Riassunto analitico
L’elettroencefalografia (EEG) è attualmente una delle tecniche di indagine preferenziali per indagare l’attività del sistema motorio. Infatti, oltre a non porre vincoli stringenti sulla possibilità di eseguire movimenti attivi durante la registrazione, fornisce una descrizione molto dettagliata del decorso temporale dell’attività neurale. Fin dai primi studi di EEG, il “ritmo rolandico en arceau”, successivamente definito ritmo mu, è stato identificato come marcatore dell’attività del sistema motorio. Tale ritmo si trova in banda alfa (8-13Hz), è registrato massimamente dagli elettrodi centrali ed è indipendente dal ritmo alfa occipitale. Negli ultimi 50 anni molti lavori hanno contribuito a studiare le caratteristiche del ritmo mu, mostrandone la reattività all’esecuzione di movimenti, ai cambiamenti di tono posturale, alla pianificazione e all’immaginazione di azioni. Studi di analisi del segnale hanno evidenziato come la forma ad arco sia dovuta alla compresenza di due diverse componenti (10 e 20 Hz), il cui ruolo funzionale tuttavia è ancora materia di indagine. La successiva scoperta di come il sistema motorio, a lungo confinato al ruolo di mero programmatore ed esecutore di azioni, abbia invece un ruolo cruciale anche in funzioni cognitive complesse come la comprensione delle azioni altrui, ha eletto il ritmo mu a indice molto efficace di una serie di funzioni cognitive e motorie del cervello umano. La prima parte di questa tesi affronta la caratterizzazione funzionale del ritmo mu registrato durante task motori. Il capitolo 2 mostra la reattività del ritmo mu all’osservazione di diversi tipi di azioni filmate in prospettiva egocentrica. Sulla base di questi risultati, sono discussi sia il ruolo funzionale delle diverse bande di frequenza, che i generatori da cui queste originano. Il capitolo 3 riguarda uno studio nel quale un task di motor imagery è stato somministrato a pazienti epilettici impiantati con elettrodi intracranici. Una tale tecnica di registrazione ha consentito di confrontare la reattività di basse frequenza con quella di ritmi rapidi (banda gamma), classicamente considerati come marker di una attività neuronale locale. Infine, il capitolo 4 descrive uno studio ancora in corso, nel quale l’attività intracranica è stata registrata simultaneamente all’attività di scalpo, in modo da poter stabilire quali aree corticali mostrino un’attività neuronale strettamente correlata alle bande alfa e beta registrate tramite EEG di superficie. Nella seconda parte, invece, sono presentati due studi riguardanti pazienti con un’alterata attività elettrica sensorimotoria. Come descritto nel capitolo 5, la caratterizzazione dei ritmi EEG di scalpo ha portato all’identificazione di un marker EEG peculiare per pazienti affetti da sindrome del cromosoma 20 ad anello. Tale attività - un burst di onde theta-delta - è risultata essere generata dalla corteccia sensorimotoria bilaterale. Il capitolo 6 riporta il singolo caso di un paziente sottoposto a indagini di EEG-fMRI, stereo-EEG e, infine, chirurgia. L’insieme di questi dati e della sintomatologia riportata durante le crisi ha mostrato come una ipersincronizzazione del ritmo beta registrato dalle aree motorie sia un marker preferenziale di inibizione motoria. In conclusione, questo lavoro dimostra l’importanza di una analisi fine dell’attività motoria elettroencefalografica e della sua dinamica spaziotemporale, e di quanto questa sia alla base non solo delle funzioni motorie in senso stretto, ma anche di alcune funzioni cognitive. In questa ottica, la sua descrizione in soggetti sani è da considerarsi uno strumento di aiuto per i clinici nel raggiungere una diagnosi precoce, o almeno un quadro più ampio dei deficit causati da condizioni patologiche come l’epilessia.
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Abstract
Electroencephalography (EEG) is currently one of the most efficient tools to investigate the activity of the motor system. Indeed, it allows one to test active movements as well as cognitive tasks without posing severe constraint to the movement execution. In addition, EEG provides a detailed time course of the ongoing neural activity.
Since the early EEG studies, it has been proposed that the activity of the motor system is reflected in the dynamics of a “rolandic rhythm en arceau”, later defined mu rhythm. This rhythm belongs to the alpha frequency band (8-13Hz) and is best recorded from central electrodes. Most interesting its reactivity is essentially independent of the one observed in the occipital alpha rhythm. A large amount of literature in the second half of the last century characterized the mu rhythm in more details, revealing and quantifying its reactivity to execution of movements, changes in postural tone, sensory processing, movement preparation, motor imagery. Signal processing studies revealed that the arch-like appearance of mu rhythm is due to the coexistence of two not joint but different harmonic components (10 and 20 Hz), whose functional role, however, is far from being clarified. Parallel to the enrichment of mu rhythm description, the motor system, long confined to the role of mere action programming and execution, was discovered to play a crucial role in complex cognitive abilities such as the understanding of others actions, thus making the quantification of mu rhythm reactivity an efficient tool capable to index a variety of cognitive and motor functions of the human brain.
The first part of this thesis deals with the functional characterization of the mu rhythm recorded during motor-related tasks. Chapter 2 reports a study demonstrating the reactivity of mu rhythm to several types of observed actions filmed in an egocentric perspective. The functional role (and the hypothetical generators) of both alpha and beta bands is discussed in light of their different reactivity to the observed movements. Chapter 3 describes a study conducted in Niguarda Epilepsy Surgery center, where a motor imagery task was administered to patients intracranially implanted. Such a recording technique allowed us to evaluate simultaneously the reactivity of low frequencies (alpha and beta) with high frequencies (gamma band), well known to reflect local neuronal activity. Finally, chapter 4 introduces an ongoing study, in which intracranial activity was acquired simultaneously with the scalp-recorded EEG, so as to establish which cortical areas exhibit a neuronal activity strictly correlating with non-invasively recorded alpha and beta frequency bands.
In the second part, two clinical studies are presented concerning patients presenting altered sensorimotor rhythms. As described in Chapter 5, the characterization of scalp-EEG rhythms in a homogeneous population of patients affected by ring chromosome 20 syndrome allowed us to demonstrate the existence of a reproducible EEG pattern, generated by the bilateral sensory-motor cortex, constituted by long run of theta-delta activity whose arch-shape resembles mu rhythm aspect. Chapter 6 reports a single case regarding an epileptic patient who underwent EEG-fMRI, intracranial EEG and surgery. These data, together with his seizure-related symptoms, suggest that beta rhythm synchronization arising from motor areas is the key marker of motor inhibition.
In summary, this work witnesses the value of a proper and fine-grained analysis of the EEG motor activity and its spatiotemporal dynamics, demonstrating how this is at the basis of many not only motor, but also cognitive functions. Of note, the assessment of this activity in healthy subjects can be used to assist clinicians in achieving an earlier diagnosis, or at least a more comprehensive neural framework of the deficits caused by pathological conditions like epilepsy.
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