LET’S Laboratory of Electrophysiology for Translational neuroScience ISTC-CNR, Fatebenefratelli Hospital, Tiber Island – Rome Franca Tecchio Plasticità.

LET’S Laboratory of Electrophysiology for Translational neuroScience ISTC-CNR, Fatebenefratelli Hospital, Tiber Island – Rome Franca Tecchio Plasticità della corteccia sensorimotoria in età adulta IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Feedback Sincronia Tre meccanismi chiave governano il nostro cervello e la sua capacità di controllare il nostro comportamento in relazione con l'ambiente Sincronia cervello-corpo si sviluppa durante la vita Sincronia intra-corticale come codice destrezza Controllo del movimento Empatia, esperienza emotiva e feedback Plasticità Comunicazione ambiente-cervello ed adattamento Stroke, Amputati

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Plasticità sinaptica SpecificaAssociativa

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Plasticità sinaptica Funzione Struttura Funzione/Struttura

Lungo termineBreve termine Riduzione Tonotopica nell’Otosclerosi Muscolo FDI in M1 da Anestesia Invasione Mano in S1 nell’Tunnel Carpale Mano in S1 da Anestesia MEG TMS MEG Plasticità corticale da modifica dell’afflusso sensoriale della rappresentazione corticale del distretto depauperato IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013

plasticità modifica dell’afflusso sensoriale Riduzione– Lungo termine Tecchio et al Hum Brain Map 2000 14 patients - 10 controls Organizzazione tonotopica della corteccia uditiva primaria

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano L Organizzazione tonotopica della corteccia uditiva primaria plasticità modifica dell’afflusso sensoriale Riduzione– Lungo termine

Tecchio et al Hum Brain Map 2000 14 patients - 10 controls L 25050010002000 Normal-hearing Controls Patients PRE Patients POST Otosclerotic plasticità modifica dell’afflusso sensoriale Riduzione– Lungo termine Otosclerosi

Lungo termineBreve termine Riduzione nell’Otosclerosi riduzione della rappresentazione dello spettro sonoro in A1, reversibile Muscolo FDI in M1 da Anestesia Invasione Mano in S1 nell’Tunnel Carpale Mano in S1 da Anestesia Plasticità corticale da modifica dell’afflusso sensoriale della rappresentazione corticale del distretto depauperato IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013

Tecchio et al Hum Brain Map 2002 14 carpal tunnel patients - 10 controls plasticità modifica dell’afflusso sensoriale Invasione – Lungo termine Tunnel Carpale PARESTESIA DOLORE IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013

Lungo termineBreve termine Riduzione Tonotopica nell’Otosclerosi Muscolo FDI in M1 da Anestesia Invasione nell’Tunnel Carpale la regione di S1 dedicata al distretto innervato dal nervo mediano aumenta con le parestesie e si riduce col dolore Mano in S1 da Anestesia Plasticità corticale da modifica dell’afflusso sensoriale della rappresentazione corticale del distretto depauperato IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano plasticità modifica dell’afflusso sensoriale Invasione– Breve termine Organizzazione ‘ad homunculus’ della corteccia somatosensoriale

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano PREPOST Rossini et al. 1994, Electroenceph Clin Neurophysiol 10 subjects Anestesia per riduzione di flusso

Lungo termineBreve termine Riduzione Tonotopica nell’Otosclerosi Muscolo FDI in M1 da Anestesia Invasione Mano in S1 nell’Tunnel Carpale da Anestesia: i distretti con la percezione risparmiata invadono i distretti che hanno perso percezione Plasticità corticale da modifica dell’afflusso sensoriale della rappresentazione corticale del distretto depauperato IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013

ulnare mediano radiale Rossini et al Neurosci Lett 1996 Rossi et al Neuroimage 1997 Innervazione sensoriale benché ADM ed FDI mantengano inalterata dall’anestesia la proiezione motoria Muscoli FDI-ADM innervati dall’ulnare Anestesia di radiale e mediano ADM mantiene l’afferenza sensoriale FDI perde l’afferenza sensoriale Rappresentazione in M1 del muscolo studiata con TMS FDI che perde l’afferenza sensoriale riduce la rappresentazione motoria Anestesia da iniezione locale di anestetico

Lungo termineBreve termine Riduzione Tonotopica nell’Otosclerosi da Anestesia del flusso sensoriale si riduce la rappresentazione motoria Invasione Mano in S1 nell’Tunnel Carpale Mano in S1 da Anestesia Plasticità corticale da modifica dell’afflusso sensoriale della rappresentazione corticale del distretto depauperato

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Feedback Sincronia Tre meccanismi chiave governano il nostro cervello e la sua capacità di controllare il nostro comportamento in relazione con l'ambiente Sincronia cervello-corpo si sviluppa durante la vita Sincronia intra-corticale come codice destrezza Controllo del movimento Empatia, esperienza emotiva e feedback Plasticità Comunicazione ambiente-cervello ed adattamento Stroke, Amputati

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Feedback sensoriale è determinante per il controllo del movimento Esperienza clinica Feedback il sistema ‘sente’ gli effetti dell’azione prodotta [Risposta] e adatta [Controllore] le caratteristiche del sistema stesso. Controllore Stimolo Sistema a feedback Risposta

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Riposo lSM1-EEG rOP-EMG rSM1-EEG lOP-EMG Riposo 1 s 1 mV 50 μV Presa (20% MVC) Tecchio et al Neuroimage 2008, 11 controls FS M1 FS S1 Coerenza FS M1 -FS S1 0 100 Hz0 100 Hz 11 Cattiva esecuzioneBuona esecuzione Indice di efficienza del circuito di feedback SM1fe

Functional Source Separation (FSS): regione della mano in M1 distinta da S1 LET’S ha sviluppato Functional Source Separation (FSS) che identifica i gruppi neuronali in base al loro comportamento (anziché la posizione) e permette di monitorarne l’attività i tutte le condizioni sperimentali. Porcaro et al ClinPh 2012 Porcaro et al Neuroimage 2010 Porcaro et al ClinPh 2009 Porcaro et al Hum Brain Mapp 2009 Porcaro et al Hum Brain Mapp 2008 Barbati et al Hum Brain Mapp 2008 Tecchio et al J Physiol 2007, Review Barbati et al Hum Brain Mapp 2006 Tactile stimulationMovementRest 1 s Di Pino Porcaro et al RNN 2013 Pellegrino et al RNN 2012 Porcaro et al Neuroimage 2011 Pittaccio et al Hum Brain Mapp 2011 Tecchio et al Brain 2009 Betti et al J Neurosci 2009 Tecchio et al Neuroimage 2008 Tecchio et al Neuroimage 2007 Investigation toolMethods FS M1 FS S1

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Focalizzare l’attenzione anche durante una movimentazione passiva potenzia l’efficienza del circuito di feedback La sincronia in banda gamma tra S1 and M1 (SM1fe) aumenta focalizzando l’attenzione alla movimentazione passiva (indotta da ortesi SHADE). 2 s FS M1 FS S1 FS M1 - FS S1 coherence on off Attention 0 1 290Hz on Attenzione off Attenzione Pittaccio et al Hum Brain Mapp 2011, 8 healthy controls dedicate al movimento del piede

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Plasticità: 1.rappresentazioni dei distretti risparmiati (invadono ) / impoveriti (riducono) 2. percezione somatosensoriale necessaria per rappresentazione motoria. la Sincronia serve il Feedback il Feedback serve la Plasticità

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Plasticità: si modifica con l’età Modello non invasivo di LTP in M1 Stefan et al Brain 2000 Quartarone et al J Physiol 2006

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Plasticità: si modifica con l’età Tecchio et al ClinPh 2008, 50 healthy controls Modello non invasivo di LTP in M1 si riduce nelle sole donne

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Plasticità: si modifica con l’età Pellicciari et al Neuroscience 2009, 32 healthy controls Può essere specifica per regione corticale: non osservata in S1

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Plasticità Breve/lungo termine 1.Riduzione della rappresentazioni dei distretti impoveriti (otosclerosi, dolore nel TC) 2.rappresentazioni dei distretti risparmiati invadono quelli impoveriti (mignolo nel TC, anestesia dita, parestesia nel TC) 3.percezione somatosensoriale è necessaria per rappresentazione motoria 4.Può ridursi con l’età Questo in condizioni fisiologiche o para-fisiologiche … e nella patologia?

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano M20 ECD location inter-hemispheric asymmetry < 25 mm Tecchio et al, Brain Res 1997 (20 controls) Zappasodi et al, Clin Neurophysiol 2006 (57 controls) Procedura MEG per identificare reclutamenti ‘inusuali’

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Johansen-Berg et al PNAS 2002 Loubinoux et al Neuroimage 2003 Takeuchi et al Stroke 2005 Gerloff et al Brain 2006 Tecchio et al Neuroimage 2006 Johansen-Berg et al Brain 2002 ILH S2 ILH PM Fridman et al Brain 2004 ILH Pazienti colpiti da Stroke: quando il recupero non è completo, Recupera meglio chi ha reclutamenti inusuali

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano M20 ECD position inter-hemispheric asymmetry (mm) 3-10 11-13 14-16 NIH at t0 1-3 4-6 7-12 NIH at t1 Effective Recovery (%) 100806040200 50 40 30 20 10 0 Dei 41 pazienti in fase cronica, nei 23 con SEF anche in AH Pearson’s r=.571 p=.004 Tecchio et al Neuroimage 2007 (41 patienti fase cronica) Pazienti colpiti da Stroke: quando il recupero non è completo, Recupera meglio chi ha reclutamenti inusuali

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Reclutamenti in area peri-rolandica ma esterni alla regione della mano Reclutamenti esterni all’area peri-rolandica Altamura et al, Exp Neurol 2007 (10 patients – chronic phase) AH UH Studio integrato con fMRI mostra che i ‘reclutamenti inusuali’ MEG corrispondono effettivamente a regioni anche fuori dal solco centrale

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Feydy et al Stroke 2002 Calautti et al Neuroimage 2003 Carey et al Stroke 2005 246 0 2 4 6 mesi Rossini et al Brain 2004 BOLD-fMRI associata a VMR in ILH and CLH ILHCLH VMR –indice predittivo – può essere disaccoppiato dall’attività neuronale Per progettare l’arricchimento di interventi riabilitativi: identificare fattori predittivi elettrofisiologici in fase acuta Per fare nulla qualcosa … di adatto Dopo uno stroke, il potenziale plastico del cervello adulto è al proprio massimo nella fase acuta Evidenza clinica e studi longitudinali

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Fattori prognostici in fase acuta quale guida di interventi aggiuntivi Tecchio et al J Neurol 2007 Assenza et al RNN 2013

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Fattori prognostici in fase acuta quale guida di interventi aggiuntivi Tecchio et al J Neurol 2007 Assenza et al RNN 2013 Aumento di potenza dall’emisfero contro-lesionale associa a riduzione di connettività tra i due emisferi (ACM)

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Indici prognostici Come intervenire per compensare … Potenziare effetti plastici

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Stroke: Interventi aggiuntivi per potenziare gli adattamenti plastici Pellegrino et al RNN 2012 7 pazienti cronici, 3 mesi di riabilitazione robotica

Standard + tDCS (30 pts) Standard (30 pts) Standard + robotic (30 pts) 10days  2 months: Rehabilitation CMCCThUH delta TCDBlood sample V_rest, VMR T0 = 3-10 days from stroke EEG EMG, EOG, ECG Oxidative stress, metals NIHSS t0 Statistical analysis Prognostic and therapeutic guidelines for In dividualized enriched intervention in a cute p hase Prognostic indices NIHSS t1 Statistical analysis NIHSS t1 T1 = 6 months Therapy efficacy evaluation ProSIA Data acquisition Recruitment Index estimate and statistical analysis COLOUR CODES Treatment Project output Time phase Data transmission 20 MS patients EDSS 90 stroke patients ( Middle Cerebral Artery of a single hemisphere ) MRI 0 days after stroke Pro moting recovery from S troke: I ndividually enriched therapeutic intervention in A cute Phase Clinical exam In acute phase of stroke

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Plasticità potenziare la capacità di controllo di protesi ‘intelligenti’ Amputazione del braccio sinistro Protesi di mano connessa con elettrodi intrafascicolari inseriti nei nervi ulnare e mediano Di Pino Porcaro et al RNN 2012

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Plasticità potenziare la capacità di controllo di protesi ‘intelligenti’ Di Pino Porcaro et al RNN 2012

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Tre meccanismi chiave governano il nostro cervello e la sua capacità di controllare il nostro comportamento in relazione con l'ambiente Sincronia Feedback Plasticità Struttura Funzione è connettività richiede feedback mediante sincronia Serve la plasticità

Dalla cella singola al sistema emerge unità di struttura e funzione, che ha origine nella coesistenza di sincronia, plasticità, fenomeni di retroazione Sistema nervoso Popolazioni neuronali Neurone struttura funzione

Sincronia Feedback Plasticità IV scuola SIRN, Ancona 28/11/2013 Plasticità nel sano: Adattamento all’ambiente Plasticità SM1 Franca Tecchio Plasticità nella patologia Plasticità sinaptica Plasticità nella stroke Plasticità e protesi di mano Grazie a voi per l’attenzione ed ai collaboratori per il loro fondamentale contributo

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