RICERCA ITALIANA     

Oscillazioni ultradiane della vigilanza e alterazioni della struttura ipnica nella narcolessia: relazione fra aspetti neurofisiologici, cognitivi, neurometabolici e genetici.

Università degli Studi di Bologna

Abstract

I disturbi del sonno rappresentano un frequente problema medico e l'eccessiva sonnolenza diurna è un problema di comune riscontro nella pratica clinica. Il crescente interesse in questo campo è principalmente dovuto alla associazione delle patologie del sonno, ed in particolare dell'eccessiva sonnolenza diurna, con una significativa comorbidità. Recentemente la ricerca sui meccanismi fisiopatologici e sull'espressione fenotipica della narcolessia, un disturbo del sonno ben conosciuto che si presenta principalmente con una eccessiva sonnolenza diurna, ha conosciuto grandi progressi, tuttavia numerosi aspetti devono ancora essere chiariti. Il presente studio ha lo scopo di approfondire la comprensione delle basi fisiopatologiche e i correlati deficit neuropsicologici della narcolessia. In particolare, coinvolgendo 5 Centri di Ricerca Italiana leader nel loro specifico campo di interesse, questo studio mostra un'elevata interdisciplinarietà e un approccio integrato passando attraverso la genetica, la neurofisiologia, la neuro-imaging e la neuropsicologia consentendo di valutare globalmente i fattori genetici multipli della complessa espressione fenotipica della narcolessia.
Gli specifici obiettivi scientifici e tecnologici sono:
* Caratterizzare dal punto di vista clinico e polisonnigrafico 100 pazienti narcolettici
* Identificare, usando l'approccio di un gene candidato, i fattori genetici predisponenti, che possono determinare l'eccessiva sonnolenza, e altre caratteristiche cliniche, polisonnografiche, neurochimiche, di neuroimaging, e neuropsicologiche nei pazienti con narcolessia.
* Identificare, esplorando le principali funzioni psicometriche, la relazione tra narcolessia ed efficienza cognitiva
* Identificare, usando tecniche di MR non invasive, multimodali e quantitative:
1. le anomalie neurochimiche delle regioni cerebrali
2. i cambiamenti morfometrici delle strutture sottocorticali come nella diffusione dell'acqua e dell'anisotropia frazionaria
* Identificare nei pazienti narcolettici, attraverso indicatori metabolici e comportamentali del funzionamento cerebrale (usando la fMRI) la relazione tra processi di consolidamento e l'attivazione di specifiche aree cerebrali durante la veglia rispetto ai controlli;
* Progettare un modello matematico delle influenze omeostatiche, circadiane e ultradiane sul sonno notturno e sulla sonnolenza diurna nella narcolessia
* Creare un database completo dei profili clinici, neurofisiologici, genetici, neurochimici, neuromorfometrici e psicometrici di una popolazione omogenea di pazienti narcolettici.
Questo permetterà una analisi statistica che, mediante l'identificazione di sottogruppi di pazienti, consentirà una maggiore comprensione della relazione tra i differenti aspetti dell'espressione fenotipica della patologia ed il background genetico. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giuseppe PLAZZI Università degli Studi di BOLOGNA

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo di questo programma di ricerca è quello di identificare e correlare in pazienti narcolettici i dati clinici con quelli neurofisiologici, cognitivi, neurometabolici, strutturali, di attivazione cerebrale e genetici, per contribuire alla identificazione dei multipli determinanti della complessa espressione fenotipica della narcolessia.
Lo studio prevede il reclutamento, da parte di una sola Unità di Ricerca (I), di cento soggetti affetti da narcolessia, di età compresa fra i 18 ed i 70 anni. La diagnosi si baserà sia su criteri clinici, che polisonnografici. I pazienti con Narcolessia dovranno presentare eccessiva sonnolenza diurna, con almeno due addormentamenti in sonno REM durante il "multiple sleep latency test" (MSLT) ed una latenza media di addormentamento (MSL) sempre durante il MSLT. I soggetti con Narco-cataplessia oltre alle caratteristiche sopra menzionate dovranno avere una tipica storia clinica di cataplessia ed essere DQB1*0602-positivi. I soggetti narcolettici verranno sottoposti ad un protocollo di registrazione polisonnografica continua che prevederà un monitoraggio diurno free-running di 48 ore, con due notti trascorse nel laboratorio del sonno seguite dalla registrazione MSLT. I dati verranno conservati in formato elettronico per le analisi off line previste. L'obiettivo parziale della Unità di Ricerca I sarà quindi quello di analizzare la struttura ipnica di una grande popolazione di soggetti affetti da narcolessia, studiando sia i parametri convenzionali, sia la "microstruttura" del sonno per mezzo dell'analisi automatica e manuale del "cycling alternating pattern" (CAP), con lo scopo di meglio caratterizzare il profilo polisonnografico di tali soggetti, ed eventualmente distinguere differenti fenotipi.
pazienti.
Durante i 24 mesi del progetto l'Unità di Ricerca I indirizzerà alla Unità di Ricerca II 40 pazienti narcolettici consecutivi di età compresa tra i 18 ed i 40 anni e 40 volontari sani appaiati per età e sesso. L'obiettivo del progetto della Unità di Ricerca II è identificare e correlare tra loro in pazienti narcolettici anomalie neurometaboliche, strutturali, e di attivazione cerebrale. I diversi aspetti metabolici, morfologici e d'attivazione funzionale cerebrale saranno indagati utilizzando tecniche di risonanaza magnetica avanzate e quantitative quali:
-spettroscopia RM del protone (1H-MRS)
-voxel based morphometry MRI (VBM-MRI)
-MRI funzionale(f-MRI)
I risultati degli studi di risonanza magnetica verranno messi in relazione con i risultati clinici e polisonnografici (Unità di Ricerca I), cognitivi (Unità di Ricerca III), di analisi spettrale (Unità di Ricerca IV) e genetici (Unità di Ricerca V) ottenuti negli stessi pazienti.
Durante i 24 mesi del progetto l'Unità di Ricerca III si occuperà della valutazione psicometrica di 200 pazienti narcolettici, diagnosticati negli ultimi 12 mesi dalla Clinica Neurologica dell'Università di Bologna (Unità di Ricerca I) selezionando 100 soggetti narcolettici da sottoporre a esame polisonnografico, psicometrico e, per un gruppo selezionato, neurofunzionale, L'Unità di Ricerca III dovrà inoltre individuare un gruppo di controllo (pari a 20 soggetti) bilanciato per età, genere e scolarità rispetto al gruppo di pazienti narcolettici (pari a 20) da sottoporre a risonanza magnetica funzionale. Anche i soggetti di controllo verranno sottoposti all'esame polisonnografico, psicometrico e neurofunzionale. Gli obiettivi della Unità di Ricerca III possono essere schematizzati come segue:
a) Descrivere analiticamente, mediante l'individuazione di una batteria di test psicometrici standardizzati, il funzionamento cognitivo dei pazienti narcolettici.
b) Individuare, in associazione con parametri di tipo genetico, neurofisiologico e neurochimico (oggetto d'indagine delle altre unità operative), gli eventuali sottogruppi di pazienti narcolettici con differenti profili cognitivi.
c) Individuare, attraverso la somministrazione di compiti relativi a specifiche abilità cognitive da eseguire durante risonanza magnetica funzionale (fMRI), le eventuali differenze nei processi di elaborazione on-line di informazioni di tipo dichiarativo (semantico ed episodico) e procedurale (percettivo-motorio) rispetto ai soggetti di controllo ed, eventualmente, tra i differenti sottogruppi di narcolettici.
L'Unità di Ricerca IV analizzerà il materiale della registrazione polisonnografica di 100 soggetti narcolettici della Unita di Ricerca I con l'obiettivo di:
1) Integrare i modelli della regolazione sonno-veglia disponibili, in modo da renderli capaci di descrivere la distribuzione temporale e le caratteristiche della alternarsi tra SWA, veglia e Rem in un tempo lungo 48 ore nei soggetti di controllo nelle condizioni della vita di ogni giorno e, dopo parsimoniose manipolazioni di pochi parametri matematici, simulare gli stessi aspetti della narcolessia;
2) Verificare la grandezza dei parametri del modello comparando statisticamente il modello e le serie temporali empiriche medie nei soggetti dei controlli con le referenze;
3) Simulare un pattern di sonno-veglia narcolettico introducendo variazioni in un parametro che rappresenti l'intensità dell'interazione conpetitiva fra le funzioni Rem-on e Rem-off e abbassando la forza di soglia del processo . Cio' per verificarela ragionevole correttezza di questa assunzione attraverso la comparazione statistica fra un modello modificato e le serie temporali empiriche medie della SWA dei pazianti narcolettici;
4)Affidare ad una procedura di ottimizzazione la ricerca di migliori valori per i parametri con un livello di confidenza del 95% allo
scopo di aumentare l'accuratezza nei soggetti di controlloe studiare le variazioni dei paramentri necessarie per i narcolettici;
5)Verificare che le modificazioni introdotte nell'ipotesi e i risultati ottenuti dopo l'ottimizzazione siano compatibili attraverso l'analisi statistica.
L'Unità di Ricerca V, infine, si pone l'obiettivo di identificare, utilizzando l'approccio del gene candidato, fattori genetici predisponenti che possono contribuire alla patogenesi della narcolessia. E' oramai ben noto che negli studi di associazione la scelta del gene candidato deve essere basata sul plausibilità del ruolo biologico di quel specifico gene nella patogenesi della malattia. Inoltre, il polimorfismo scelto dovrebbe determinare un cambio funzionale della proteina codificata <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La narcolessia è una malattia invalidante e sotto-dignosticata che colpisce lo 0.02-0.06% degli individui ed è caratterizzata da eccessiva sonnolenza diurna (EDS), cataplessia, paralisi nel sonno, allucinazioni ipnagogiche e sonno notturno disturbato. La cataplessia, un'improvvisa perdita del tono muscolare evocato da stimoli emotivi, rappresenta una caratteristica clinica pressocchè esclusiva della narcolessia ed è presente nel 60% dei pazienti.Le caratteristiche della narcolessia sono costituite da esordio del sonno in fasi REM (SOREMPs) durante il giorno, rilevato dal multi-sleep latency test (MSLT), e SOREMPs e ridotta efficienza del sonno documentato dalla registrazione poligrafica notturna. L'attuale nosografia proposta dalla International Classification of Sleep Disorders distingue, sotto il termine Narcolessia, due distinte entità cliniche: Narcolessia e Narco-Cataplessia.. Si tratta di due patologie neurologiche croniche, disabilitanti, caratterizzate entrambe da alterazioni del sonno REM ed in particolare da una ridotta latenza dello stesso. Mentre la Narco-Cataplessia viene considerata un modello naturale di patologia caratterizzata da un sovvertimento del sonno REM, con caratteristiche fenotipiche estremamente omogeneee, la Narcolessia non associata a Cataplessia rappresenta una malattia dai contorni meno definiti. Le caratteristiche alterazioni della struttura ipnica nei narcolettici sono la ridotta latenza del sonno REM, la ridotta efficienza del sonno. In particolare relazione ai soggetti narcolettici DQB1*0602-positivi si riscontra anche un incremento della veglia infrasonno (WASO) e del rapporto percentuale dello stadio 1 nonREM, sia rispetto alla popolazione di controllo, che rispetto ai soggetti narcolettici DQB1*0602-negativi (1). Altre caratteristiche comuni a tutti i soggetti narcolettici sono una riduzione percentuale del sonno 2 nonREM e del sonno ad onde lente a fronte di un incremento del sonno REM. (2). Pochi studi sono infine focalizzati sulle alterazioni del sonno nonREM nella narcolessia umana, enfatizzando soprattutto una significativa alterazione della organizzazione del sonno ad onde lente (2-4). L'aumento della propensione al sonno diurno, è stato considerato uno dei sintomi cardine della narcolessia, avendo interpretato gli altri sintomi come il risultato dell'aumentata pressione del sonno REM. L'EDS dei pazienti narcolettici può essere considerata come un'anomala distribuzione del ciclo sonno-veglia nelle 24 ore più che una vera e propria ipersonnia. Questo suggerisce che le caratteristiche fenotipiche della sindrome narcolettica potrebbero essere spiegate come un'alterata regolazione del ritmo del sonno, creata da una anomala interazione tra processo di regolazione omeostatico, circadiano, circasemidiano e ultradiano.
Sono sempre più numerose le evidenze che fattori genetici possono contribuire alla determinazione di EDS nell'uomo. Nella narcolessia umana l'allele HLA DQB1*0602 è presente in circa il 90% dei pazienti (5). Studi di famiglie indicano che il rischio di sviluppare la narcolessia-cataplessia nei parenti di primo grado di narcolettici con cataplessia è 1-2%, rappresentando un rischio di 10-40 volte superiore a quello della popolazione generale (6,7). Numerosi geni, che sono forti candidati come regolatori del controllo sonno-veglia, potrebbero causare o influenzare le alterazioni del sonno tipiche della narcolessia. E' stato dimostrato che variazioni funzionali di geni che hanno un ruolo centrale nella regolazione dei ritmi circadiani come i geni casein kinase I epsilon (CKIepsilon) e period3, contribuiscono alla comparsa delle alterazioni circadiane nei disturbi del sonno nell'uomo (8,9). Polimorfismi dei geni prepro-orexin/hypocretin ligand sono fortemente candidati nell'influenzare la complessa ereditarietà della eccessiva sonnolenza diurna (10).
Il possibile ruolo dei "circadian clock genes" nell'influenzare l' EDS è strettamente legato alla funzione dell'ipotalamo (e strutture cerebrali correlate funzionalmente), struttura che di recente è stata riscoperta come importante regolatrice del sonno e della veglia (11). Una disfunzione nel sistema ipotalamico dell' orexina (ipocretina) è stato di recente legato alla patogenesi della narcolessia. Infatti una marcata riduzione dei neuroni ed assoni ipotalamici contenenti orexina (12,13), ed aree di gliosi, particolarmente accentuate nell'ipotalamo posteriore e tubero-mammillare (14,15) sono state rilevate in pazienti narcolettici. Consistentemente è stato rilevato che nel liquido cefalo-rachidiano della maggior parte dei pazienti con narcolessia-cataplessia l'orexina è assente (16).
Tipicamente indagini convenzionali di risonanza magnetica per immagini non rilevano alcuna alterazione cerebrale nei pazienti narcolettici. Al contrario, solo di recente, indagini RM di spettroscopia e morfometria hanno fornito importanti elementi per la comprensione della patogenesi della narcolessia. Studi preliminari hanno rilevato in vivo alterazioni morfometriche (bilaterale riduzione del volume della sostanza grigia ipotalamica) (17) e neurochimiche (ridotto contenuto del marker neuronale N-acetyl-aspartato) (18) in pazienti narcolettici. Inoltre indagini con MRI morfometrica hanno evidenziato, anche se non in tutti gli studi, alterazioni corticali in pazienti narcolettici (19,20). In accordo con i risultati RM, lo studio del metabolismo cerebrale del glucosio in pazienti narcolettici effettuato con tomografia ad emissione di positroni (PET) al 18F-fluorodeossi-glucosio ha evidenziato un ipometabolismo significativo a livello dell'ipotalamo posteriore, del talamo mediodorsale, e della corteccia frontale e parietale. I neuroni contenenti ipocretina proiettano diffusamente nel sistema nervoso centrale ed, in particolare, innervano neuroni
aminergici e colinergici di regioni cerebrali che stimolano la veglia (21). I neuroni aminergici proiettano diffusamente a livello cerebrale, mentre i neuroni colinergici innervano il talamo, che regola il flusso di informazione verso e dalla corteccia.
Nel complesso i risultati degli studi neurometabolici e morfometrici effettuati fino ad ora in pazienti narcolettici, anche se ancora preliminari, indicano una disfunzione del sistema ipotalamo-talamo-corteccia orbito frontale e della corteccia parietale e temporale che ben potrebbe essere alla base di deficit neuro-cognitivi. Infatti deficit di attenzione e memoria a breve ed a lungo termine sono stati riportati in pazienti narcolettici (22). Diversi studi hanno di recente confermato che il sonno per se svolge una funzione importante nei processi di consolidamento di informazioni acquisite di recente. In particolare, compiti procedurali richiedono rispetto alle informazioni dichiarative un tempo maggiore per il consolidamento (23), durante il quale un periodo di sonno migliora il consolidamento stesso (24). Sembra pertanto plausibile che disturbi del sonno, attraverso l'alterazione della struttura e durata del sonno, interferiscano con il processo di consolidamento ed alterino, almeno parzialmente il processo di apprendimento di compiti procedurali. L'interesse dello studio dei pazienti narcolettici consiste quindi nel fatto che, contrariamente a quanto avviene in altri disturbi del sonno, essi presentano alterazioni specifiche nell'organizzazione ciclica del sonno. In particolare, la narcolessia è caratterizzata, oltre che da sonnolenza diurna e cataplessia, dalla frequente anticipazione del sonno REM all'inizio del primo ciclo di sonno (contrariamente a quanto avviene nel soggetto normale, in cui il sonno REM segue sempre il sonno NREM) e da una generale frammentazione dell'architettura del sonno, con cicli più brevi e maggiore percentuale di stadio 1, ma con una durata di sonno complessiva paragonabile a quella normale. Tali caratteristiche permettono di indagare l'effetto specifico di una diversa architettura ipnica (almeno nel primo ciclo, nel quale è frequente l'anticipazione del sonno REM) sia sul funzionamento cognitivo generale, sia su specifici processi cognitivi, e soprattutto sulle abilità percettive e motorie, che sono sicuramente influenzate dalla modificazione della struttura del sonno. <<<