Esperienze applicative sui Esperienze applicative sui correlati molecolari delle correlati molecolari delle
funzioni mentalifunzioni mentali
Emiliano RicciardiEmiliano Ricciardiemiliano.ricciardi@[email protected]
Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica Facolt di Medicina, Universit di PisaFacolt di Medicina, Universit di Pisa
Corso di Laurea in Scienze e Tecniche di Corso di Laurea in Scienze e Tecniche di Psicologia della SalutePsicologia della Salute
Seminari, laboratori ed esperienze applicative IISeminari, laboratori ed esperienze applicative II
www.bioclinica.unipi.it/lezioniwww.bioclinica.unipi.it/lezioni
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Correlati molecolari delle funzioni mentaliCorrelati molecolari delle funzioni mentali
Il corso cerca di introdurre gli studenti alle moderne Il corso cerca di introdurre gli studenti alle moderne metodologie di esplorazione funzionale del cervellometodologie di esplorazione funzionale del cervello e e alla possibile loro applicazione nello studio delle alla possibile loro applicazione nello studio delle funzioni cognitive fisiologiche e patologichefunzioni cognitive fisiologiche e patologiche
Le lezioni si focalizzeranno essenzialmente sulla Le lezioni si focalizzeranno essenzialmente sulla biochimica e fisiologia cerebrale, sui principi fisici e biochimica e fisiologia cerebrale, sui principi fisici e applicativi della tomografia ad emissione di positroni applicativi della tomografia ad emissione di positroni (PET) e della risonanza magnetica funzionale (fMRI), (PET) e della risonanza magnetica funzionale (fMRI), sullapplicazione alla psicodiagnostica delle abilit sullapplicazione alla psicodiagnostica delle abilit cognitive, e sullo sviluppo di paradigmi di studiocognitive, e sullo sviluppo di paradigmi di studio
Correlati molecolari delle funzioni mentaliCorrelati molecolari delle funzioni mentali
Il Il programmaprogramma si articoler nei seguenti si articoler nei seguenti punti: punti: 1. introduzione alle metodologie di 1. introduzione alle metodologie di esplorazione funzionale del cervello e al esplorazione funzionale del cervello e al metabolismo cerebralemetabolismo cerebrale2. Principi fisici della PET, applicazioni cliniche 2. Principi fisici della PET, applicazioni cliniche e nella ricercae nella ricerca3. Principi fisici della fMRI e disegno 3. Principi fisici della fMRI e disegno sperimentalesperimentale4. Analisi dei dati in fMRI ed esempi di 4. Analisi dei dati in fMRI ed esempi di applicazioneapplicazione5. Esperienza pratica (o simulazione)5. Esperienza pratica (o simulazione)
Correlati molecolari delle funzioni mentaliCorrelati molecolari delle funzioni mentali
Bibliografia:Bibliografia:A) Appunti delle lezioni o lucidi scaricabili dal sito A) Appunti delle lezioni o lucidi scaricabili dal sito
www.bioclinica.unipi.it/lezioniwww.bioclinica.unipi.it/lezioni
B) Testi di riferimento: B) Testi di riferimento: NeilNeil R R CarlsonCarlson -- Fondamenti di Psicologia Fisiologica, V Ed, Fondamenti di Psicologia Fisiologica, V Ed, PiccinPiccin (capitoli 5, 6, 7, 12, 14, 15) (capitoli 5, 6, 7, 12, 14, 15) M.S. M.S. GazzanicaGazzanica, , R.B.R.B. IvryIvry, , G.R.G.R. MangunMangun -- NeuroscienzeNeuroscienzeCognitive Cognitive ZanichelliZanichelli 2005 2005 (capitoli 5, 6, 8, 12)(capitoli 5, 6, 8, 12)
C) Per gli studenti frequentanti, ulteriori indicazioni C) Per gli studenti frequentanti, ulteriori indicazioni bibliografiche potranno essere fornite a lezione per integrare bibliografiche potranno essere fornite a lezione per integrare o sostituire il materiale indicatoo sostituire il materiale indicato
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Neuroscienzecognitive Tecniche di
esplorazione Psicologia biologica o fisiologica funzionale
Psicodiagnostica delle Psicodiagnostica delle abilit cognitiveabilit cognitive
Studio dellattivit mentale in termini di elaborazione
delle informazioni(ogni compito comporta una generazione, elaborazione e
manipolazione delle rappresentazioni mentali)
Correlati neurometabolici e
funzionali dellattivit mentale
Misure dellattivit cerebrale in vivo delle
varie tecniche di sperimentazione e
modellistica
Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello
Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello
Psicodiagnostica delle Psicodiagnostica delle abilit cognitiveabilit cognitive
Strumenti: scale psicometriche compiti sperimentali lesioni cliniche o funzionali (es. TMS) modellistica esplorazione funzionale in vivo del cervelloesplorazione funzionale in vivo del cervello
Metodi per lanalisi di un fenomeno
cognitivo
Metodi per lidentificazione di una patologia in base ai sintomi
VantaggiVantaggi
Caratterizzazione non solo qualitativa ma Caratterizzazione non solo qualitativa ma anche funzionaleanche funzionale
Dissezione dei diversi passaggi Dissezione dei diversi passaggi dellelaborazione dellinformazionedellelaborazione dellinformazione
Correlazione con diversi metodi diagnosticiCorrelazione con diversi metodi diagnostici
Versatilit (es. variazione parametrica)Versatilit (es. variazione parametrica)
Informazioni originali rispetto ad altri Informazioni originali rispetto ad altri metodologiametodologia
VantaggiVantaggi
Flash di luce a frequenza crescente
1 sec 6 sec
11 sec 16 sec
Modulazione parametrica in un compito di memoria di lavoro
Correlazione flusso cerebrale e punteggio della Dementia Rating Scale
VantaggiVantaggi
Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello
Solo aspetti cognitivi?Solo aspetti cognitivi?
Solo aspetti cognitivi?Solo aspetti cognitivi?
FarmacocineticaFarmacocinetica
FarmacoFarmacoEsperienzaEsperienzaclinicaclinica Epidemiologia
Epidemiologia
FarmacodinamicaFarmacodinamica
LocalizzazioneLocalizzazione e e caratterizzazionecaratterizzazione
recettorialerecettoriale
SitiSiti funzionalifunzionalidellazionedellazione deidei
farmacifarmaci
FarmacocineticaFarmacocinetica
FarmacoFarmacopsicotropopsicotropo
FarmacodinamicaFarmacodinamica
EpidemiologiaEpidemiologiaEsperienzaEsperienza
clinicaclinica
LocalizzazioneLocalizzazione e e caratterizzazionecaratterizzazione
recettorialerecettoriale
SitiSiti funzionalifunzionalidellazionedellazione deidei
farmacifarmaci
AgingAgingAtrophy and neuronal loss
Young Older Alzheimer
Symptoms
Age
Plasticit dellinvecchiamentoPlasticit dellinvecchiamento
Aree distinte del cervello possono esserereclutate per compensare o vicariare alcuneabilit cognitive deficitarie Regioni corticali che partecipano al compito Le regioni corticali tendono a compensare
quando il compito diventa pi difficile
Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello
Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello
Perch studio in vivo?1. Differenze in vitro e in vivo2. Limite anatomico: santuario anatomico
Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello
Perch studio in vivo?3. Segregazione e integrazione funzionale
Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello
Perch studio in vivo?
4. Limite dei modelli animali
Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello
La prima esperienza di Angelo Mosso: laumento dellattivit cerebrale induce un aumento di flusso ematico
Angelo Mosso (1881):Concerning the Circulation of the Blood in the HumanBrainVerlag von Viet & Company: Leipzig, pages 66-67
Fisiologia della Correlazione Flusso Fisiologia della Correlazione Flusso EmaticoEmatico--MetabolismoMetabolismo CerebraleCerebrale
Nonostante i numerosi sforzi per risolvere il quesito del coupling, il meccanismo fisiologico ancora sconosciuto: dopo lipotesi omeostatica di Roy e Sherrington, sono stati
suggeriti differenti modelli di regolazione dinamica cerebrovascolare e vari agenti mediatori di tipo biometabolico.
Recentemente, stata proposta unipotesi di regolazione multilivello, che interessa anche le cellule neurogliali
Il metabolismo cerebrale del glucosioIl metabolismo cerebrale del glucosio Tessuto nervoso comprende neuroni e cellule gliali
In condizioni fisiologiche lossidazione del glucosio a CO2 ed H2O pressoch lunica via metabolica per la produzione di ATP (corpi chetonici nel digiuno prolungato)
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 unaumentata richiesta metabolica
i prodotti del metabolismo energetico (CO2, ADP, AMP) contribuiscono a regolare laumento 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 : la struttura di baseIl neurone : la struttura di base Il neurone lunit 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:
Connessioni Connessioni neuronalineuronali
La sinapsiLa sinapsi La sinapsi, presente sul terminale assonico (ma non solo),
rappresenta lunita fisico-funzionale di trasmissione dellimpulso nervoso
Essa costituita da un elemento presinaptico (il bottone e la membrana dellassone) separato, da un vallo sinaptico, dallelemento post-sinaptico (la membrana di un dendrita, di un pirenoforo o di un altro assone)
Potenziale Potenziale postpost--sinapticosinaptico
The inputs to a neuron (post-synaptic potentials) increase (excitatory PSPs) or decrease (inhibitory PSPs) the membrane voltage
If the summed PSPs at the axon hillock push the voltage above the threshold, the neuron will fire an action potential
Le propriet elettriche del neurone:Le propriet elettriche del neurone:il potenziale dazioneil potenziale dazione
Il metabolismo cerebrale del glucosioIl metabolismo cerebrale del glucosio Tessuto nervoso comprende neuroni e cellule gliali
In condizioni fisiologiche lossidazione del glucosio a CO2 ed H2O pressoch lunica via metabolica per la produzione di ATP (corpi chetonici nel digiuno prolungato)
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 unaumentata richiesta metabolica
i prodotti del metabolismo energetico (CO2, ADP, AMP) contribuiscono a regolare laumento di flusso ematico
l'interruzione completa del flusso ematico cerebrale comporta perdita di coscienza in pochi secondi e danni irreversibili in pochi minuti
Lipoglicemia si associa a confusione mentale, obnubilamento del sensorio coma
Questi effetti possono essere corretti dalla somministrazione di glucosio o di mannosio
ma non dai substrati intermedi della glicolisi, che non possono passare attraverso la BEE
condizionifisiologiche
ipoglicemia grave ipoglicemiacon coma
Glicemia (mg/dL)
Consumo di Glucosio(mg/100g/min)
Consumo di O2(ml/100g/min)
Flusso Ematico Cerebrale(ml/100g/min)
8
0,8
1,9
63
19
2,3
2,6
60
70-100
5,5
3,5
58
Mannosio Mannosio-6-P Fruttosio-6-PEsochinasi
Fosfatoisomerasi
ATP ADP
Il metabolismo energetico cerebrale:Il metabolismo energetico cerebrale:Effetti della deprivazione di glucosioEffetti della deprivazione di glucosio
Glicogeno
Glucosio-1-P
Glucosio Glucosio-6-PGlicolisi
Piruvato
sintesi componenti cellulari (glicoproteine,
glicolipidi, ecc.)
Lattato
10%sintesi e metabolismo di neurotrasmettitori
(ossidasi, ossigenasi ecc.)
Acetil-CoA
Ciclo di Krebs
CO2 + H2O36-38 ATP
~ 10-15%
~ 85-90%
condizioni anaerobiche
90%ossidazionedel glucosio
Fosforilazione ossidativa
Ribulosio-5-P
condizioniaerobiche
shunt5-8%
UDP-glucosio
O2
Fosforilasi a
Glucosio-6-fosfatasi
Esochinasi
2 ATP
La glicolisi libera solo il 5,2% dellenergia totale
disponibile nella molecola di glucosio e che pu essere ricavata dallossidazione
completa a CO2 e H2O
DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E ODESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O22
65% processi collegati ai flussi ionici: pompa Na+/K+: mantenimento del potenziale di membrana
negativo; 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 destinata a mantenere la funzione della pompa Na+/K+
Consumo di ATP nel Cervello in CondizioniConsumo di ATP nel Cervello in Condizionidi Riposo di Riposo SomatosensorialeSomatosensoriale
DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E ODESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O22
Stimolando una cellula nervosa si provoca la sua depolarizzazione e lo sviluppo di un potenziale dazione, caratterizzato a livello intracellulareda un aumento del sodio e da una diminuzione del potassio
Laumento dellattivit di trasmissione sinaptica aumenta lattivit della pompa Na+/K+, necessaria a ripristinare il potenziale negativo della membrana cellulare
Questo comporta un incremento della richiesta energetica, che per essere soddisfatta attraverso il metabolismo ossidativo del glucosio, produce un aumento della produzione di ATP dal 60% al 80%
Eventi legati allAttivazione Neuronale CerebraleEventi legati allAttivazione Neuronale Cerebrale
Esperimento di Mata e coll., 1980J Neurochem, 34: 213-215
preparati in vivo di cellule nervose
del 30%
=consumo di glucosio
stimolazione elettrica a 10 Hz
UABAINAblocco della pompa
Na+/K+
Il maggior quantitativo di ATP prodotto durante Il maggior quantitativo di ATP prodotto durante l'attivazione neuronale utilizzato esclusivamente per l'attivazione neuronale utilizzato esclusivamente per
il funzionamento della pompa il funzionamento della pompa NaNa++/K/K++
Eventi legati allAttivazione Neuronale CerebraleEventi legati allAttivazione Neuronale Cerebrale
Il consumo di ATP avviene a livello delle Il consumo di ATP avviene a livello delle sinapsi e non dei corpi cellularisinapsi e non dei corpi cellulari
Eventi legati allAttivazione Neuronale CerebraleEventi legati allAttivazione Neuronale Cerebrale
Esperimento di Kadekaro e coll., 1987 Proc Natl Acad Sci USA, 84: 5492-5495
Laumento dellattivit 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 lunica via metabolica lossidazione del glucosio con produzione di ATP
LATP serve a ripristinare il potenziale di membrana
Il glucosio rappresenta un indice indiretto dellattivit neuronale sinaptica
Il consumo di ATP avviene a livello delle sinapsi e non dei corpi cellulari
Eventi legati allAttivazione Neuronale CerebraleEventi legati allAttivazione Neuronale Cerebrale
Esplorazione funzionale in vivo dei correlati Esplorazione funzionale in vivo dei correlati neurometabolici dellattivit cerebraleneurometabolici dellattivit cerebrale
attivit neuronale sinaptica
richiesta di ATP
richiesta di
ossigeno e
glucosio
flusso ematico cerebrale
attivit della
pompa Na+/K+
Rip
oso
Att
ivaz
ion
e
= HbO2
= Hb
-70
0
+50
mV
2 msec31
metabolismo ossidativo del
glucosio e produzione di
ATPHH221515OO--PETPETfMRIfMRI
FDGFDG--PETPETsMRIsMRI
EEGEEGMEGMEGTMSTMS