Il neuroimaging nell'autismo

Rafael Rodríguez-Rojas, Calixto Machado, Karla Batista, Maylen Carballo and Gerry Leisman

L'autismo è un disturbo che colpisce principalmente i processi di integrazione di alto ordine, in ambito sociale, emotivo, linguistico, motorio, attenzionale, esecutivo e visuospaziale. Questo articolo riassume i risultati dei cambiamenti morfologici e funzionali del cervello nel disturbo dello spettro autistico (ASD), attraverso diversi metodi di neuroimaging. I principali risultati anatomici derivano da studi sull’autismo in cui sono state utilizzate la risonanza magnetica strutturale (MRI), il tensore di diffusione (DTI), la risonanza magnetica funzionale (fMRI), la risonanza magnetica spettroscopia (MRS) e le tecniche di medicina nucleare, compresa l'emissione tomografia di positroni (PET) e tomografia a emissione di fotoni singoli (SPECT). Ci sono prove convergenti che i bambini piccoli con Autismo hanno un aumento significativo del volume cerebrale sia nella materia grigia che bianca. Tuttavia, i risultati da studi di adolescenti e adulti con ASD sono incoerenti. È possibile che i risultati siano discrepanti principalmente a causa delle differenze in pazienti che fanno parte dello spettro autistico che mostrano diversi modelli di anomalie strutturali, anche se i sintomi clinici sono simili. In alternativa, questa differenza potrebbe anche derivare da diverse tecniche di elaborazione e analisi delle immagini. Sulla base dell'analisi applicata ai dati di immagine, questi studi possono essere classificati in regione di interesse (ROI), voxel (VBM), superficie (SBM) basato sulla superficie (SBM) o sulla morfometria basata sui tensori (TBM). 

Sulla base della morfometria basata su ROI emerge l’aumento del cervello totale, del lobo parietotemporale e dei volumi degli emisferi cerebellari tra le anomalie più replicate nell'autismo. Tuttavia, se questo allargamento anormale persista o no nella tarda infanzia e adolescenza è ancora una questione di dibattito. L'allargamento dell'amigdala nei bambini, e i volumi ridotti in sottoregioni del corpo calloso e dell'area ippocampale sono stati riportati anche negli autistici (Chen et al. 2011; Brambilla et al. 2003). 

La morfometria basata sui voxel (VBM) calcola la probabilità che ogni voxel sia associato a uno specifico tipo di tessuto. La morfometria basata sui tensori (TBM) è un metodo in cui per ogni soggetto è ottenuto un campo di deformazione, abbinandone il cervello ad un modello di cervello comune e codificando le posizioni relative dei vari punti di riferimento del cervello. Diversi studi VBM e TBM sono stati eseguiti nell’ASD. Questi riportano anomalie della materia bianca e grigia in una rete ampiamente distribuita, in cui sono compresi i lobi frontale, temporale, parietale e occipitale, giro cingolato, giro fusiforme, ippocampo e regioni paraippocampali, cervelletto, capsula interna, nuclei caudati e corpo calloso (vedi (Nickl-Jockschat et al. 2012; Cauda et al. 2014; Dennis e Thompson2013) per la revisione). Tuttavia, i risultati morfometrici sono disomogenei e persino contraddittori. I primi studi hanno mostrato, una ridotta densità di materia grigia nel lobo temporale mediale sinistro (Brieber et al. 2007), giro temporale inferiore destro, corteccia entorinale e giro fusiforme rostrale in adolescente (Kwon et al. 2004), e più alto volume di materia grigia nella corteccia parietale inferiore sinistra e nel destro giro sopra marginale in bambini e adolescenti che soddisfano i criteri diagnostici per ASD (Brieber et al.2007). Alterazioni dei gangli della base, in particolare i nuclei caudati, sono stati ripetutamente descritti in pazienti ASD e sono stati spesso trovati per correlare con compromissione delle prestazioni motorie o comportamento ripetitivo e stereotipato (per la revisione vedere (Nickl-Jockschat et al. 2012)). Dagli studi di Nickl-Jockschat et al. su un campione di 277 pazienti ASD e 303 sani sono stati individuati sei cluster significativi di convergenza che indicano disturbi nelle strutture cerebrali di pazienti con autismo, tra cui nel lobo occipitale laterale, nella regione pericentrale, nel lobo temporale mediale, nei gangli della base, e vicino all’opercolo parietale destro. Una più recente meta-analisi (Cauda et al. 2014) ha permesso di localizzare varie concordanze negative bilaterali, con una maggiore prevalenza nell'emisfero destro, mentre le concordanze positive sono state trovate nell'emisfero sinistro. L'emergere di un diverso contributo emisferico suggerisce una relazione con i fattori patogenetici che colpiscono l’emisfero destro durante le prime fasi dello sviluppo. Questi dati forniscono la prova che vi sia una morfologia cerebrale alterata nell’ASD che abbia un ruolo nei sintomi pervasivi che compromettono la comunicazione e le abilità sociali nei pazienti ASD.

La morfometria basata sulla superficie (SBM) valuta il ripiegamento locale dando accesso alle proprietà topologiche della corteccia come lo spessore corticale, la superficie regionale e la profondità solcale. Questi descrittori rivelano diversi attributi delle complesse interazioni tra le regioni del cervello nell'ASD. L'aumento dello spessore corticale è stato riportato su tutta la corteccia cerebrale nei bambini con autismo, principalmente guidato da aumenti in parietale e temporale (Hardan et al. 2006). Tutti i risultati suggeriscono che la sovra crescita precoce del volume corticale nell’ASD possa essere associata con un sproporzionato allargamento dello spessore corticale e della superficie in più regioni del cervello, con una tendenza alla normalizzazione in fasi successive di sviluppo. Anche se ancora incoerenti, questi risultati suggeriscono che le interruzioni della topologia corticale nei bambini autistici in età prescolare possono essere alla base di una serie distinta di meccanismi patogeni.

Inoltre la risonanza magnetica funzionale (fMRI) fornisce intuizioni nei cambiamenti dinamici del cervello che hanno un corso di tempo più vicino a quello delle attività neurofisiologiche. La tecnica ha quindi contribuito a stabilire che l’ASD è un disturbo distribuito che comprende diversi sistemi neurali. C'è un legame tra l'aumento dell'attività neuronale locale e l'aumento del flusso sanguigno cerebrale regionale, del volume del sangue e del contenuto di ossigeno nel sangue (Heeger e Rees 2002). Un leggero ma misurabile allungamento locale del segnale MR segnale è guidato dallo squilibrio tra ossigenato e emoglobina non ossigenata. Gli studi fMRI negli ASD hanno fornito prove comportamentali di incapacità di giudizi emotivi sui volti (ad esempio, l'incapacità di lettura delle intenzioni o delle emozioni espresse facialmente da altri) e il riconoscimento e discriminazione dei volti alterati (ad esempio, per discriminare tra volti familiari e non familiari) negli ASD (Dichter 2012; Stigler et al. 2011). Gli individui con ASD hanno dimostrato di avere difficoltà con la capacità di dedurre gli stati d'animo e/o intenzioni, abilità che sono essenziali per un'appropriata interazione sociale. Gli studi fMRI hanno rivelato che i bambini e gli adulti con autismo mostrano una ridotta attivazione in tutta la corteccia prefrontale mediale, solco temporale superiore, polo temporale destro e amigdala, impegnati nella cosiddetta rete della "teoria della mente" (DiMartino et al. 2009). L'amigdala ha ricevuto un esame particolare di teoria della mente negli studi fMRI. La modulazione alterata dell'attività in quest'area è stata associata alle ridotte capacità sociali e di comunicazione nell'ASD. Gli studi fMRI di deficit di comunicazione in ASD si sono concentrati prevalentemente sulle regioni cerebrali che mediano percezione, comprensione e generazione del linguaggio. Infatti i disturbi dello spettro autistico (ASD) sono associati a una vasta gamma di disturbi del linguaggio e della comunicazione, che vanno da una mancanza di linguaggio funzionale ad abilità linguistiche eccezionali (Williams e Minshew 2007). Paradigmi di attivazione comprendono l'elaborazione uditiva, la comprensione delle frasi e del linguaggio, fluidità verbale, immagini visive, tra gli altri. Nel complesso, questi dati supportano la lateralizzazione differenziale dell'elaborazione del linguaggio e regioni di produzione durante i compiti di comunicazione, deficit neurofunzionali per il discorso e il reclutamento di regioni cerebrali che non tipicamente il linguaggio (Anagnostou e Taylor 2011; Dichter 2012; Williams e Minshew2007). L'attivazione anormale nel giro frontale inferiore sinistro (compresa l'area di Broca) e nel giro temporale superiore del giro temporale (cioè l'area di Wernicke) sono state comunemente riportate nell’autismo. I pazienti autistici mostrano un'attivazione anormale delle regioni cerebrali parietali e regioni cerebrali occipitali, associate all'immaginazione visiva, per comprensione di frasi che non invitano all'immaginazione visiva (Dichter 2012). Questi risultati suggeriscono una strategia di elaborazione che più dipendente dalla visualizzazione per supportare la comprensione del linguaggio. In sintesi, i risultati rsfMRI riflettono aspetti importanti della disfunzione di rete associati con socio-comunicativo, cognitivo, e disturbi motori sensoriali in ASD.

La tomografia a emissione di positroni (PET) e la tomografia a emissione di fotoni singoli (SPECT) forniscono mezzi sensibili per tracciare processi biochimici e molecolari nell'ASD. Da uno studio è emersa una riduzione del trasportatore di serotonina nella corteccia cingolata anteriore e cortecce cingolate posteriori di adulti autistici, correlata con compromissione in cognizione sociale, mentre la riduzione del legame nel talamo era correlata con comportamento ripetitivo o ossessivo (Nakamura et al. 2010). 

I bambini e gli adolescenti con autismo mostrano aree di anormale integrità della materia bianca rispetto ai soggetti TD. I rapporti di FA diminuita includono le strutture della materia bianca nei lobi frontali e temporali sinistri (Ke et al. 2009), fascicolo longitudinale inferiore (ILF, che comprende la area faccia fusiforme destra), fascicolo longitudinale superiore (SLF), e corpo calloso/cingolo (Jou et al. 2011). Anomalie nella materia bianca organizzazione della materia bianca in ASD sono stati trovati a persistere in età adulta. Regioni di FA diminuita nel corpo calloso del frontale e lobi temporali sono stati riportati in partecipanti con età che vanno da bambini più grandi e adolescenti agli adulti (Keller et al. 2007; Alexander et al. 2007). Questi risultati sono stati presi come prova che le anomalie della materia bianca possono costituire la base biologica della diminuita connettività funzionale negli adulti con autismo. Tuttavia, un'apparente tendenza alla normalizzazione della maturazione della materia bianca nel corso del tempo è stata segnalata, possibilmente contabilizzando i miglioramenti comportamentali spesso osservati nell'autismo ad alto funzionamento (Bakhtiari et al. 2012). 

Un corpo crescente della letteratura DTI fornisce prove di compromissione della connettività neurale nel corpo calloso/cingolo e nei lobi temporali che interessano le principali fibre note per collegare i nodi chiave coinvolti nel volto emotivo, nel linguaggio e nel funzionamento esecutivo. Gli studi DTI sembrano suggerire che menomazioni nell'integrità della materia bianca possono essere alla base della ridotta coordinamento dell'attività tra le regioni del cervello, dando origine al nucleo caratteristiche dell'ASD. Questi risultati sono stati interpretati come prova che l'elaborazione del linguaggio dell'emisfero sinistro non funzioni in modo efficiente nell'autismo. La compromissione della attivazione della cosiddetta "rete della teoria della mente" (solco temporale superiore, giro frontale mediale, polo temporale destro) nell'ASD è stato dimostrato utilizzando PET con stimoli di animazioni di triangoli che eseguivano movimenti interagiti che evocavano interpretazioni sociali.

I risultati di questi approcci nell'ASD indicano un'alterazione della connettività cerebrale come una caratteristica chiave della sua fisiopatologia. I risultati misti del neuroimaging suggeriscono una diversa architettura delle reti neurali nel cervello degli individui con ASD, dove patologiche connessioni probabilmente coesistono con riorganizzazione compensatoria di reti anatomiche e funzionali. Recentemente, studi multicentrici sono stati progettati per identificare i biomarcatori di progressione ASD per migliorare la comprensione della neurobiologia della malattia. Anche se al momento manca ancora un marcatore di imaging diagnostico, le recenti tecniche di neuroimaging rivelano significativi cambiamenti funzionali e cambiamenti funzionali e microstrutturali nel cervello di bambini e adulti autistici. Questo evidenzia l'importanza di un uso sinergico e integrato di molteplici modalità di imaging per ottenere nuove informazioni sulla fisiopatologia dell'ASD, la cui diagnosi rimane clinica. In sintesi, il neuroimaging fornisce uno sguardo allettante nel neurofisiologico base di ASD, rivelando informazioni preziose per l'elaborazione di nuove strategie per ulteriori indagini di questi disturbi.

Bibliografia 

Alexander AL, Lee JE, Lazar M, Boudos R, DuBray MB, Oakes TR et al (2007) Diffusion tensor imaging of the corpus callosum in autism. Neuroimage 34:61–73PubMedView Article

Anagnostou E, Taylor MJ (2011) Review of neuroimaging in autism spectrum disorders: what have we learned and where we go from here. Mol Autism 2:4PubMed CentralPubMedView Article

Bakhtiari R, Zurcher NR, Rogier O, Russo B, Hippolyte L, Granziera C et al (2012) Differences in white matter reflect atypical developmental trajectory in autism: a tract-based Spatial Statistics study. Neuroimage Clin 1:48–56PubMed CentralPubMedView Article

Brambilla P, Hardan A, di Nemi S, Perez J, Soares J, Barale F (2003) Brain anatomy and development in autism: review of structural MRI studies. Brain Res Bull 61:557–569PubMedView Article 

Brieber S, Neufang S, Bruning N, Kamp-Becker I, Remschmidt H, Herpertz-Dahlmann B et al (2007) Structural brain abnormalities in adolescents with autism spectrum disorder and patients with attention deficit/hyperactivity disorder. J Child Psychol Psychiatr 48:1251–1258View Article 

Cauda F, Costa T, Palermo S, D’Agata F, Diano M, Bianco F et al (2014) Concordance of white matter and gray matter abnormalities in autism spectrum disorders: a voxel-based meta-analysis study. Hum Brain Mapp 35:2073–2098PubMedView Article

Chen R, Jiao Y, Herskovits EH (2011) Structural MRI in autism spectrum disorder. Pediatr Res 69:63R–68RPubMed CentralPubMedView Article

Dennis EL, Thompson PM (2013) Typical and atypical brain development: a review of neuroimaging studies. Dialogues Clin Neurosci 15:359–384PubMed CentralPubMed

Dichter GS (2012) Functional magnetic resonance imaging of autism spectrum disorders. Dialogues Clin Neurosci 14:319– 330PubMed CentralPubMed

DiMartino A, Ross K, Uddin L, Sklar AB, Castellanos FX, Milham MP (2009) Functional brain correlates of social and non-social processes in autism spectrum disorders: an ALE meta-analysis. Biol Psychiatr 65:63–74View Article

Hardan AY, Muddasani S, Vemulapalli M, Keshavan MS, Minshew NJ (2006) An MRI study of increased cortical thickness in autism. Am J Psychiatr 163:1290–1292PubMed CentralPubMedView Article 

Heeger DJ, Rees D (2002) What does fMRI tell us about neuronal activity? Nat Neurosci 3:142–151View Article 

Jou RJ, Jackowski AP, Papademetris X, Rajeevan N, Staib L, Volkmar FR (2011) Diffusion tensor imaging in autism spectrum disorders: Preliminary evidence of abnormal neural connectivity. Aust N Z J Psychiatr 45:153–162View Article

Ke X, Tang T, Hong S, Hang Y, Zou B, Li H et al (2009) White matter impairments in autism, evidence from voxel-based morphometry and diffusion tensor imaging. Brain Res 1265:171– 177PubMedView Article 

Keller TA, Kana RK, Just MA (2007) A developmental study of the structural integrity of white matter in autism. Neuroreport 18:23– 27PubMedView Article

Kwon H, Ow AW, Pedatella KE, Lotspeich LJ, Reiss AL (2004) Voxel-based morphometry elucidates structural neuroanatomy of high-functioning autism and Asperger syndrome. Dev Med Child Neurol 46:760–764PubMedView Article

Nakamura K, Sekine Y, Ouchi Y, Tsujii M, Yoshikawa E, Futatsubashi M et al (2010) Brain serotonin and dopamine transporter bindings in adults with high-functioning autism. Arch Gen Psychiatr 67:59–68PubMedView Article

Nickl-Jockschat T, Habel U, Michel TM, Manning J, Laird AR, Fox PT et al (2012) Brain structure anomalies in autism spectrum disorder–a meta-analysis of VBM studies using anatomic likelihood estimation. Hum Brain Mapp 33:1470–1489PubMedView Article

Stigler KA, McDonald BC, Anand A, Saykin AJ, McDougle CJ (2011) Structural and functional magnetic resonance imaging of autism spectrum disorders. Brain Res 1380:146–161PubMed CentralPubMedView Article

Williams DL, Minshew NJ (2007) Understanding autism and related disorders: what has imaging taught us? Neuroimaging Clin N Am 17:495–509PubMed CentralPubMedView Article.

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