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Ruolo del sistema corticospinale nel controllo del movimento volontario  

ATTIVITÀ DI RICERCA IN CORSO: CONTROLLO CORTICALE DEL MOVIMENTO VOLONTARIO DELLA MANO E DELLA FONOARTICOLAZIONE

L’attività di ricerca del Laboratorio di fisiologia del controllo motorio, è dedicata alla comprensione del ruolo esercitato dalla corteccia cerebrale nel controllo della destrezza motoria negli esseri umani. Tale interesse è guidato dalla necessità di comprendere le proprietà funzionali dei circuiti neurali che sottendono ai movimenti della mano e dell’apparato fonoarticolatorio alla base delle attività quotidiane dell’essere umano, come la manipolazione di oggetti e la produzione linguistica. Una lesione della corteccia motoria e/o delle sue principali vie discendenti, produce come conseguenza una permanente compromissione dei movimenti volontari e/o della produzione linguistica che non concede significative possibilità di recupero funzionale, lasciando al malato una pessima qualità di vita.

Gli studi sui primati non umani, il miglior modello animale disponibile per lo studio del movimento volontario della mano, hanno evidenziato il ruolo cruciale esercitato dal sistema o tratto corticospinale (TCS) sui motoneuroni spinali nel controllo dei movimenti di mano e dita. I dati ottenuti sul primate mostrano che il TCS è un sistema complesso di fibre che originano da diverse aree corticali -ciascuna delle quali riveste specifico ruolo nel controllo sensorimotorio- e che mostrano caratteristiche modalità di terminazione sul midollo spinale in funzione dell’area di origine. La porzione di TCS che origina dalla Corteccia Motoria Primaria, estesamente studiata nell’animale e nell’uomo, è direttamente connessa con i motoneuroni spinali ed è certamente essenziale perché si possa eseguire una contrazione muscolare volontaria. Tuttavia ancora non è del tutto chiarita nell’uomo l’organizzazione funzionale di tale area al suo interno. Ancora meno chiare sono le modalità con cui le altre aree da cui origina il TCS agiscono sul midollo spinale, se attraverso un’azione diretta sul midollo o indiretta agendo sulla corteccia motoria primaria o entrambe le possibilità.

Certamente l’evoluzione filogenetica di questo sistema, (i.e. aumento delle dimensioni della corteccia cerebrale, aumento delle proporzioni relative del TCS rispetto si sistemi discendenti dal tronco dell’encefalo, acquisizione delle connessioni cortico-motoneuronali dirette) ha consentito l’acquisizione di una sempre maggiore destrezza manuale che ha raggiunto il livello più elevato nell’uomo. Negli ultimi decenni molti studi di citoarchitettonica ed elettrofisiologia si sono concentrati sulle proprietà delle diverse aree corticali su modello animale (primati non umani). Nell’umano si sono utilizzate principalmente tecniche di studio indirette (neuroimmagine tradizionale, stimolazione magnetica transcranica, TMS e studi comportamentali) che, pur con indiscussi pregi, non sempre producono risultati comparabili con quelli ottenuti nel modello animale con un approccio diretto. Per converso, è del tutto evidente che la corteccia cerebrale umana è molto più sviluppata e presenta elementi distintivi rispetto a quella del modello evolutivamente più prossimo studiabile, il macaco, di conseguenza anche il paragone con il modello animale risulta incompleto e non sempre opportuno o possibile, come nello studio dei circuiti sottesi alla produzione linguistica, attività esclusiva dell’essere umano. L’apparato fonoarticolatorio riceve, con poche eccezioni, input dalla corteccia Motoria Primaria bilateralmente, ma rimane da chiarire quali aree corticali abbiano il compito di organizzare il programma motorio eseguito dalla corteccia motoria primaria per la produzione verbale. L’indagine delle proprietà funzionali dell’integrazione sensori-motoria necessaria per il controllo della destrezza manuale e della componente motoria del linguaggio deve dunque essere svolta direttamente sull’uomo.

Setting Intraoperatorio In questo contesto, le nuove tecniche sviluppate in neurochirurgia, in particolare la tecnica di brain mapping in uso in alcuni centri molto avanzati durante gli interventi di resezione chirurgica di tumori cerebrali o di trattamento di epilessia, consentono un’opportunità unica per far luce dei circuiti neurali nell'uomo by-passando il modello animale. I dati acquisiti durante la stimolazione elettrica intraoperatoria, eseguita per scopi clinici, adeguatamente analizzati ed integrati con i dati acquisiti nel monitoraggio pre- e post-chirurgico (neurofisiologici, neurologici, neuropsicologici) e con i dati forniti dalle più avanzate tecniche di neuroimmagine (fMRI, DTI-FT, HARDI) costituiscono una preziosa quanto unica risorsa per lo studio dei circuiti sottesi alla produzione verbale e all’uso della mano in pazienti con gliomi localizzati nelle aree cerebrali coinvolte nel controllo del movimento e associate al linguaggio. Il setting inraoperatorio diventa quindi preziosa fonte di dati per lo studio del sistema motorio umano. Tuttavia, e per ovvie ragioni, la raccolta dai dati in tale contesto è e deve essere subordinata alle necessità cliniche, pertanto può talvolta risultare incompleta o molto difficoltosa. E’ necessario un approccio multidisciplinare che preveda l’integrazione dei dati elettrofisiologici ottenuti mediante le tecnica del Brain Mapping -ed analizzati con rigorose metodologie di misura- con dati ottenuti mediante le più raffinate tecniche di neuroimmagine, dati di neurofisiologia, comportamentali e neuropsicologici ottenuti al di fuori della camera operatoria per poter raggiungere una ragionevole certezza nell’interpretazione dei dati intraoperatori e poterli riferire ai modelli animali (scimmia) o umani ottenuti in soggetti sani mediate tecniche non invasive (TMS, Riflesso H). La fruttuosa collaborazione del laboratorio con il prof Bello e collaboratori ha consentito di sviluppare una unità funzionale tra il laboratorio di fisiologia e il team di neurochirurgia, all’interno della quale ora si sono arruolati giovani ricercatori con competenze nei diversi aspetti dell’analisi implementando la precisione e le potenzialità di indagine fisiologica in questo setting. In particolare attualmente l’indagine si è focalizzata sullo studio dell’area motoria primaria e delle aree motorie non primarie e del loro output motorio e sullo studio dei circuiti parieto-frontali sottesi al controllo dei movimenti complessi come la manipolazione e la fonoarticolazione. Si stanno inoltre approfondendo gli aspetti correlati alle funzioni cognitive motorie come la consapevolezza del movimento e delle abilità prassiche.

Ricaduta traslazionale In aggiunta al contributo che questo setting consente di portare alla conoscenza dei substrati fisiologici del movimento volontario (come anche delle funzioni cognitive) è la ricaduta traslazionale che questa collaborazione ha dato. Il prof Bello ha sviluppato nuovi e più efficaci paradigmi di stimolazione e l’introduzione nuovi test intraoperatori che hanno condotto ad una significativa estensione della resezione tumorale mantenendo l’integrità funzionale  del paziente.

Indagini con metodiche indirette Utilissimo approccio complementare allo studio dei movimenti complessi della mano è dato dallo studio, su soggetti sani e con tecniche indirette (Riflessi spinali e TMS), della Risonanza motoria, i.e. l’attivazione subliminale del sistema motorio di un soggetto quando osserva un agente che compie un'azione. La risonanza motoria, nell'uomo, rispetta le regole e i vincoli della programmazione e esecuzione motoria pertanto l'analisi delle risposte motorie che derivano dall'osservazione di azioni altrui rappresenta un approccio complementare allo studio dei meccanismi di esecuzione delle stesse. In particolare questi studi sono svolti presso il Laboratorio di neuroscienze motorie e cognitive, Università degli studi di Milano diretto dalla prof.ssa Paola Borroni.

Il laboratorio ha sviluppato un’estesa rete di collaborazioni nazionali ed internazionali che consente di  utilizzare diversi e complementari approcci sperimentali:

  1. Prof Roger N Lemon, (professore Emerito, UCL, London)
  2. Prof Lorenzo Bello (Unità Operativa di Neurochirurgia Oncologica, Humanitas Research Hospital, Università degli studi di Milano) 
  3. Prof Andrea Falini (CERMAC, Università San Raffaele)
  4. Prof.ssa Anna Berti (Dipartimento di Psicologia, Università di Torino)
  5. Dott. Marco Rabuffetti (Polo tecnologico Fondazione Don Carlo Gnocchi IRCCS)
  6. Il laboratorio di avvale della costante collaborazione della Prof.ssa Paola Borroni (Laboratorio di neuroscienze motorie e cognitive, Università degli studi di Milano).

 

DETTAGLIO PROGETTI IN CORSO

CONTROLLO CORTICOSPINALE DEI MOVIMENTI DELLA MANO E DELLA FONOARTICOLAZIONE:

  • Studio delle proprietà funzionali delle aree corticali appartenenti al TCS
  • Studio delle modalità di terminazione delle fibre provenienti dalle diverse aree TCS sul motoneuroni del midollo spinale/tronco encefalico
  • Studio delle proprietà funzionali dei circuiti parieto-frontali implicati nella trasduzione sensori-motoria necessaria al controllo dei movimenti ad alta destrezza e delle funzioni prassiche.
  • Studio della plasticità del sistema corticospinale in seguito a lesioni acute (stroke) o a lenta insorgenza (neoplasia)
  • Studio delle proprietà funzionali dell’area di Broca e dell’area premotoria ventrale nel controllo del linguaggio 

FUNZIONI COGNITIVE:

  • Studio delle proprietà funzionali di circuiti neurali fronto-parieto-temporali nel controllo delle funzioni esecutive e nei processi di mentalizzazione.
  • Studio dei circuiti sottesi alla consapevolezza motoria.

LA RISONANZA MOTORIA NELL’UOMO:

  • Ruolo della visione periferica nella risonanza motoria
  • Ruolo dell’attenzione nella risonanza motoria

 

ATTIVITA’ DI RICERCA VOLTE AL TRASFERIMENTO TECNOLOGICO

Il laboratorio collabora con 2 società (WISE srl e NEWRONIKA) attive nel trasferimento tecnologico finalizzato a sviluppare e implementare strumenti tecnologici (e.g. elettrodi corticali) di potenzialmente significativa applicabilità clinica in ambito neurologico (Finanziamento ELOQUENTSTIM, Regione Lombardia).

 

STAFF:

Direttore Laboratorio:
Prof. Gabriella Cerri (MD. PhD)

Post-Docs:
Dott. Luca Fornia, neurofisiologo (Laurea in Psicologia, PhD Neuroscienze –Parma-)
Dott. Luciano Simone, neurofisiologo (Laurea in Biologia, PhD Neuroscienze –Parma-)
Dott.ssa Herietta Howells, esperta in analisi di dati di neuroimmagine (Laurea in Psicologia/Neuroscienze, PhD Neuroimaging)
Dott. Guglielmo Puglisi, neuropsicologo  (Laurea in Psicolgia, PhD Fisiologia )
Dott. Andrea Bellacicca, fisico (Laurea in Fisica, PhD Fisica, Astrofisica e Fisica applicata)

Dottorandi:                                      
Dott.ssa Antonella Leonetti, neuropsicologa (Laurea in Psicologia, corso di dottorato in Ricerca Biomdica Integrata)

 

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