguardo. Tecnica della Media Sincronizzata Per studiare le attività EEG associate a uno stimolo o movimento, si utilizza la tecnica della media sincronizzata. Questa tecnica prevede: 1. Stimoli/Movimenti Sincronizzati: Vengono forniti numerosi stimoli (o vengono eseguiti numerosi movimenti) sincronizzati nel tempo. 2. Registrazione EEG: L'EEG viene registrato durante tutta la fase di somministrazione degli stimoli (o durante l'esecuzione dei movimenti). 3. Segmentazione: L'EEG viene segmentato in intervalli temporali dallo stimolo in poi. 4. Media: Le risposte EEG vengono mediati, eliminando così il "rumore" (attività cerebrale non correlata) e lasciando emergere la risposta allo stimolo o al movimento. Questa tecnica consente di identificare l'attività cerebrale specifica associata a stimoli o movimenti, anche se idealmente per un'azione di volontà si necessita l'indicazione temporale dell'inizio dell'intenzione di muoversi. Spero che questa rielaborazione sia utile per lo studio della registrazione intracellulare, del movimento e delle fasi dell'atto motorio. PIANIFICAZIONE DEL MOVIMENTO: BASI NEURALI E PROCESSI COINVOLTI In questa lezione, approfondiremo il tema della pianificazione del movimento, focalizzandoci sulle aree cerebrali coinvolte, i processi preparatori e le sinergie muscolari. Il Ruolo del Potenziale Preparatorio (Bereitschaftspotential) Per studiare la pianificazione del movimento, i ricercatori hanno utilizzato l'attività elettromiografica (EMG) dell'estensione dell'indice come "proxy" per la volontà di muoversi. Si assume che il ritardo temporale tra la decisione di muovere e l'attivazione muscolare sia costante. Analizzando l'attività cerebrale che precede il movimento, si è scoperto: 1. Attivazione Corticale Parietale: Circa un secondo prima dell'attivazione muscolare, si osserva un aumento del potenziale preparatorio in entrambe le cortecce parietali. 2. Aumento e Inversione del Potenziale Parietale: Tra 300 e 200 millisecondi prima dell'attivazione muscolare, il potenziale parietale aumenta rapidamente. Circa 100 millisecondi prima, il potenziale inverte la sua polarità. 3. Attivazione Corticale Motoria: Contemporaneamente all'inversione del potenziale parietale, si genera il potenziale motorio nell'area motoria primaria controlaterale al dito. 4. Afferenza Somestesica: Durante l'estensione del dito, si ha un'afferenza somestesica nell'area sensitiva primaria controlaterale, che si propaga anche agli elettrodi parietali. 5. Ruolo del Parietale: Le prime fasi della pianificazione del movimento partono dal parietale, evidenziando il suo ruolo nella preparazione dell'atto motorio. Analisi del Potenziale Preparatorio con EEG Studi su soggetti normali che eseguono un movimento con un joystick hanno mostrato: Diffusione del Potenziale Preparatorio: Il potenziale preparatorio non si osserva solo nel parietale, ma in diverse derivazioni EEG, soprattutto nella zona centrale (CZ). Riduzione nel Morbo di Parkinson: In pazienti con il morbo di Parkinson, si osserva una riduzione del potenziale preparatorio, coerente con la difficoltà nell'iniziare il movimento (ipocinesia). Il Bereitschaftspotential: Volontà o Emozione? L'analisi del potenziale preparatorio (bereitschaftspotential) durante attività emotive, come il bungee jumping, rivela: Il potenziale preparatorio è presente sia in salti impegnativi che in salti semplici, suggerendo che codifica la volontarietà e la programmazione dell'atto motorio, più che l'emozione. Modello di Organizzazione dell'Atto Motorio (Allen e Tsukahara) Sulla base di questi risultati, Allen e Tsukahara hanno proposto un modello di organizzazione dell'atto motorio volontario: 1. Contestualizzazione della Volontà (Corteccia Parietale): La corteccia parietale raccoglie informazioni sensitive per capire cosa si può fare e definire l'obiettivo motorio. 2. Trasformazione dell'Idea in Piano Esecutivo (Gangli della Base e Neocervelletto): Il piano esecutivo definisce quali muscoli attivare, con che forza e in che sequenza. In questa fase sono coinvolti i gangli della base e il neocervelletto. 3. Esecuzione del Movimento (Area Motoria Primaria): L'area motoria primaria è lo step finale, dove i singoli muscoli vengono attivati secondo il piano definito. Cinematica e Dinamica del Movimento Pianificazione Cinematica: Non si pensa ai muscoli da attivare, ma al movimento che si vuole ottenere. Il sistema nervoso deve poi risolvere il problema della dinamica. Gradi di Libertà: Abbiamo molteplici gradi di libertà che permettono di raggiungere un punto nello spazio con diverse traiettorie e orientamenti dell'effettore. Uno dei problemi principali è coordinare i muscoli per evitare che i movimenti non intenzionali disturbino quelli voluti. Esempio di Flessione del Dito Medio L'esempio della flessione del dito medio mostra come sia difficile isolare il movimento desiderato a causa della complessa anatomia muscolare: Muscoli Flessori Comuni: I flessori delle dita sono comuni, quindi non è facile muovere un singolo dito senza coinvolgere gli altri. Soggetto Normale vs. Soggetto con Lesione: Soggetti con lesioni della corteccia motoria hanno difficoltà a isolare il movimento, mostrando l'importanza della corteccia motoria nel coordinamento muscolare. Attivazione di Muscoli Fissatori: Per chiudere le dita, è necessario attivare anche i muscoli estensori del gomito per contrastare la flessione che essi provocherebbero. Pattern e Timing dell'Attivazione Muscolare Gerarchia dell'Attivazione: L'attivazione muscolare segue una gerarchia, con i muscoli prossimali che vengono attivati prima dei distali. Sinergie Muscolari: I muscoli vengono attivati in modo coordinato (sinergie) per ottenere la cinematica desiderata. Sinergie e Astrazione dell'Atto Motorio Sinergie Flessibili: Le sinergie, che coinvolgono gruppi di muscoli, vengono apprese e affinate, e sono modulabili a seconda del contesto. Astrazione del Movimento: Più ci si sposta frontalmente rispetto all'area motoria primaria, maggiore è il livello di astrazione dell'atto motorio, con la creazione di sinergie e pattern di coattivazione muscolare. Il cervello non lavora con i singoli muscoli ma con questi raggruppamenti. Esempio del Bicipite e Brachioradiale: Questi due muscoli, entrambi flessori del gomito, vengono programmati in sinergia. Sinergie Posturali Le sinergie non sono solo motorie, ma anche posturali. Esse hanno il compito di stabilizzare il corpo e contrastare le perturbazioni generate dal movimento volontario. Anticipatory Postural Adjustments: Questi aggiustamenti posturali sono pre-programmati e avvengono prima dell'esecuzione del movimento. Non sono riflessi, perché avvengono prima del disturbo che devono contrastare. Esempio di Sollevamento di una Valigia L'esempio del sollevamento di una valigia pesante mostra come: La contrazione del deltoide provoca l'extrarotazione della scapola. Il trapezio ipsilaterale fissa la scapola alla colonna. Il trapezio controlaterale evita la flessione della colonna. Questa catena di attivazioni posturali avviene prima dell'attivazione del muscolo primo motore. Spero che questa rielaborazione sia utile per lo studio della pianificazione del movimento e delle sue basi neurali. ESECUZIONE DEL MOVIMENTO: FEEDBACK, FEEDFORWARD E APPRENDIMENTO In questa lezione, esploreremo la fase di esecuzione del movimento, con particolare attenzione ai meccanismi di controllo, feedback e feedforward, e all'importanza dell'apprendimento motorio. Feedback e Controllo del Movimento Una volta attivata l'area motoria primaria, si innesca il movimento e le informazioni cinestesiche e propriocettive generate vengono utilizzate per il controllo a feedback del movimento. Cos'è un Controllo a Feedback? Un controllo a feedback è un sistema in cui l'output del sistema viene utilizzato per correggere l'input. Un esempio è il termostato: 1. Centro di Controllo: Il termostato. 2. Effettore: La caldaia. 3. Sensore: Il rilevatore di temperatura. Il termostato confronta la temperatura impostata con quella rilevata, attivando o disattivando la caldaia per raggiungere la temperatura desiderata. Questo è un esempio di feedback negativo, in cui la discrepanza tra l'obiettivo e la realtà diminuisce nel tempo. Punti di Controllo a Feedback nel Sistema Motorio  1. Area Motoria Primaria: Riceve afferenze somatosensitive dall'area sensitiva primaria, permettendo un controllo diretto del movimento in base alle sensazioni. 2. Spinacerebello (Paleocerebello): Riceve copie efferenti dei comandi motori inviati ai motoneuroni e agisce sul midollo spinale per modificare il pattern motorio durante l'esecuzione. Controllo a Feedback vs. Controllo a Feedforward Controllo a Feedback: Agisce sull'errore, correggendo la discrepanza tra ciò che si vuole ottenere e ciò che si sta ottenendo. Non può agire in anticipo rispetto all'errore. Controllo a Feedforward: Agisce in anticipo sulla base di predizioni e aspettative, anticipando le perturbazioni. Esempio di Interazione tra Feedback e Feedforward Immaginiamo di tenere un vassoio e di ricevere una pinta di birra aggiuntiva: Feedback: Il braccio cede a causa del peso, attivando il riflesso da stiramento. I centri sovraspinali si accorgono della discrepanza. Feedforward: Se vediamo l'oggetto in arrivo, anticipiamo la perturbazione e contraiamo i muscoli (es. flessori ed estensori del carpo, bicipite) per irrigidire il braccio e limitare la reazione. Nell'esecuzione motoria, feedback e feedforward lavorano insieme per migliorare la precisione e l'adattabilità del movimento. Apprendimento Motorio: Implicito ed Esplicito L'apprendimento motorio è fondamentale per affinare i movimenti e si divide in due componenti: 1. Apprendimento Implicito: Apprendimento per tentativi ed errori, in cui si impara a fare e non fare senza una comprensione cosciente del meccanismo. 2. Apprendimento Esplicito: Apprendimento basato sulla comprensione dei meccanismi che stanno alla base dell'azione, permettendo la generalizzazione e l'applicazione delle conoscenze a nuovi compiti. Esempio di Apprendimento Implicito ed Esplicito Polpo e il Barattolo: Il polpo impara ad aprire il barattolo per tentativi ed errori, ma non comprende il meccanismo della vite. Risoluzione del Cubo di Rubik: Chi risolve il cubo di Rubik per caso ha un apprendimento implicito, mentre chi comprende i meccanismi risolutivi ha un apprendimento esplicito. L'apprendimento esplicito è più potente perché permette di generalizzare quanto appreso e applicarlo anche a task diversi. Spero che questa rielaborazione sia utile per lo studio dell'esecuzione del movimento, dei meccanismi di controllo e dell'apprendimento motorio.