Integrazione somato-motoria nelle regioni Perisilviane Posteriori del macaco: evidenze elettrofisiologiche e possibile contributo al riconoscimento aptico degli oggetti.

Abstract

Ogni volta che cerchiamo di recuperare un oggetto dal fondo delle nostre tasche, usualmente lo identifichiamo attraverso una serie di movimenti esplorativi coordinati di mano e dita. Studi psicofisici svolti sull’uomo hanno evidenziato come il riconoscimento aptico degli oggetti passi attraverso una procedura di estrazione (Extraction Procedures, EPs) delle caratteristiche fondamentali degli oggetti stessi (Lederman & Klatzki, 1993). Tale procedura di estrazione si attua attraverso una serie di movimenti non caotici, ma “configurati” sulle caratteristiche fisiche dell’oggetto e riproposti dagli individui in maniera consistente e poco variabile (Fig. 1). L’accoppiamento fra movimento esplorativo e flusso di informazioni somatosensoriali ascendenti conseguenti ad esso è requisito fondamentale per costruire una rappresentazione dell’oggetto manipolato. Tale rappresentazione, confrontata con altre precedentemente acquisite, è alla base del riconoscimento degli oggetti attraverso l’esplorazione aptica (Lederman & Klatzky 1993; 1987). Il meccanismo neuronale sotteso a tale processo d’integrazione sensori-motoria è attualmente largamente inesplorato per mezzo di tecniche elettrofisiologiche. Sia nei primati umani che non il continuum anatomico fra l’area somatica secondaria (SII) e l’insula posteriore (pIC), qui definito come complesso SII/pIC, potrebbe svolgere un ruolo importante nel riconoscimento aptico degli oggetti, da un lato coordinando i movimenti manipolativi in funzione delle informazioni di natura somatica relative alle proprietà fisiche degli oggetti, dall’altro partecipando a meccanismi mnemonici tatto-dipendenti (Fitzgerald et al. 2004; Binkofski et al. 1999b; Sinclair et al. 1993; Schneider et al. 1993). I primi studi con lo scopo di indagare l’organizzazione di queste regioni nella codifica aptico-somatosensoriale hanno messo in evidenza le seguenti caratteristiche: A) Organizzazione somatotopica: a differenza degli studi condotti da Robinson & Burton (1980) concentrati principalmente in SII proper, Krubitzer e collaboratori (1995) hanno indagato una più ampia porzione di opercolo parietale, scomponendolo in un mosaico di sotto-regioni con organizzazioni somatotopiche indipendenti, anatomicamente connesse fra di loro, ma con pattern cortico-corticali e talamo-corticali distinti (Disbrow et al. 2003). Nonostante tale complessità è consistente fra gli studi la presenza di una organizzazione somatotopica caudo-rostrale, con gambe/piedi a livello caudale, mano/braccio medialmente e faccia/bocca a livello rostrale. B) Proprietà dei campi recettivi (RFs) nella regioni di mano in SII: Hsiao e collaboratori (Hsiao et al. 2008; Hsiao et al. 2002; Fitzgerald et al. 2004; 2006) hanno mostrato come siano le caratteristiche dei RF in SII a darle un ruolo importante nella codifica aptica: - Dimensione: RF in SII nell’81% dei casi riguardavano la mano intera e nel 90% dei casi erano bilaterali. Questo gradiente nella dimensione dei RFs in SII è dovuto alla sua relazione gerarchica con SI, in cui i RFs sono limitati a singoli effettori della mano. - Campi funzionali nella regione di mano: la regione di mano in SII è stata scomposta in 3 regioni funzionali a seconda delle proprietà dei suoi RFs; SIIa (anteriore) ed SIIp (posteriore) con risposte propriocettive e cutanee; SIIc (centrale) con risposte prevalentemente cutanee. - Selettività: 77% dei neuroni in SII non ha mostrato selettività all’orientamento (Untuned responses), con al suo interno un’ampia eterogeneità di risposte inibitorie ed eccitatorie; il 23% ha mostrato una selettività all’orientamento (Tuned response) maggiormente rappresentata nella regione SIIc. I neuroni con selettività all’orientamento erano caratterizzati da un’invarianza di risposta rispetto ai differenti distretti della mano su cui il RF era distribuito. - Processi attenzionali: la scarica dei neuroni di SII mostrava esser influenzata dal focus attenzionale nell’85% dei neuroni studiati (Hsiao et. al 2002). C) Proprietà dei RF nell’insula Posteriore: Jezzini et al. (2012) hanno mostrato per mezzo della microstimolazione corticale un’ampia area situata sulla transizione fra opercolo parietale e insula dorsale posteriore rispondente a movimenti di braccio e mano. Sono relativamente pochi gli studi condotti sulle proprietà dei RFs nell’insula posteriore (pIC), i quali hanno indagato principalmente il loro ruolo sensoriale. Schneider e collaboratori (1993) sulla base dell’analogia strutturale fra RFs delle aree Temporali (TE) e dell’Insula posteriore hanno ipotizzato per l’Insula un ruolo nei processi di memorizzazione dipendenti dal tatto. D) Lesioni corticali: congruentemente all’ipotesi di Mishkin (Schneider et al. 1993) nei primati non-umani una lesione di SII/pIC causava un danno nell’apprendimento discriminativo basato sull’informazione tattile (Murray & Mishkin 1984). Nell’uomo studi di lesione unilaterale delle aree parieto-temporali, includenti SII, hanno mostrato una relazione con l’agnosia tattile (Caselli, 1991) e l’aprassia tattile (Valenza et al. 2001), spesso associate ad un deficit nel riconoscimento tattile in assenza di deficit sensoriali di base. E) Relazioni cortico-corticali non sensoriali: recentemente studi odologici su primati non-umani hanno per la prima volta messo in evidenza il legame anatomico esistente fra circuiti parieto-frontali relativi alla programmazione motoria e le aree coinvolte nella codifica aptica, in particolare SII/pIC (Borra et al. 2008; Gerbella et al. 2010). Se le proprietà Somatosensoriali dei RFs nei singoli neuroni di questa regione sono state sistematicamente indagate da un punto di vista sia funzionale sia somatotopico (Fitzgerald et al. 2004; 2006; Hsiao et al. 2008; Krubitzer et al. 1995), nessuno di questi studi si è soffermato sul ruolo sensori-motorio di questa regione, cercando evidenze funzionali relative alla relazione anatomica di SII/pIC con i circuiti motori parieto-frontali. L’ipotesi è che il riconoscimento aptico a livello neurofisiologico sia anzitutto un processo di accoppiamento fra programma motorio ed informazione somatosensoriale. Con lo scopo di approfondire questa tematica in maniera più quantitativa di quanto non si fosse fatto in passato è stata studiata l’attività dei singoli neuroni in SII/pIC per mezzo della registrazione intracorticale extracellulare in due scimmie addestrate ad eseguire un compito di prensione/manipolazione con la mano controlaterale all’emisfero registrato. Il compito da eseguire consisteva in tre differenti tipologie di prensione (afferramento di precisione_PG, Precision grasping; manipolazione e afferramento all’interno di un contenitore_FE, Finger exploration; afferramento laterale_SG, Side Grasping) eseguite sia in condizione di guida visiva (esecuzione alla luce) sia in condizione di assenza d’informazione visiva durante il movimento (esecuzione al buio) (Fig. 2). Inoltre, al fine di comprendere l’effetto della presenza o assenza del target da afferrare sulla scarica dei neuroni di SII/pIC (in assenza di istruzioni o informazioni date all scimmia riguardo queste condizioni) i soggetti sperimentali sono stati addestrati ad eseguire la condizione di presa FE al buio in cui, in sequenza randomizzata, era presente (FEt) o assente (FEwt) il target da afferrare. Un’iniziale mappatura ha permesso di individuare la regione di mano in SII/pIC, localizzata all’interno di una chiara somatotopia rostro-caudale già precedentemente descritta (Fitzgerald et al. 2004). All’interno di questa regione è stato affettuato uno studio più approfondito delle proprietà per mezzo del compito motorio precedentemente descritto. I risultati hanno mostrato che all’interno della regione di mano del complesso SII/pIC 33 dei 48 neuroni quantitativamente studiati in due scimmie, hanno mostrato di non essere significativamente attivati dalla stimolazione Somatosensoriale (Tattile e Propriocettiva, per entrambi Wilcoxon test p>.05), ma essere esclusivamente attivati da almeno uno dei compiti motori di prensione/manipolazione in almeno una delle due epoche di prensione (ANOVA m.r 3Epoche vs. 3Prese seguito da Post hoc Bonferroni, livelli di significatività p<.05). Entrambe le epoche erano di 400ms, una precedente (pre-contact), una successiva (post-contact) al contatto fra mano e target. Tali neuroni sono stati definiti come Hand-manipulation-related (HMn) (Fig. 3 A,B,C). Inoltre più del 50% dei neuroni HM studiati nella condizione PG in esecuzione sia alla luce che al buio ha mostrato un effetto positivo nell’esecuzione al buio. In particolare è l’epoca post-contatto ad aumentare la frequenza di scarica durante l’esecuzione al buio rispetto a quella alla luce (Fig. 4 A,B). Per quanto riguarda la condizione FE in presenza o assenza del target, il 56% dei HMn studiati non ha mostrato effetto significativo discriminativo fra FEt e FEwt. Un effetto discriminativo significativo è stato riscontrato invece nel 36% dei HMn studiati in questa condizione; in questo caso la presenza del target aumentava la frequenza di scarica in particolare nella fase successiva al contatto con esso, verosimilmente nel momento della presa, successivo all’esplorazione. Una percentuale molto piccola (8%) mostrava una tendenza opposta. Interpretare tali differenze è stato reso difficoltoso dal fatto che i tempi di esecuzione della presa in tutti e tre i tipi di prensione sono significativamente differenti fra esecuzione al buio vs. luce; in tal caso è complicato attribuire un significato funzionale a tali risultati escludendo che la cinematica possa aver influito. Spiegazioni alternative potrebbero riferirsi a fenomeni di modulazione attenzionale, presenti durante l’esecuzione al buio e già documentati in SII (Hsiao et al. 1993) (Fig. 4C). In alternativa, alcuni studi relativi al ruolo delle aree somatosensoriali durante il movimento eseguito sia con, sia in assenza di informazione visiva, mostrano come SI, SII e l’area 5 durante l’esecuzione al buio siano maggiormente attivate (Gregoriou et al. 2001, 2005; Savaki et al. 1993; Nelissen et al. 2011). Gli autori hanno interpretato tale fenomeno alla luce di un meccanismo compensativo innescato dall’assenza di informazioni dal canale visivo. SII/pIC potrebbero risentire di un meccanismo simile. Con l’obiettivo di indagare la natura motoria dei 33 HMn è stata effettuata un’analisi del loro profilo temporale di scarica, segregando i neuroni HM significativamente attivi prima del contatto (HMn Pre-selective, n=13, 39%) e quelli significativamente attivi successivamente al contatto (HMn Post-selective, n=20, 61%). La divisione nei due gruppi è stata ottenuta su ogni HMn per mezzo dell’effetto Epoca, indipendentemente dal tipo di prensione. I due gruppi hanno mostrato essere segregati anche sulla base di altre 3 variabili temporali relative alla scarica: RU (rise up), istante temporale in cui il neurone inizia a scaricare; FD (fall down), istante temporale in cui il neurone torna all’attività di base e PT (peak time), istante temporale in cui il neurone raggiunge il picco di attività massima. Le due popolazioni hanno mostrato di differire in tutte e tre la variabili studiate (Fig.5), sottolineando la consistenza di tale dato. Analisi di popolazione sull’attività media normalizzata hanno mostrato come gli HMn Pre-selective siano significativamente attivi nell’epoca pre-contatto quanto in quella post-contatto; mentre gli HMn Post-selective hanno mostrato essere attivati solo nella fase post-contatto. E’ importante notare che l’epoca pre-contatto differiva significativamente nelle due popolazioni (Fig. 3E,F). Tali differenze nei due gruppi non hanno mostrato essere influenzate dal tipo di presa. Lo studio dell’indice di preferenza alla presa invece non mette in risalto nessuna differenza fra le due popolazioni (Fig. 3G). Infine il 30% dei neuroni quantitativamente studiati (15/48) ha mostrato una risposta significativa alla stimolazione Somatosensoriale e sono stati definiti come Somatosensory-related (SSn) (Fig. 6A). Tale attività, già classicamente studiata in passato nelle sua codifica sensoriale passiva, è stata studiata rispetto ai compiti motori e comparata rispetto alle due popolazioni rilevate nella categoria HMn. Lo studio della correlazione fra queste 3 popolazioni divise per tipologia di afferramento e per epoca (pre e post-contatto) ha evidenziato che, rispetto ai compiti motori, erano presenti due popolazioni: 1) HMn Pre-selective hanno mostrano essere una categoria a parte, con un livello di correlazione differente fra le prese (PG e SG erano altamente correlate fra loro, mentre FE mostrava di essere scarsamente correlato rispetto agli altri due); 2) HMn Post-selective e SSn hanno mostrato una similitudine notevole rispetto al profilo di scarica durante la presa, con l’importante differenza che le tre prese nei SSn erano tutte altamente correlate fra loro, mentre gli HMn Post-selective mostravano livelli di correlazione fra le prese molto simili a quelli dei HMn Pre-selective (Fig. 6B). Tale dato suggerisce che nonostante HMn Post-selective e SSn abbiano profili temporali simili durante l’afferramento, quest’ultimi non discriminavano fra le tipologie di prese, come accade invece in entrambe le popolazioni HMn. Il presente lavoro suggerisce la coesistenza di 3 differenti popolazioni funzionali nella regione di mano SII/pIC. Ciò suggerisce che queste popolazioni contribuiscono al controllo dei movimenti di mano sia nelle fasi iniziali sia in quelle finali relative alla prensione/manipolazione di oggetti, segregando informazioni più sensoriali pure da quelle più dipendenti dal movimento. Tale attività dipendente dal movimento, potrebbe risentire, in particolare negli HMn Pre-selcetive, del comando motorio implementato nelle aree pre-motorie, in particolare F5p e F5a, per mezzo di una coppia efferente o una scarica corollaria dello stesso, similmente a quanto accade fra AIP-F5 nel processo di trasformazione visuo-motoria. In quest’ottica il complesso SII/pIC potrebbe esser coinvolto in due compiti: 1) per effetto delle connessioni con SI, fornirebbe informazioni ai circuiti parieto-frontali relative al global frame del flusso sensoriale ascendente durante la manipolazione (ipotesi a feedback); 2) comparare le conseguenze somatosensoriali del movimento predette con l’informazione somatosensoriale del reale movimento eseguito (ipotesi a feedforward). L’interlacciarsi di questi due sistemi di controllo in SII/pIC aumenterebbe l’efficacia motoria e le capacità descrittivo-somatosensoriali relative al percetto esplorato. Seguendo quest’idea, l’integrazione somato-motoria riscontrata in questa regione potrebbe essere il principio fisiologico base in grado di tradurre l’informazione somatosensoriale reale e diacronica rispetto alla scarica motoria in una rappresentazione coerente dell’oggetto esplorato e favorire la sua codifica ed il suo immagazzinamento a livello centrale. Questo principio potrebbe essere alla base anche di ciò che Lederman e Klatzky descrivevano come procedura di estrazione, finalizzata al riconoscimento aptico dell’oggetto esplorato. Inoltre questo studio, rappresenta il primo tentativo in ambito neurofisiologico di legare funzionalmente i principi anatomo-funzionali relativi al controllo sensori-motorio puro della mano con quelli relativi alla codifica aptica. Tale tentativo supporta i dati di fMRI ottenuti sull’uomo da Binkofski e collaboratori i quali evidenziarono il ruolo della premotoria ventrale, dell’omologa di AIP e di SII nei movimenti di manipolazione sia di oggetti semplici sia complessi (Binkofski et al. 1999).