Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello · funzionale in vivo del cervello umano...
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Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello
Ing. Lorenzo Sani
E-mail: [email protected]
Materiale didattico:
www.bioclinica.unipi.it/lezioni/bioingegneria
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)
Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello
Friston K., Science, 2009
Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Introduzione
Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Introduzione
• 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
Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Vantaggi
Haxby et al., Science, 2001
Informazioni originali rispetto ad altre metodologie
Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Vantaggi
Esplorazione funzionale in vivo del cervello
Perché studio in vivo?
Differenze in vitro e in vivo
1. Limite anatomico: la barriera emato-encefalica
Esplorazione funzionale in vivo del cervello
Perché studio in vivo?
2. Segregazione e integrazione funzionale
Esplorazione funzionale in vivo del cervello
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
Esplorazione funzionale in vivo del cervello
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
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
DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O2
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
DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O2
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+
Eventi legati all’Attivazione Neuronale Cerebrale
Il consumo di ATP avviene a livello delle sinapsi e non dei corpi cellulari
Eventi legati all’Attivazione Neuronale Cerebrale
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
Eventi legati all’Attivazione Neuronale Cerebrale
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)
Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello
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 mediante Tomografia ad Emissione di Positroni
Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni
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
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
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
• 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