Proactive and reactive inhibition during overt and covert actions. An electrical neuroimaging study.

Response inhibition is the ability to suppress inadequate but automatically activated, prepotent or ongoing response tendencies. In the framework of motor inhibition, two distinct operating strategies have been described: “proactive” and “reactive” control modes. In the proactive modality, inhibition is recruited in advance by predictive signals, and actively maintained before its enactment. Conversely, in the reactive control mode, inhibition is phasically enacted after the detection of the inhibitory signal. To date, ample evidence points to a core cerebral network for reactive inhibition comprising the right inferior frontal gyrus (rIFG), the presupplementary motor area (pre-SMA) and the basal ganglia (BG). Moreover, fMRI studies showed that cerebral activations during proactive and reactive inhibition largely overlap. These findings suggest that at least part of the neural network for reactive inhibition is recruited in advance, priming cortical regions in preparation for the upcoming inhibition. So far, proactive and reactive inhibitory mechanisms have been investigated during tasks in which the requested response to be stopped or withheld was an “overt” action execution (AE) (i.e., a movement effectively performed). Nevertheless, inhibitory mechanisms are also relevant for motor control during “covert actions” (i.e., potential motor acts not overtly performed), such as motor imagery (MI). MI is the conscious, voluntary mental rehearsal of action representations without any overt movement. Previous studies revealed a substantial overlap of activated motor-related brain networks in premotor, parietal and subcortical regions during overtly executed and imagined movements. Notwithstanding this evidence for a shared set of cerebral regions involved in encoding actions, whether or not those actions are effectively executed, the neural bases of motor inhibition during MI, preventing covert action from being overtly performed, in spite of the activation of the motor system, remain to be fully clarified. Taking into account this background, we performed a high density EEG study evaluating cerebral mechanisms and their related sources elicited during two types of cued Go/NoGo task, requiring the execution or withholding of an overt (Go) or a covert (MI) action, respectively. The EEG analyses were performed in two steps, with different aims: 1) Analysis of the “response phase” of the cued overt and covert Go/NoGo tasks, for the evaluation of reactive inhibitory control of overt and covert actions. 2) Analysis of the “preparatory phase” of the cued overt and covert Go/NoGo EEG datasets, focusing on cerebral activities time-locked to the preparatory signals, for the evaluation of proactive inhibitory mechanisms and their related neural sources. For these purposes, a spatiotemporal analysis of the scalp electric fields was applied on the EEG data recorded during the overt and covert Go/NoGo tasks. The spatiotemporal approach provide an objective definition of time windows for source analysis, relying on the statistical proof that the electric fields are different and thus generated by different neural sources. The analysis of the “response phase” revealed that key nodes of the inhibitory circuit, underpinning inhibition of the overt movement during the NoGo response, were also activated during the MI enactment. In both cases, inhibition relied on the activation of pre-SMA and rIFG, but with different temporal patterns of activation in accord with the intended “covert” or “overt” modality of motor performance. During the NoGo condition, the pre-SMA and rIFG were sequentially activated, pointing to an early decisional role of pre-SMA and to a later role of rIFG in the enactment of inhibitory control of the overt action. Conversely, a concomitant activation of pre-SMA and rIFG emerged during the imagined motor response. This latter finding suggested that an inhibitory mechanism (likely underpinned by the rIFG), could be prewired into a prepared “covert modality” of motor response, as an intrinsic component of the MI enactment. This mechanism would allow the rehearsal of the imagined motor representations, without any overt movement. The analyses of the “preparatory phase”, confirmed in both overt and covert Go/NoGo tasks the priming of cerebral regions pertaining to putative inhibitory network, reactively triggered in the following response phase. Nonetheless, differences in the preparatory strategies between the two tasks emerged, depending on the intended “overt” or “covert” modality of the possible incoming motor response. During the preparation of the overt Go/NoGo task, the cue primed the possible overt response programs in motor and premotor cortex. At the same time, through preactivation of a pre-SMA-related decisional mechanism, it triggered a parallel preparation for the successful response selection and/or inhibition during the subsequent response phase. Conversely, the preparatory strategy for the covert Go/NoGo task was centred on the goal-oriented priming of an inhibitory mechanism related to the rIFG that, being tuned to the instructed covert modality of the motor performance and instantiated during the subsequent MI enactment, allowed the imagined response to remain a potential motor act. Taken together, the results of the present study demonstrate a substantial overlap of cerebral networks activated during proactive recruitment and subsequent reactive enactment of motor inhibition in both overt and covert actions. At the same time, our data show that preparatory cues predisposed ab initio a different organization of the cerebral areas (in particular of the pre-SMA and rIFG) involved with sensorimotor transformations and motor inhibitory control for executed and imagined actions. During the preparatory phases of our cued overt and covert Go/NoGo tasks, the different adopted strategies were tuned to the “how” of the motor performance, reflecting the intended overt and covert modality of the possible incoming action.

Structural and cellular characterization of Idiopathic Pulmonary Fibrosis

La Fibrosi Polmonare Idiopatica (IPF) è una malattia polmonare cronica, irreversibile la cui eziologia risulta essere ignota, caratterizzata da un processo fibrotico progressivo che inizia nel tratto respiratorio inferiore. Le persone affette da IPF presentano età media compresa tra 55 e 77 anni. L’incidenza annuale di IPF è stata recentemente stimata tra 14 e 42,7 casi per 100.000 persone e tale dato risulta essere in aumento. IPF fa parte delle malattie Polmonari Idiopatiche Interstiziali (IIP) che comprendono patologie con quadri istologici e clinici differenti. Le affezioni su cui si concentrerà questo studio sono: UIP (Usual Interstitial Pneumonia) caratterizzata da fibrosi interstiziale e dalla presenza di foci fibrotici connessi alla pleura e corrispondente al quadro anatomopatologico della maggior parte dei casi di IPF; NSIP (Non Specific Interstitial Pneumonia) simile alla UIP ma con maggiore uniformità temporale e spaziale delle manifestazioni; Sarcoidosi, malattia granulomatosa ad eziologia ignota. Attualmente la gravità della IPF, che implica una mortalità del 50% dei pazienti a 5 anni dall’esordio, e la scarsa efficacia farmacologica nel rallentarne la progressione vedono il trapianto polmonare come unica possibilità di sopravvivenza nelle forme più severe. Al momento non è chiaro il meccanismo patogenetico di insorgenza e progressione della IPF anche se sono stati individuati alcuni fattori scatenanti quali fumo di sigaretta, infezioni respiratorie e inquinanti atmosferici; tuttavia nessuno di tali elementi può da solo determinare un così esteso e progressivo rimodellamento del parenchima polmonare. Numerose sono le evidenze di come il substrato genetico, le alterazioni del rapporto morte/proliferazione cellulare e le citochine svolgano un ruolo nella genesi e nella progressione della malattia, ma non sono ancora chiari i fenomeni biologico-cellulari che la sostengono e, quindi, quali siano i punti di attacco per poter incidere terapeuticamente nel modificare l’evoluzione della IPF. Poiché il nostro laboratorio ha partecipato alla scoperta dell’esistenza di cellule staminali nel polmone umano normale, uno degli obiettivi finali di questo progetto si basa sull’ipotesi che un’alterazione del compartimento staminale svolga un ruolo cruciale nella eziopatogenesi di IPF. Per questo in precedenti esperienze abbiamo cercato di identificare nella IPF cellule che esprimessero antigeni associati a staminalità quali c-kit, CD34 e CD133. Questo lavoro di tesi si è proposto di condurre un’indagine morfometrica ed immunoistochimica su biopsie polmonari provenienti da 9 pazienti affetti da UIP, 3 da NSIP e 5 da Sarcoidosi al fine di valutare le alterazioni strutturali principali imputabili alle patologie. Preparati istologici di 8 polmoni di controllo sono stati usati come confronto. Come atteso, è stato osservato nelle tre patologie esaminate (UIP, NSIP e Sarcoidosi) un significativo incremento nella sostituzione del parenchima polmonare con tessuto fibrotico ed un ispessimento dei setti alveolari rispetto ai campioni di controllo. L’analisi dei diversi pattern di fibrosi presenti fa emergere come vi sia una netta differenza tra le patologie con una maggiore presenza di fibrosi di tipo riparativo e quindi altamente cellulata nei casi di UIP, e NSIP mentre nelle Sarcoidosi il pattern maggiormente rappresentato è risultato essere quello della fibrosi replacement o sostitutiva. La quantificazione delle strutture vascolari è stata effettuata tenendo separate le aree di polmone alveolare rispetto a quelle occupate da focolai sostitutivi di danno (componente fibrotica). Nei campioni patologici analizzati era presente un significativo riarrangiamento di capillari, arteriole e venule rispetto al polmone di controllo, fenomeno principalmente riscontrato nel parenchima fibrotico. Tali modifiche erano maggiormente presenti nei casi di NSIP da noi analizzati. Inoltre le arteriole subivano una diminuzione di calibro ed un aumento dello spessore in special modo nei polmoni ottenuti da pazienti affetti da Sarcoidosi. Rispetto ai controlli, nella UIP e nella Sarcoidosi i vasi linfatici risultavano inalterati nell’area alveolare mentre aumentavano nelle aree di estesa fibrosi; quadro differente si osservava nella NSIP dove le strutture linfatiche aumentavano in entrambe le componenti strutturali. Mediante indagini immunoistochimiche è stata documentata la presenza e distribuzione dei miofibroblasti, positivi per actina muscolare liscia e vimentina, che rappresentano un importante componente del danno tissutale nella IPF. La quantificazione di questo particolare fenotipo è attualmente in corso. Abbiamo inoltre analizzato tramite immunoistochimica la componente immunitaria presente nei campioni polmonari attraverso la documentazione dei linfociti T totali che esprimono CD3, andando poi a identificare la sottopopolazione di T citotossici esprimenti la glicoproteina CD8. La popolazione linfocitaria CD3pos risultava notevolmente aumentata nelle tre patologie analizzate soprattutto nei casi di UIP e Sarcoidosi sebbene l`analisi della loro distribuzione tra i vari distretti tissutali risultasse differente. Risultati simili si sono ottenuti per l`analisi dei linfociti CD8pos. La componente monocito-macrofagica è stata invece identificata tramite la glicoproteina CD68 che ha messo in evidenza una maggiore presenza di cellule positive nella Sarcoidosi e nella UIP rispetto ai casi di NSIP. I dati preliminari di questo studio indicano che il rimodellamento strutturale emo-linfatico e cellulare infiammatorio nella UIP si differenziano rispetto alle altre malattie interstiziali del polmone, avanzando l’ipotesi che il microambiente vascolare ed immunitario giochino un ruolo importante nella patogenesi della malattia