le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienza

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www.comascience.org Le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienza UROETICA: LE NEUROSCIENZE CONTRANO LE ALTRE DISCIPLINE contri su Neuroscienze e Societa’, I Edizione dova, 4-6 Maggio 2011 drea Soddu sics PhD a Science Group lotron Research Center versity of Liège gium

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di Andrea Soddu Physics PhD Coma Science Group Cyclotron Research Center University of Liège Belgium Convegno "Le neuroscienze incontrano le altre discipline" Padova, Palazzo del Bo 5 maggio 2011 Il convegno è promosso dall’Università di Padova e dal Dipartimento di Psicologia generale della stessa università, con il sostegno della Fondazione Sigma Tau e della Fondazione Giannino Bassetti.

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Page 1: Le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienza

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Le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienzaNEUROETICA: LE NEUROSCIENZE INCONTRANO LE ALTRE DISCIPLINEIncontri su Neuroscienze e Societa’,III EdizionePadova, 4-6 Maggio 2011

Andrea Soddu

Physics PhD Coma Science GroupCyclotron Research CenterUniversity of LiègeBelgium

Page 2: Le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienza

www.comascience.org

Boundary of Consciousness: Resting metabolism

Laureys et al., Lancet Neurology, 2004 (sleep data from Pierre Maquet; anesthesia data from Mike Alkire)

Active functional neuro-imaging might reveal subclinical command following

Active functional neuro-imaging might reveal subclinical command following

Eye pursuitCommand following Eye pursuitCommand following

General Anesthesia

Level of Consciousness: Wakefulness

Locked-in Syndrome

Healthy Controls

REM sleep

Deep sleep

Minimal Conscious State

Vegetative State

Con

ten

t of

Con

scio

usn

ess:

Aw

are

ness

Brain Death

Eye opening Eye opening

Communication Communication

Brain Computer Interface (EEG – fMRI)

Brain Computer Interface (EEG – fMRI)

COMA

Page 3: Le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienza

www.comascience.orgDemertzi et al. Prog Brain Res 2009

n=2059

Do you think patients in a ... can feel pain?... VS/UWS

... MCS

PROFESSION RELIGION Attitudes towards pain N=2059

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disorders of consciousness | behavioural evaluation | electrophysiology | neuroimaging | methods, ethics & quality of life | perspectives

Laureys et al., Neuroimage, 2002

Laureys, Nature Reviews Neuroscience, 2006

Do they feel pain ?

Low level disconnected cortical activation

Painful stimulation

Page 5: Le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienza

www.comascience.orgBoly et al Lancet Neurology, 2008

disorders of consciousness | behavioural evaluation | electrophysiology | neuroimaging | methods, ethics & quality of life | perspectives

Pain in minimally conscious state

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Reflex versus voluntary

Page 7: Le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienza

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Neuroimaging

1. Brain activation studies passive paradigms active paradigms

2. Resting state studies

Page 8: Le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienza

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disorders of consciousness | behavioural evaluation | electrophysiology | neuroimaging | methods, ethics & quality of life | perspectives

Do they hear anything?

Laureys et al., Brain, 2000

Boly et al, Archives of Neurology, 2004

click click click

Page 9: Le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienza

www.comascience.orgLaureys et al., Neurology, 2004

Emotional processing in MCS

Page 10: Le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienza

www.comascience.orgOwen, Coleman, Boly, Davis, Laureys and Pickard, Science, 2006

Active fMRI in vegetative state

Soddu et al, PBR 2009

Navigation Imagery

Execute the task(awake)

Do not executethe task(awake)

Execute the task(awake)

Control

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disorders of consciousness | behavioural evaluation | electrophysiology | neuroimaging | methods, ethics & quality of life | perspectives

Monti & Vanhaudenhuyse, Coleman, Boly, Pickard, Tshibanda, Owen, LaureysNew England J Med 2010

YES-NO communication with fMRI

Imagine playing tennis to answer YESImagine navigating to answer NO

VS TBI

VS TBI VS TBI

VS TBI

MCS TBIHealthy Control

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disorders of consciousness | behavioural evaluation | electrophysiology | neuroimaging | methods, ethics & quality of life | perspectives

“Awareness network”

Laureys et al, NeuroImage 1999; Laureys, Trends in Cognitive Sciences 2005

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disorders of consciousness | behavioural evaluation | electrophysiology | neuroimaging | methods, ethics & quality of life | perspectives

Automated awareness classifier

Phillips et al, NeuroImage 2010

“ Support Vector Machine” classifiers

Page 14: Le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienza

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“A resting brain ...”

Vanhaudenhuyse, Demertzi et al, J Cogn Neurosci, 2011

Page 15: Le tecniche di neuroimaging nell’intricato mondo dei gravi disturbi della coscienza

www.comascience.orgMcKeon et al. 1998

+ + +...

Method: spatial-ICA

space

tim e

spacecomponents

com

pone

nts

tim e

Z12

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disorders of consciousness | behavioural evaluation | electrophysiology | neuroimaging | methods, ethics & quality of life | perspectives

Should we trust ICA ?

… …

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disorders of consciousness | behavioural evaluation | electrophysiology | neuroimaging | methods, ethics & quality of life | perspectives ‘‘DMN Connectivity’’

LIS 2

MCS

VS 2

VS 4

R L

R L

R L

R L

R L

R L

R L

R L

Soddu et al, accepted in Human Brain Mapping;

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disorders of consciousness | behavioural evaluation | electrophysiology | neuroimaging | methods, ethics & quality of life | perspectives

Bruno, Fernández-Espejo et al, accepted to PBR

Multimodal Imaging

Honey et al. 2010

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End-of-life decisions in DOCs

N=2475 EU health-care professionalsSeptember 2007 -October 2009

59 meetings

Demertzi et al. J Neurol 2011

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Conclusions“The more the merrier”

“When it’s only the brain to say I’m here”

YES NOOR

“May I say a word”

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ThanksPhD candidates:

Marie-Aurélie BrunoOlivia GosseriesAthena DemertziCamille ChatelleMarie ThonnardVictor CologanJean-Floris Tshibanda MDPierre Boveroux MDMuriel Kirsch MDAudrey Maudoux MDIsabelle Lutte MD

PhDs: Audrey Vanhaudenhuyse

Melanie Boly MDDidier Ledoux MD Caroline Schnakers Quentin Noirhomme EngineeringAndrea Soddu PhysicsMohammed Bahri PhysicsBetina Sorger MaastrichtDorothée Lulé Tubingen

Visiting fellows: Natalia Lapitskaia, Remy Lehembre, Jonathan Orban, Francisco Gomez…

Collaborations: Cambridge Owen & Pickard et al NY N Schiff, J Fins, J Giacino Milano M Massimini et al Wisconsin G Tononi et al Tubingen & Wurzburg A Kübler Paris L Puybasset et al Hangzou China H Di Salzburg M Schabus Lyon F Perrin Weizmann R Malach et al Naples M Papa