TIRESIA - Infn

TIRESIA
(Tecniche Innovative per la Ricerca sull’Epilessia ed i Segnali Intracorticali Associati)
3 anni
RM1-sanità, Univ. La Sapienza (Fisiologia), Neuromed (IRCCS, Venafro)
contesto: localizzazione del fuoco epilettico e predizione dell’insorgenza della crisi
storia clinica
indagini invasive
video-eeg
neuro-radiologia
zona epilettogena
esami complementari

criteri di selezione dei pazienti candidati per chirurgia
“curativa”
• epilessia parziale farmacoresistente (30-40% dei casi)
• zona epilettogena unica e stabile
• zona epilettogena resecabile
• circa 20000 pazienti attualmente elegibili in Italia
protocollo prechirurgico
• indagini “non-invasive”
• indagini “invasive”

elettrodi subdurali
indagini
invasive
elettrodi intracerebrali

elettrodi sub-durali
EEG
co-registrazione
EEG e griglia sub-durale
indagini
invasive
Ricostruzione 3D da
RM pre-impianto e TC post-impianto
un setup unico in Italia

TIRESIA
Tre gruppi: fisici (ISS), elettrofisiologi (La Sapienza), clinici (NEUROMED)
• Ricerca di base
- dinamica di popolazioni neuronali interagenti sottesa alla fenomenologia
osservata: teoria e confronto con il dato elettrofisiologico multi-scala
• Trasferimento di competenze e di tecniche
- applicazione e sviluppo di metodi per l’analisi e la predizione del segnale
- controllo automatico dell’acquisizione concorrente da video-EEG e griglie
sub-durali o elettrodi di profondità, con la gestione dei protocolli di test
psicofisici
• Ricerca e sviluppo su dispositivi di registrazione/stimolazione e sistemi di
controllo in tempo reale
- sviluppo e caratterizzazione di elettrodi intracerebrali ibridi
- implementazione hardware di algoritmi per predizione in tempo reale
- studio di fattibilità su DBS
Strutturata in tre obiettivi

Obiettivo 1
Analisi multi-scala della dinamica neuronale associata alla crisi epilettica
• analisi ed interpretazione dei dati di
attività nervosa registrati secondo le
procedure standard da pazienti
epilettici, nel contesto di task specifici
svolti nella fase di indagine
pre−chirurgica
• sviluppo e test di elettrodi 'ibridi‘ di
profondità
• analisi comparativa del segnale
nervoso acquisito su scale multiple
‘’What spatial scale(s) of synchrony
produces scalp EEG fields?
Surprisingly little research has been done
to address the question above …’’
S. Makeig 2004

P(ω)
P(ω)
Frequency
Frequency
example experimental data:
rat hippocampus slice, LFP recordings
Osservabili sperimentali confrontabili con la teoria
Predizioni teoriche sulla
interazione di popolazioni
eccitatorie e inibitorie
E external
E I
modello teorico
Mattia and Del Giudice
Phys Rev E 2002, 2004
Excitatory
resonances
Obiettivo 1
Teoria dinamica di campo medio come guida per l’analisi a)
Transmitted Inhibitory
resonances

Uncoupled model neurons:
regular firing
Coupled model
neurons:
regular firing
Obiettivo 1
Teoria dinamica di campo medio come guida per l’analisi b)
Connettività funzionale:
un esercizio in vitro
Mattia M., Giugliano, M.,
Luescher, H.R. and Del Giudice, P
2003.
Coupled model neurons:
irregular firing

NO-STOP TRIAL
STOP TRIAL
tolerance
Go-signal
Holding Time Reaction Time
Go-signal Stop-signal
SSD
Holding Time Reaction Time
Obiettivo 1
Il contesto comportamentale dell’analisi - un esempio: il paradigma “COUNTERMANDING”
Mirabella et al, 2005
Success
Failure
Failure
Success

Obiettivo 1
Elettrodi ibridi per l’analisi multi-scala del segnale nervoso
• Elettrodi di profondità:
le caratteristiche elettriche e geometriche dei
contatti determinano un ‘volume efficace’ di
raccolta del segnale nervoso
• Sviluppo e test di elettrodi 'ibridi‘ di profondità per
StereoEEG con contatti di diversa impedenza:
accesso a diverse componenti in frequenza del
segnale e diverse dimensioni della regione
efficace da cui si registra l'attività nervosa
accordi con Alcis (Fr) per sviluppo e test
prototipo pilota
(co-progettato dal partner univ.
RM1)

Obiettivo 2
applicazione e sviluppo di strumenti di analisi del segnale composto
• adattamento e porting di tecniche per l'analisi del segnale EEG al segnale acquisito
da griglia e da stereo-EEG (in particolare 'Independent Component Analysis’)
• studio della relazione tra il comportamento inter−critico delle cosiddette 'aree
irritative', (‘punte’) e l'attività dell'area epilettogena
• predizione a breve termine dell'insorgenza della crisi.
ICA ‘convolutiva’
J.Anemueller, T.J. Sejnowski, S. Makeig

Obiettivo 2
sviluppo di algoritmi predittivi della crisi epilettica
Una fase preliminare di analisi critica dei (molti) metodi proposti recentemente
Una opzione che esploreremo: Echo State Neural network
segnale predetto
Jaeger-Haas, Science 2004
assegnazione di probabilità di crisi
una variante basata sulla dinamica di neuroni spiking (‘liquid state machine’)
è adatta alle implementazioni VLSI già realizzate dal gruppo proponente

Obiettivo 3
studio di fattibilità per un sistema autonomo di anticipazione e controllo della crisi epilettica
stimolazione ‘blind’ vs stimolazione ‘closed loop’
a) dispositivo di acquisizione del segnale nervoso
dalla zona epilettogena
(in prospettiva, cronicamente impiantato)
b) implementazione hardware degli algoritmi di
l'estrazione di feature dal segnale, e l'eventuale
predizione della crisi
c) attivazione di una stimolazione (attraverso gli
stessi dispositivi utilizzati in acquisizione, siano essi
elettrodi di profondità o griglie subdurali) per il
controllo preventivo della crisi.
Idea non nuova…
rinnovato interesse grazie a:
1. Capacità di elaborazione e controllo in tempo reale
2. Capacità di miniaturizzazione
3. Successo clinico nel Parkinson
DBS
1972

egistrazione
predizione e controllo della crisi epilettica
stimolazione
riconoscimento di pattern anticipatori della crisi
Obiettivo 2 + Obiettivo 3
Georgia Institute of Technology

Dipartimento di Fisiologia Università ‘La Sapienza’:
Stefano Ferraina, prof. ord. (40%), Pierpaolo Pani, dottorando (60%), Giovanni
Mirabella, ass. ric. (30%) (Odysseas Papazachariadis, laureando (100%))
Neuromed:
Giancarlo Di Gennaro aiuto (30%), Pierpaolo Quarato, aiuto (30%), Vincenzo
Esposito, prof. ass. La Sapienza, primario neurochirurgia (30%), Fabio
Sebastiano, borsista (50%).
Roma1-sanità:
preventivo globale di
spesa per il 2006: 12 k€
Persone coinvolte e richieste finanziarie
Paolo Del Giudice, I ric ISS (60%), Maurizio Mattia, ric (60%), Massimiliano
Giulioni, dottorando TOV (40%), ), Mauro Grigioni, I ric ISS (30%), Gaetano
Salina, I ric INFN (RM2, 30%), (Vittorio Dante, CTER ISS (40%), )