Studio delle reti cerebrali coinvolte nell'elaborazione musicale in soggetti sani e pazienti parkinsoniani, prima e dopo musicoterapia

This dissertation summarises the result of a research activity carried out during an 11 month internship at the U. O. C. Neurophysiopathology Department of the Fondazione IRCCS Ca' Granda Ospedale Maggiore Policlinico di Milano. In this department, on a group of Parkinsonian patients followed, a music therapy activity for cognitive-motor rehabilitation was carried out, whose use has been widely spread in recent years in several countries around the world to support the pharmacological treatment of neurodegenerative diseases. The World Federation of Music Therapy (WFMT) defines music therapy as the professional use of music and its elements as an intervention in medical environments, to optimise their quality of life and improve health and physical, social, communicative, emotional, intellectual and spiritual well-being. Neurodegenerative diseases involve a series of conditions (or disorders) that affect the brain causing a chronic and selective process of neuron degeneration. One of the most common pathologies is Parkinson's disease, it is part of a group of pathologies called "Movement Disorders"; and it is a neurodegenerative disease with slow but progressive evolution, which involves, mainly, the control of movements and stability. Pharmacological therapy, the only one used on a large scale, does not cure the disease; the chronicity of the difficulty of movement, therefore, is unstoppable. The undesirable side effects caused and the addiction, suggests the need to integrate this therapy with other complementary ones such as music therapy. The aim of this research work is to verify the effect of different types of music on neuronal mechanisms, in two different age control groups and in patients with Parkinson's disease, before and after music therapy, evaluating the influence on brain mechanisms involved in the processing of music. The "communication" and exchange of information between the different brain regions represent an area of great scientific interest in the field of neuroscience and the study of brain activity has shown that the different neuronal regions interact with each other forming a complex network of connections. This is generally called: connectivity study, which is based on the concept of causality introduced in 1969 by Clive Granger. The variations analyzed in this research project, are significant variations of neuronal networks in terms of connectivity, carried out after performing the analysis using the Granger Causality Analysis (GCA). The starting point of the work are the EEG data acquired from the U. O. C. Neurophysiopathology. The study was based on the data collected for patients undergoing music therapy (Pre and Post Therapy). Additional recordings from healthy subjects were used to obtain a control group data set. For all patients, the data acquisition was carried out during the resting state and while listening to different music tracks. The use of electroencephalography, whose EEG signals are recorded by the electrodes with a non-invasive technique, makes it possible to obtain information on cortical electrical activity associated with states of rest or specific tasks such as listening to music. This information is of fundamental importance for the description and analysis of cortical activity in normal conditions and in case of anomalies and/or diseases such as Parkinson's disease. Therefore, developing suitable methods of extracting connectivity information from the various signals available represents a powerful analysis tool. The work has seen the development of ad hoc algorithms to perform data extraction, statistical analysis, and the visualisation of the related results. Finally, a non-parametric statistical analysis of connectivity estimates has shown the presence of significant differences between patients and control group in terms of cortical interactions, showing how listening to music differently affects the brain mechanisms involved in its processing in pathological situations and/or healthy subjects of different ages.

La stesura di questa tesi è il risultato di un’attività di ricerca svolta durante un tirocinio durato 11 mesi ed effettuato presso l’U.O.C. Neurofisiopatologia della Fondazione IRCCS Ca’ Granda Ospedale Maggiore Policlinico di Milano. Presso tale reparto, su un gruppo di pazienti parkinsoniani seguiti, è stata svolta una attività di musicoterapia per riabilitazione cognitivo-motoria, il cui utilizzo è stato largamente diffuso negli ultimi anni in diversi Paesi nel mondo per affiancare la cura farmacologica delle malattie neurodegenerative. La World Federation of Music Therapy (WFMT) definisce infatti la musicoterapia come l’uso professionale della musica e dei suoi elementi come intervento in ambienti medici, con individui che cercano di ottimizzare la loro qualità di vita e migliorare la salute e il benessere fisico, sociale, comunicativo, emotivo, intellettuale e spirituale. Le malattie neurodegenerative coinvolgono una serie di condizioni (o disordini) che colpiscono il cervello causando un processo cronico e selettivo di morte cellulare dei neuroni. Una delle più frequenti patologie collocate in questo contesto è il Parkinson, essa fa parte di un gruppo di patologie definite "Disordini del Movimento" ed è una malattia neurodegenerativa ad evoluzione lenta ma progressiva, che coinvolge, principalmente, il controllo dei movimenti e la stabilità dell'equilibrio. La terapia farmacologica, l’unica ad essere utilizzata su larga scala, non guarisce la malattia; la cronicità della difficoltà di movimento, pertanto, è inarrestabile. Gli effetti collaterali indesiderati procurati e l’assuefazione a cui il corpo va inesorabilmente incontro, fanno nascere il bisogno di integrare tale terapia con altre complementari come ad esempio la musicoterapia. Scopo di questo lavoro di ricerca è andare a verificare l’effetto delle diverse tipologie di musica sui meccanismi neuronali in soggetti di controllo di età variabile e in pazienti affetti da morbo di Parkinson, prima e dopo musicoterapia motoria, valutando l’influenza sui meccanismi cerebrali coinvolti nell’elaborazione della musica. La “comunicazione” e lo scambio di informazioni tra le diverse regioni che costituiscono il cervello rappresentano un’area di grande interesse scientifico nel campo delle neuroscienze e lo studio dell’attività cerebrale ha dimostrato che le diverse regioni neuronali interagiscono tra loro formando una complessa rete di connessioni. Questo è generalmente denominato come studio della connettività, alla cui base vi è il concetto della causalità introdotto nel 1969 da Clive Granger. Le variazioni analizzate in questo progetto di ricerca, sono variazioni significative delle reti neuronali in termini di connettività, dopo aver eseguito l’analisi utilizzando la Granger Causality Analysis (GCA). Base di partenza del lavoro sono i dati EEG acquisiti presso l’U.O.C. Neurofisiopatologia. Sono stati forniti tracciati non solo dei pazienti sottoposti alla musicoterapia (Pre e Post) ma anche registrazioni di soggetti sani che hanno costituito il gruppo di controllo. Per tutti i pazienti del dataset l'acquisizione dei dati è stata effettuata durante lo stato di riposo e durante l’ascolto di differenti brani musicali. I dati EEG forniscono informazioni sull’attività elettrica corticale associata a stati di riposo o a specifici task quali ad esempio l’ascolto della musica. Tali informazioni sono di fondamentale importanza per lo studio dei meccanismi neuronali fisiologici e patologici quali ad esempio il Parkinson. Di conseguenza, lo sviluppo di metodi capaci di estrarre informazioni sulla connettività dai vari segnali a disposizione offre un potente strumento di analisi. Il lavoro ha visto lo sviluppo di molteplici algoritmi creati ad hoc per l’estrazione dei dati di interesse, la loro analisi e la visualizzazione dei risultati finali. Scelto uno spezzone di trenta secondi, comune a tutte le tracce musicali, sono state calcolate le matrici di connettività effettiva in ciascun brano, utilizzando come riferimento la condizione di riposo. Sono stati estratti parametri rilevanti dalle matrici di connettività e sono stati confrontati tra le diverse tracce musicali all’interno di ciascun gruppo. I risultati sono stati interpretati in relazione alle caratteristiche dei diversi gruppi di soggetti. È stato possibile mostrare che le variazioni in termini di aumento e diminuzione di connettività andassero ad interessare differenti aree cerebrali, come ad esempio l’area motoria e le aree cognitive e uditive. I comportamenti dei vari gruppi possono essere definiti caratteristici: il gruppo composto da controlli adulti mostra variazioni superiori rispetto ai soggetti giovani, imputabile alla pregressa conoscenza delle tracce di musica classica. Negli stessi pazienti sono presenti minori variazioni di connettività dopo la sessione di musicoterapia; in questo caso riguardano le caratteristiche regioni cerebrali già citate, tale diminuzione va associata all’essere stati già esposti alle stesse tracce. L'analisi statistica non parametrica delle stime di connettività ha individuato la presenza di differenze significative tra le reti di interazioni corticali nei gruppi di pazienti e controlli, mostrando come l’ascolto della musica influisce differentemente sui meccanismi cerebrali coinvolti nella sua elaborazione in situazioni patologiche e/o in soggetti sani di età differente.