Overview
Fonte: Laboratori di Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel—University of Southern California
Lo studio di come il danno al cervello influisce sul funzionamento cognitivo è stato storicamente uno degli strumenti più importanti per le neuroscienze cognitive. Mentre il cervello è una delle parti più ben protette del corpo, ci sono molti eventi che possono influenzare il funzionamento del cervello. Problemi vascolari, tumori, malattie degenerative, infezioni, traumi da forza contundente e neurochirurgia sono solo alcune delle cause alla base del danno cerebrale, che possono produrre diversi modelli di danno tissutale che influenzano il funzionamento del cervello in modi diversi.
La storia della neuropsicologia è segnata da diversi casi ben noti che hanno portato a progressi nella comprensione del cervello. Ad esempio, nel 1861 Paul Broca osservò come il danno al lobo frontale sinistro provocasse afasia, un disturbo del linguaggio acquisito. Come altro esempio, molto sulla memoria è stato imparato da pazienti con amnesia, come il famoso caso di Henry Molaison, noto per molti anni nella letteratura neuropsicologica come "H.M.", la cui chirurgia del lobo temporale ha portato a un profondo deficit nella formazione di alcuni tipi di nuovi ricordi.
Mentre l'osservazione e la sperimentazione di pazienti con danno cerebrale focale ha fornito alle neuroscienze informazioni sul funzionamento del cervello, è necessario prestare molta attenzione nella progettazione di test per rivelare la natura specifica del deficit. Inoltre, poiché il cervello è una complessa rete di neuroni interconnessi, il danno a una regione del cervello può influenzare il funzionamento in regioni lontane dal danno. Per dimostrare come il danno cerebrale può influenzare le connessioni tra le regioni del cervello, questo video esamina il caso del cosiddetto cervello diviso.
Il corpo calloso è un grande fascio di fibre che collega gli emisferi sinistro e destro del cervello. È uno dei più grandi tratti di sostanza bianca nel cervello e può essere facilmente riconosciuto su una vista sagittale della linea mediana del cervello. Nel 1960, i neurochirurghi scoprirono che il taglio del corpo calloso potrebbe essere un trattamento di successo per alcuni tipi di epilessia, che comporta un'attività neurale incontrollabile che si diffonde attraverso il cervello. Le persone che hanno subito l'operazione di split-brain hanno avuto i loro due emisferi separati chirurgicamente, in modo tale che gli emisferi sinistro e destro non erano più in grado di comunicare. Questa condizione ha permesso agli sperimentatori di sondare le funzioni dell'emisfero sinistro e destro in modo indipendente, di conoscere le abilità relative e la natura della comunicazione tra di loro.
Questo video dimostra come testare un paziente con cervello diviso per rivelare alcune delle differenze tra i due emisferi del cervello e per vedere alcune conseguenze drammatiche di tale disconnessione. Le versioni originali di questi esperimenti sono state sviluppate da Michael Gazzaniga e colleghi1, 2 e successivamente sono state elaborate da altri; 3 la versione qui presentata incorpora modernizzazioni più recenti della metodologia.
Procedure
1. Reclutamento di pazienti e controllo
- Ci sono una varietà di pazienti con sindromi da disconnessione, tra cui callosotomie chirurgiche complete e parziali e condizioni congenite, come l'agenesia del corpo calloso (ACC), in cui il corpo calloso non si sviluppa completamente. Ci sono più tratti che collegano i due emisferi; il più grande è il corpo calloso, ma alcune fibre si incrociano alla commessura anteriore, alla commessura ippocampale e alla commessura posteriore.
Si noti che queste diverse varietà di disconnessione possono portare a risultati comportamentali diversi in questo test. - Ai fini di questo esperimento, preselezionare il paziente attraverso l'uso di neuroimaging per confermare l'assenza di fibre di collegamento.
- La risonanza magnetica standard e l'imaging a diffusione, che possono essere utilizzati per l'immagine di tratti di sostanza bianca, sono particolarmente utili. Sapere quali fibre di collegamento sono presenti nel paziente aiuta con l'interpretazione dei risultati. In questa dimostrazione è stato selezionato un paziente con una callosotomia completa.
- Assicurarsi che il paziente sia stato pienamente informato delle procedure di ricerca e abbia firmato tutti i moduli di consenso appropriati.
- Recluta 20 partecipanti della stessa età e sesso del paziente, abbinati per intelligenza, utilizzando i punteggi della Wechsler Adult Intelligence Scale (WAIS).
2. Raccolta dei dati
- Per presentare stimoli visivi solo all'emisfero sinistro o destro, gli stimoli devono essere correttamente presentati a un campo visivo. Si noti che questo non equivale a presentare gli stimoli a un occhio. Ogni occhio proietta su entrambi gli emisferi del cervello; ad esempio, la parte dell'occhio sinistro che vede il campo visivo sinistro viene elaborata dall'emisfero destro, ma la parte dell'occhio sinistro che elabora il campo visivo destro è vista dall'emisfero sinistro. Pertanto, per presentare un'immagine all'emisfero sinistro, presentarla interamente all'interno del campo visivo destro, che si trova a destra di dove il paziente sta guardando.
- Per ottenere questa lateralizzazione, utilizzare un sottogola per mantenere gli occhi a circa 22 pollici dallo schermo del computer. Posizionare il mento del paziente comodamente all'interno del mentoniera, rivolto verso lo schermo.
- Avere una piccola croce rimanere al centro dello schermo per fornire una posizione per il paziente per fissare i loro occhi.
- Istruire il paziente a mantenere la fissazione su questa croce per tutto l'esperimento, anche se le immagini appaiono sul lato sinistro o destro di esso.
- Spiega al paziente che quando appare un'immagine, dovrebbe dire il nome dell'oggetto ad alta voce.
- Presenta brevemente immagini di oggetti noti sul lato sinistro o destro dello schermo per proiettarli rispettivamente agli emisferi destro o sinistro del cervello. 50 immagini sono presentate in ordine casuale da una serie di oggetti che includono disegni facilmente riconoscibili, come una mela, una palla, una scopa e un pollo.
- Presentare le immagini per meno di 150 ms per garantire una corretta lateralizzazione. Questo è abbastanza tempo per vedere lo stimolo, ma abbastanza velocemente in modo che il paziente non sia in grado di muovere gli occhi per vedere lo stimolo nella visione centrale.
- Chiedi al paziente di nominare ad alta voce gli oggetti presentati sullo schermo e registra le loro risposte. Questo è un test di capacità linguistica verbale e dovrebbe rivelare le differenze nella capacità di parlare tra gli emisferi.
- Se il paziente non è in grado di nominare nessuno degli oggetti, chiedere al paziente di disegnare l'oggetto, senza guardare la carta, con la mano omolaterale a (sullo stesso lato di) lo stimolo. Questo serve come misura non linguistica della conoscenza dello stimolo.
- La mano omolaterale allo stimolo è controllata dall'emisfero che ha visto lo stimolo. Ad esempio, quando lo stimolo viene presentato nel campo visivo sinistro, viene elaborato dall'emisfero destro. L'emisfero destro è in gran parte responsabile del controllo della mano sinistra.
- Assicurarsi che il paziente non guardi la mano mentre sta disegnando per mantenere l'isolamento dello stimolo su un emisfero.
- Quando il paziente finisce di disegnare un oggetto, chiedi loro di guardare l'oggetto e dire ad alta voce di cosa si tratta. Ciò conferma che il paziente conosce il nome dell'oggetto quando viene presentato nella visione centrale, anche se non è in grado di nominarlo quando viene presentato a un singolo emisfero.
- Ripetere la procedura per ogni partecipante al controllo.
3. Analisi dei dati
- Per analizzare le prestazioni del paziente, confrontare i dati del mezzo campo visivo sinistro e destro tra loro. Per fare ciò, tabulare il numero di risposte corrette e errate in ciascun campo visivo e testare la probabilità di ottenere una differenza grande come quella osservata usando un test di indipendenza del chi quadrato.
- Confronta i dati del paziente con i dati della popolazione di controllo di età, sesso e intelligenza per determinare i deficit nel comportamento del paziente. Per fare ciò, compilare separatamente il punteggio medio per il campo visivo sinistro e il campo visivo destro di ogni persona e confrontare le distribuzioni utilizzando un'analisi a misure ripetute del test di varianza (ANOVA).
I neuropsicologi studiano i pazienti "split-brain" per sondare le funzioni uniche degli emisferi sinistro e destro del cervello – in altre parole, per studiare la lateralizzazione – e per indagare anche sulla natura della comunicazione tra queste regioni.
In primo luogo, le informazioni provenienti da un lato del corpo vengono elaborate all'interno della metà opposta del cervello. Inoltre, ogni emisfero dirige contraterally i movimenti del corpo.
Queste aree hanno anche diversi punti di forza cognitivi: il lato sinistro è tipicamente associato al controllo del linguaggio e della parola, mentre il destro svolge un ruolo importante nell'elaborazione delle informazioni visuospaziali, come giudicare le disposizioni spaziali dei quadranti su una macchina.
Normalmente, le raccolte di assoni dei neuroni, denominati fasci di fibre nervose, trasferiscono informazioni tra questi emisferi. Uno dei più grandi di tali tratti è il corpo calloso.
Tuttavia, questa comunicazione inter-emisferica viene interrotta nei pazienti con cervello diviso, i cui corpi callosa sono stati recisi chirurgicamente, un trattamento a volte usato per ridurre l'attività neurale incontrollabile caratteristica dell'epilessia dalla diffusione in tutto il cervello.
Utilizzando le modernizzazioni delle tecniche dello psicologo Michael Gazzaniga, questo video dimostra come testare i pazienti con cervello diviso e valutare le loro capacità cognitive, in particolare la produzione del linguaggio, e illustra i metodi di raccolta e analisi dei dati.
In questo esperimento, ai pazienti vengono mostrate immagini di oggetti di uso quotidiano e viene chiesto di verbalizzare il nome di ciascun elemento.
Per ottenere la lateralizzazione, ai pazienti viene chiesto di concentrarsi su un simbolo di croce al centro dello schermo di un computer e viene detto di rimanere fissi su questa forma per tutta la durata dell'esperimento. Qui, la croce funge da punto di riferimento accanto al quale gli stimoli visivi possono essere mostrati a destra oa sinistra.
Se un'immagine viene presentata sulla destra dello schermo, cade nel campo visivo destro, che, forse controintuitivamente, viene elaborato dalle parti sinistre di entrambi gli occhi. Queste regioni proiettano quindi l'immagine osservata nell'emisfero sinistro del cervello, dove viene identificata.
Pertanto, le funzioni dell'emisfero cerebrale sinistro possono essere valutate mostrando immagini nel campo visivo destro.
Allo stesso modo, uno stimolo presentato a sinistra della croce sullo schermo, nel campo visivo sinistro, può essere utilizzato per valutare i ruoli dell'emisfero destro.
Durante l'attività di denominazione degli oggetti, un totale di cinquanta disegni, come quello di un pollo, appaiono uno alla volta su un lato casuale del monitor, a destra o a sinistra.
Le immagini sono presentate per meno di 150 ms. Poiché questo non è abbastanza tempo per un paziente per muovere gli occhi per riposizionare l'immagine, assicura che solo l'emisfero cerebrale testato "veda" lo stimolo.
Dopo che l'immagine scompare, il paziente deve identificarla ad alta voce, che serve come misura della lateralizzazione della capacità linguistica verbale.
Qui, la variabile dipendente è la percentuale di immagini mostrate nei campi visivi sinistro e destro che il paziente è in grado di nominare, in altre parole, l'accuratezza dell'identificazione verbale.
Sulla base del precedente lavoro di Gazzaniga e altri, si prevede che i pazienti saranno in grado di nominare le immagini presentate nel campo visivo destro con elevata precisione, poiché queste informazioni sono viste dall'emisfero sinistro, la regione in grado di controllare il linguaggio.
Tuttavia, i pazienti non saranno in grado di identificare verbalmente le immagini mostrate nel campo visivo sinistro, poiché queste informazioni sono gestite dall'emisfero cerebrale destro, che non è in grado di generare linguaggio e, nei pazienti con cervello diviso, non può comunicare con il lato sinistro capace di parlare.
Se l'immagine non può essere nominata, denominata anomia, viene eseguita un'attività di disegno, che funge da misura non linguistica della conoscenza dello stimolo.
Qui, i pazienti devono creare un'immagine dell'immagine che è stata mostrata usando la mano sull'ipsilaterale o sullo stesso lato del campo visivo testato. Pertanto, se i pazienti non riescono a identificare verbalmente un oggetto presentato a sinistra dello schermo, dovrebbero disegnarlo con la mano sinistra.
In questo caso, la variabile dipendente è la percentuale di immagini mostrate nei campi visivi sinistro e destro che vengono disegnate con precisione.
Si prevede che i pazienti che non sono in grado di nominare le immagini mostrate a sinistra del monitor saranno comunque in grado di disegnarle, usando la mano sinistra, con elevata precisione.
Ciò è dovuto al fatto che l'emisfero destro, che controlla il braccio e la mano sinistra, elabora anche le informazioni dal campo visivo sinistro. Pertanto, non è necessaria alcuna comunicazione tra gli emisferi per completare questo compito.
Prima di iniziare l'esperimento, rivedere i dati MRI dei pazienti per determinare quali fasci di fibre nervose mancano. Ai fini di questa dimostrazione, viene testato un paziente in cui è stato reciso l'intero corpo calloso e i loro dati saranno confrontati con quelli raccolti dai partecipanti al controllo.
Saluta il paziente quando arriva e informalo delle procedure di ricerca. Inoltre, assicurarsi di aver firmato tutti i moduli di consenso appropriati.
Quindi, procedere a posizionare il mento comodamente in un mentoniera in modo che i loro occhi siano posizionati a circa 22 pollici dallo schermo.
Con la piccola croce visualizzata al centro dello schermo, sottolinea al paziente che deve rimanere fissato su questo simbolo, anche se le immagini lampeggiano a sinistra oa destra di esso.
Procedi mostrando loro 50 immagini, ognuna delle quali è presentata per 150 ms, in ordine casuale e equamente divisa tra i lati. Dopo ogni presentazione, istruire il paziente a identificare l'oggetto ad alta voce: "Apple". Registra tutte le loro risposte.
Se il paziente non può nominare lo stimolo visivo, chiedi loro di disegnarlo con la mano sullo stesso lato del campo visivo in cui è stata mostrata l'immagine. Questo costituisce l'attività degli oggetti di disegno.
Assicurarsi che il paziente non guardi la mano mentre sta disegnando, al fine di mantenere l'isolamento iniziale dello stimolo in un emisfero cerebrale.
Per confermare che il paziente conosce il nome dello stimolo quando viene presentato contemporaneamente a entrambi i campi di vista, fagli guardare in basso il loro disegno completato e identificare verbalmente l'oggetto che rappresenta: "Scopa". Ancora una volta, registra tutte le risposte del paziente.
Per analizzare i dati, calcolare prima la percentuale di risposte verbali corrette tra i pazienti per gli stimoli presentati ai campi visivi sinistro e destro.
Procedere compilando separatamente la percentuale di punteggi di risposta verbale corretti per le posizioni sinistra e destra di ciascun partecipante al controllo.
Per identificare eventuali deficit nel comportamento del paziente, confrontare i dati di controllo e del paziente utilizzando un'analisi a misure ripetute del test di varianza. Ripetere l'analisi per tutti i dati raccolti dal test di disegno.
Si noti che mentre i pazienti in genere non sono in grado di nominare gli stimoli presentati al campo visivo sinistro, possono disegnarli, con la mano sinistra, con un alto grado di precisione. Ciò dimostra una dissociazione tra la capacità di un paziente di riconoscere e nominare verbalmente un oggetto.
Ora che sai come testare le funzioni degli emisferi sinistro e destro dei pazienti con cervello diviso con stimoli visivi, vediamo come i ricercatori esplorano e applicano la lateralizzazione in altri contesti.
Hai imparato che la separazione chirurgica dei due emisferi è spesso usata per trattare i pazienti con epilessia, che è caratterizzata da convulsioni.
Di conseguenza, molti neuroscienziati stanno esaminando se i tempi di questa disconnessione – se il corpo calloso viene reciso durante l'infanzia o l'età adulta – abbia qualche effetto sulle funzioni cognitive di un paziente.
È importante sottolineare che tale lavoro ha dimostrato che rispetto agli adulti, i bambini sperimentano meno o meno gravi effetti cognitivi a seguito della disconnessione degli emisferi cerebrali, suggerendo che i giovani cervelli dimostrano un grande grado di plasticità.
Fino ad ora, ci siamo concentrati sul corpo calloso come la principale connessione tra gli emisferi sinistro e destro.
Tuttavia, altri fasci di fibre nervose consentono la comunicazione tra i lati del cervello. Tra questi c'è la commessura anteriore, che è stata implicata nel trasferimento di informazioni sensoriali, come quella relativa alla vista o all'olfatto.
Pertanto, alcuni ricercatori stanno esaminando come la disconnessione di uno o più di questi fasci , con o senza separazione del corpo calloso - influenzi il comportamento del paziente.
Hai appena visto il video di JoVE sul test di pazienti con cervello diviso usando stimoli visivi. Ormai, dovresti capire come presentare le immagini ai due campi visivi e raccogliere e interpretare i dati relativi alle capacità degli emisferi cerebrali sinistro e destro. Dovresti anche sapere come i dati dei pazienti con cervello diviso vengono utilizzati per sviluppare trattamenti migliori per l'epilessia e comprendere i ruoli dei diversi fasci di fibre nervose nel cervello.
Grazie per l'attenzione!
Results
Tipicamente, i pazienti con callosotomia mostrano un'anomia per gli oggetti presentati nel mezzo campo visivo sinistro. L'anomia è l'incapacità di nominare gli oggetti. Gli oggetti presentati al campo visivo giusto, tuttavia, sono denominati con elevata precisione (Figura 1).
Figura 1: Prestazioni del paziente e del controllo nel compito di denominazione degli oggetti per gli stimoli presentati nei campi visivi sinistro e destro. Il paziente (cerchi neri) non è in grado di nominare verbalmente gli oggetti presentati nel campo visivo sinistro, ma è in grado di nominare gli oggetti nel campo visivo destro. Al contrario, la popolazione di controllo (diamanti blu) può nominare oggetti presentati sia nel campo visivo sinistro che in quello destro.
Alcuni pazienti possono essere in grado di disegnare con successo oggetti presentati al campo visivo sinistro, anche se non possono nominarli verbalmente (Figura 2).
Figura 2: Prestazioni del paziente e del controllo nel compito di disegnare oggetti per gli stimoli presentati nei campi visivi sinistro e destro. Il paziente (cerchi neri) e la popolazione di controllo (diamanti blu) sono in grado di disegnare oggetti presentati sia nel campo visivo sinistro che in quello destro. Le prestazioni del paziente non differiscono dai controlli abbinati.
In questo caso, il paziente di solito dice di non aver visto nulla. Questo perché l'emisfero sinistro, che controlla il parlato, non ha visto l'immagine visiva. Tuttavia, l'emisfero destro, che ha visto l'oggetto, può riconoscerlo ma non è in grado di generare il discorso. Poiché l'emisfero destro ha in gran parte il controllo della mano sinistra, il paziente è in grado di disegnare l'oggetto con la mano sinistra. Questo risultato dimostra una dissociazione tra la capacità di riconoscere un oggetto e la capacità di nominare verbalmente un oggetto.
La popolazione di controllo, con corpora callosa intatta, può sia nominare che disegnare oggetti presentati nei campi visivi sinistro o destro. Questo perché le informazioni possono passare liberamente da un emisfero all'altro, consentendo la condivisione di informazioni tra le regioni del cervello.
Applications and Summary
Il caso del paziente con cervello diviso rivela la relativa specializzazione dei due emisferi cerebrali. Molte di queste specializzazioni possono anche essere dimostrate in persone sane con commisure intatte usando tecniche simili. Ad esempio, le persone tendono a riconoscere le parole più velocemente quando vengono presentate brevemente nel campo visivo destro rispetto a quando vengono presentate nel campo visivo sinistro. Questo esperimento mostra anche che anche quando due regioni del cervello sono sane, il danno alle connessioni tra diverse regioni può influenzare il comportamento.
Tuttavia, è importante ricordare che mentre il test del cervello diviso dimostra le differenze tra i due emisferi cerebrali, nel cervello intatto, i due emisferi interagiscono continuamente tra loro e lavorano di concerto. Isolare uno stimolo in un campo visivo richiede attrezzature specializzate in grado di presentare stimoli molto brevemente e lontano dalla fissazione centrale. Poiché la visione centrale viene elaborata da entrambi gli emisferi e gli occhi in genere scansionano un ambiente, questa non è una situazione che è probabile che si verifichi nella vita di tutti i giorni.
References
- Gazzaniga, M. S., Bogen, J. E., & Sperry, R. W. (1962). Some functional effects of sectioning the cerebral commissures in man. Proc Natl Acad Sci U S A, 48, 1765-1769.
- Gazzaniga, M. S., Bogen, J. E., & Sperry, R. W. (1965). Observations on visual perception after disconnexion of the cerebral hemispheres in man. Brain, 88(2), 221-236.
- Zaidel, E., Zaidel, D., & Bogen, J. E. (1990). Testing the commussurotomy patient. In A. Boulton, G. Baker, & M. Hiscock (Eds.), Neuromethods (pp. 147-201). Clifton, NJ: Humana Press.
