Jean Pellet, Marie-Françoise Tardy, Françoise Harlay, Simone Dubrocard,

1. ATTIVITA’ SPONTANEA DELLE CELLULE DI PURKINJE NEL “GATTO CRONICO”: UNO STUDIO STATISTICO DEGLI SPIKES COMPLESSI Jean Pellet, Marie-Françoise Tardy, Françoise Harlay, Simone Dubrocard, Jean-Claude Gilhodes (1974)

2. Il circuito elementare del cervelletto Strato molecolare Corteccia cerebellare Strato gangliare Strato granulare

3. Un po’ di anatomia • L’organizzazione funzionale della corteccia cerebellare : CELLULE DI PURKINJE

4. 2 TIPI DI AFFERENZE ECCITATRICI: Via delle fibre parallele (FM-FP) spikes semplici (SS) Via delle fibre rampicanti (FG) spikes complessi (SC)

5. SS FM-FP Cellula P FG SC L’ipotesi è che le fibre FM-FP costituirebbero un sistema tonico implicato nel controllo posturale, mentre le FG un sistema fasico che interviene nello scatto o arresto dei movimenti rapidi e balistici. Per testare questa ipotesi sono stati intrapresi studi sull’attività cronica degli SS e SC delle cellule P nel gatto.

7. Metodi • 6 gatti sono stati anestetizzati • Il cranio è stato trapanato nella regione del vermis dorsale • Microelettrodi bipolari di tg impiantati a profondità variabili nei lobuli V e VI misurazione attività cellulare registrazione l’ECoG, l’EOG e l’EMG nucale. (i lobuli V e VI scelti perché intervengono nella regolazione dell’attività della testa e degli occhi; i movimenti oculari e l’attività tonica dei muscoli estensori della nuca sono i migliori indici degli stati di vigilanza) • L’identificazione delle cellule P grazie all’osservazione all’oscilloscopio dei 2 tipi di spikes

8. STATI DI VIGILANZA PRESI IN CONSIDERAZIONE: • Veglia attiva (HV) periodi di esplorazione con attività motoria e periodi di allerta senza attività globali. • Veglia calma (V) immobile con persistenza di un tono muscolare elevato • Sonno ad onde lente (SL) assenza movimenti oculari • Sonno paradossale (SP) movimenti oculari rapidi (sonno REM) e caduta completa del tono posturale, elettrofisiologicamente simile alla veglia

9. Accertamento dei dati e trattamento statistico • Selezione sequenze di attività di SS e SC al momento dei periodi stabili degli stati di vigilanza in tempi differenti di 30, 60 o 90 sec. • Sull’ IBM 1130 calcolo di: • l’intervallo medio (μ) e la frequenza media (F:1/μ) degli SC • La deviazione standard (σ) e il coefficiente di variazione (σ/μ) che stimano la variabilità assoluta e relativa degli SC • Gli indici di simmetria (β1) e di acutezza (β2) che permettono di caratterizzare le HISC e di classificarle in un sistema di curve teoriche di Pearson.

10. In totale sono possibili 92 analisi che si accompagnano alla stesura manuale di istogrammi a intervalli di SC successivi (HISC). 84/92 HISC sono preparati su andamenti sia di 90 sec continui, sia ottenuti per combinazione di sequenze di 60 e (o) 30 sec.

11. Morfologia degli SS, SC e SM di una cellula di Purkinje del culmine dorsale • L’attività è registrata durante la veglia calma, a 3m/sec (a-j) e a 10 cm/sec (k) • Gli SS hanno una netta dominanza di negatività • Gli SC hanno una punta iniziale positivo-negativa senza polarità dominante, cui segue un’onda principalmente negativa con microspikes

12. Morfologia degli SS, SC e SM di una cellula di Purkinje del culmine dorsale • Effetti di precessione di uno SS rispetto a un SC per degli intervalli di interspikes (δ) che vanno da 30 a 0,5 msec (a-j) • Fino all’intervallo di 1,5 msec (g) la punta iniziale degli SC è costante • In h e soprattutto in i è ridotta inampiezza ma senza che la parte tardiva complessa sia modificata • In j risulta un SM dalla coincidenza di attivazione delle FP e FG

13. OSSERVAZIONI SUI CARATTERI DELL’ATTIVITA’ DELLE CELLULE P INDOTTA DALLE FG • L’aspetto degli SC varia in una stessa cellula da uno spike al seguente • Il numero di microspikes fluttua da 3 a 6 qualunque sia lo stato di vigilanza e indipendentemente dalla presenza degli SS • Una congiunzione della cellula P da parte delle FP e FG produce uno spike misto (SM)

14. Frequenze di scarica degli SC: frequenze medie generali e variazioni dei potenziali medi secondo lo stato di vigilanza • Su 1 sec il numero di SC fluttua da 0 a 6 • La “frequenza media generale” delle 42 cellule,calcolata da 92 misure prese durante i diversi stati di vigilanza è di 1,13/sec (estremi 0,62 e 1,73) • La “frequenza media generale” di 5 cellule del culmine presa in un tempo di 6 min (90 sec di V, 90 sec di HV, 90 sec di SL e 90 sec di SP) è di 1,13/sec • La “frequenza media generale” di 6 cellule del declivio presa è di 1,14/sec • Le frequenze medie per ogni stato di vigilanza sono stati i seguenti: HV=1,07/sec (N=12); V = 1,13/sec (N=19); SL=1,06/sec (N=17); SP=1,31/sec (N=16)

15. Variazione delle frequenze medie di SC delle cellule P in funzione degli stati di vigilanza • Variazioni delle frequenze medie (fg/sec) degli SC delle cellule P derivate dal lobulo dorsale del vermis anteriore (A) e del vermis posteriore (B) durante gli stati comportamentali (HV, V, SL, SP)

16. Variazione delle frequenze medie di SC delle cellule P in funzione degli stati di vigilanza • Evoluzione delle frequenze degli SC delle cellule del vermis anteriore e posteriore al momento della transizione da SL a SP (C) • N° di cellule che aumentano o diminuiscono la frequenza media di SC da uno stato di vigilanza a un altro contiguo (D1) • Media generale stato per stato e loro evoluzione da uno stato all’altro (D2) (le valutazioni delle frequenze sono fatte sequenze di 90 sec)

17. QUINDI Valutati sulla totalità delle misure delle 42 cellule, i valori mediani e medi dei tassi degli SC per ogni stato comportamentale, confermano: - l’assenza di variazione dei tassi di attività tra i 2 stati di veglia • Il leggero abbassamento dell’attività dalla veglia all’ SL • La presenza di un massimo di frequenza durante l’SP

18. Studio sequenziale dei tassi di scarica degli SC di più cellule P durante il sonno • Ancora una volta il tasso di attività è più alto durante l’SP poiché tutte le medie parziali sono superiori durante questo stato di sonno • La variazione di frequenza è più grande durante l’SP (1,8/sec e 0,6/sec), mentre la più grande stabilità è durante l’SL (1,1/sec e 1,3/sec)

19. Evoluzione dei tassi di scarica degli SC di una cellula del culmine del vermis anteriore registrata sui 2 cicli veglia-sonno • La frequenza di SC è stata calcolata in 1 min per ogni stato • Sui 2 cicli veglia-sonno (SP-V-SL-SP) i tassi medi di scarica si gerarchizzano secondo l’ordine: SP>V>SL • tuttavia se il tasso di attività di SP è sempre superiore a V e SL, si riscontra al contrario che si può avere da un ciclo all’altro SL>V

20. Confronto delle frequenze medie degli SC durante l’SL, l’SP tonico e l’SP fasico L’aumento di frequenza degli SC durante l’SP è da collegare alle manifestazioni toniche o fasiche dell’SP? Per rispondere: • conta degli SC di 20 cellule durante 1-2 min di SP ritagliati in sequenze di 6 sec. n° sequenze fasiche = n° sequenze toniche (FIG.4A) • Calcolo per ogni cellula di 2 frequenze medie: una caratterizzante l’SPT l’altra l’SPP • Le 2 frequenze medie vengono comparate con la frequenza media su 90 sec dell’SL (FIG.4B)

21. FIG4B FIG 4A

22. MEDIE GENERALI: 1,05/sec per l’SL 1,15/sec per l’SPT 1,40/sec per SPP L’aumento dei tassi di SC di tutte le cellule è constatato tra SL e SPP Su 20 cellule, 18 presentano durante l’SPP una frequenza di SC superiore a quella dell’SPT LA FREQUENZA AUMENTA CON LE MANIFESTAZIONI MUSCOLARI FASICHE

23. Organizzazione delle sequenze di SC nel gatto Dall’osservazione degli andamenti di scarica delle cellule P si è arrivati a dedurre che frequenza bassa e variabilità degli SC fossero i caratteri essenziali dell’attività indotta dalle FG, qualunque fosse lo stato comportamentale VALUTIAMO NUMERICAMENTE QUESTA VARIABILITA’

24. DURATA DEGLI INTERVALLI TRA GLI SC: • Gli intervalli di interspike medi (μ) variano da 500 a 1500 msec (FIG6) • I valori più frequenti di μ sono tra 900 e 1100 msec • I valori modali degli intervalli di interspikes sono stati determinati sull’HISC (FIG5B) • VARIABILITA’ ASSOLUTA: • In base alle cellule, lo scarto tipico degli intervalli di interspike fluttua da 450 a 1070 • I valori di σ più frequenti si situano tra 500 e 700 msec (FIG6) • La variabilità assoluta non è identica in tutti gli stati comportamentali • Confrontando le medie di σ con le medie di μ : • Variabilità assoluta debolissima durante l’SP stato in cui μ è più debole • più forte durante l’SL in cui μ è più grande. • intermedia al momento di V e HV • LA VARIABILITA’ ASSOLUTA NEGLI ANDAMENTI DELL’SC TENDE • AD AUMENTARE LINEARMENTE QUANDO μ AUMENTA E QUANDO LA • FREQUENZA MEDIA DI SCARICA DIMINUISCE

25. VARIABILITA’ RELATIVA: • La variabilità dipende solamente dalla frequenza (ciò spiegherebbe la differenza tra le σ medie) • o è anche funzione dei patterns propri di ogni stato? • PER RISPONDERE: • Calcolo del CV (σ/μ) per 84 misure stabilite su 90 sec di attività di 42 cellule al momento dei diversi stati di vigilanza • Nell’ipotesi (1) CV identici per tutte le situazioni comportamentali • Nell’ipotesi (2) CV varieranno da uno stato all’altro

26. Variabilità assoluta e relativa negli andamenti degli SC • HV ( ); V( ); SL( + ); SP( ) • La relazione lineare tra le 2 variabili indica che la variabilità assoluta nell’andamento degli SC aumenta quando la frequenza media diminuisce • Tutti i CV sono compresi tra 0,5 e 1 • I CV dell’HV e dell’SP si situano principalmente al di sopra della mediana (CV=0,75) • I CV di V e SL si disperdono da una parte e dall’altra della mediana

27. CIO’ MOSTRA che la variabilità relativa ovvero l’irregolarità dei patterns degli SC durante l’HV e l’SP è > di quella riscontrata per gli SC delle stesse unità durante la V e l’SL SI CONCLUDE CHE : la variabilità degli intervalli di interspikes degli SC è funzione degli stati comportamentali

28. Caratterizzazione e classificazione degli istogrammi degli intervalli tra SC (HISC) • I (1) Attività di una cellula del vermis anteriore dorsale durante la V; II Durante l’SP(>n° di SC) • (2) elettroculogramma • (3) elettrocorticogramma • III morfologia spikes • I caratteri degli HISC sono tutti unimodali • Hanno tutti tranne uno una asimmetria positiva poiché i valori di β1 sono superiori allo 0 • Asimmetria positiva e acutezza danno agli HISC una forma caratteristica

29. Esiste una relazione tra ogni valore di β1 e di μ : L’indice di obliquità (β1 ) cresce linearmente quando l’intervallo di interspike medio (μ) diminuisce. β1 μ L’indice β1 medio durante l’SP (1,8) è superiore all’indice β1 medio degli altri 3 stati (~1,3) asimmetria media più forte da collegare all’importante aumento della frequenza media di potenziali durante questo stato di sonno. F=1/μ β1 Tutte le distribuzioni stabilite durante l’SP sono tutte tranne una leptocurtiche poiché l’indice medio di acutezza (β2) è il più elevato (4,8) contro i 3,9 per gli altri 3 stati (come β1, β2 aumenta linearmente quando μ diminuisce) l’acutezza positiva che domina durante l’SP è da collegare all’aumento della frequenza di potenziale medio in questo stato di sonno. β2 μ F

30. Classificazione degli HISC • Gli HISC sono di morfologia omogenea e la classificazione nel sistema di curve teoriche di Pearson mostra che 82 degli 84 istogrammi sono di “tipo principale I” Formula del “tipo principale I di Pearson” espressione matematica dell’organizzazione sequenziale degli SC successivi di cellule P nel gatto cronico • La relazione lineare β1 e β2 è un carattere fondamentale dell’organizzazione degli andamenti degli SC

31. Conclusioni Modifiche delle frequenze di SC in funzione degli stati di vigilanza seguono la legge generale: V SL SP massimo in SPP RIDUZIONE FREQUENZA AUMENTO FREQUENZA