Study and rehabilitation of homonymous visual field defects

Questo progetto può essere suddiviso in tre parti: una prima parte in cui abbiamo cercato di sviluppare un nuovo tipo di riabilitazione volto al recupero del campo visivo in pazienti emianopsici, una seconda parte in cui il nostro obiettivo era indagare quale emisfero fosse responsabile della visione nell’area recuperata (ottenuta grazie al trattamento) oppure nelle aree preservate del campo emianopsico (esperimenti 1, 2 e 3) e una terza parte in cui abbiamo analizzato con un nuovo metodo l’affidabilità delle risposte inconsce a stimoli presentati nell’emicampo cieco (esperimenti 4 e 5). Abbiamo sviluppato un protocollo di riabilitazione, che attraverso una procedura computerizzata con stimoli in movimento, è in grado di stimolare le capacità visive residue mantenute nella zona di transizione al limite tra la parte cieca e la parte intatta del campo visivo, ma che allo stesso tempo stimola la periferia del campo visivo. Lo scopo è di attivare i collicoli superiori (CS) e l’area temporale mediale. Queste due strutture, probabilmente coinvolte nella manifestazione della visione implicita in assenza dell’area visiva primaria, sono entrambe sensibili a stimoli in movimento. I CS sembrano rispondere, inoltre, preferibilmente a stimolazioni localizzate nelle aree periferiche del campo visivo. Questo approccio potrebbe essere funzionale alla riattivazione della pre-esistente connettività responsabile della visione conscia, oppure potrebbe indurre la formazione di nuove circuiti neurali che potrebbero portare a visione implicita (blindsight). L’obiettivo clinico principale consiste nell’indurre un ampliamento del campo visivo, con un conseguente miglioramento della qualità della vita del paziente. Gli strumenti usati per valutare il miglioramento sono stati: la risonanza magnetica funzionale (fMRI), la campimetria e un questionario sulle funzioni visive (VFQ25). Sei pazienti sono stati inclusi nel protocollo riabilitativo. Il trattamento ha avuto effetti positivi sulla maggior parte di questi. Tre pazienti sono migliorati, almeno in minima parte, in tutti i test. La letteratura sul blindsight e sul recupero della visione nel campo emianopsico, si focalizza sull’identificazione dei siti neurali coinvolti in questi processi, invece il ruolo che l’emisfero intatto potrebbe giocare in questi fenomeni non è stato indagato in modo esaustivo. La seconda parte di questo lavoro si propone di indagare se il blindsight (esperimento 1), oppure la visione recuperata (esperimento 2) oppure la visione residua (esperimento 3) possano essere mediate dall’emisfero lesionato o da quello integro. Per stabilire quale emisfero possa essere responsabile della visione nel campo cieco, abbiamo usato un paradigma comportamentale visuo-motorio, il Paradigma di Poffenberger (PP) che permette di inferire il tempo di trasmissione interemisferica (TI) confrontando i tempi di reazione (TR) nelle diverse combinazioni mano-campo. I partecipanti sani di solito mostrano un vantaggio per le combinazioni mano-campo non crociate rispetto a quelle crociate, poiché nella prima condizione nessun TI è richiesto. In questo caso, si ottiene una differenza positiva tra condizione crociata e condizione non crociata (crossed-uncrossed difference; CUD). Per quanto riguarda l’emicampo danneggiato, ci aspettavamo di trovare una CUD positiva nel caso in cui l’emisfero lesionato medi la risposta. Al contrario, dovremmo trovare una paradossale CUD negativa (con la condizione crociata più veloce della non crociata), se la visione nell’emicampo cieco è presente grazie all’intervento dell’emisfero integro, ipsilaterale alla stimolazione. Le risposte inconsce ottenute nel campo cieco (esperimento 1) potrebbero essere emesse in modo casuale. A scopo di controllo, abbiamo, perciò, confrontato le distribuzioni dei TR dei pazienti ottenute in tre condizioni, stimoli presentati: a) nel campo cieco, b) nel campo buono e c) nel campo cieco con gli occhi chiusi (esperimento 4). La logica alla base di questa procedura è che gli stimoli non visti presentati nel campo cieco potrebbero attivare in modo automatico una risposta motoria inconscia e questa sarebbe una chiara evidenza della presenza di blindsight. Abbiamo, inoltre, confrontato le prestazioni di un paziente nel campo buono e nel campo cieco durante la manipolazione dell’eccentricità del target (esperimento 5). La presenza dell’effetto eccentricità nel campo cieco, è un segno di visione implicita processata da una struttura con organizzazione retinotopica. Concludendo, abbiamo trovato una chiara evidenza della presenza di blindsight in un paziente con lesione unilaterale del tratto ottico. La distribuzione dei TR nel campo cieco mostra un picco non casuale simile a quello trovato nell’emicampo intatto. In più, questo paziente mostra un effetto dell’eccentricità sia nell’emicampo buono che nell’emicampo cieco. In fine, nello stesso paziente, i dati mostrano una paradossale CUD negativa. Il fenomeno del blindsight potrebbe perciò essere mediato dall’emisfero integro, attraverso meccanismi non ancora chiari che devono essere ulteriormente indagati.

This project can be divided in three parts: a first part in which we tried to develop a new type of rehabilitation for patients with hemianopia following post-chiasmatic lesions, a second part in which our goal was to investigate (experiment 1, 2 and 3) which hemisphere is responsible for vision in recovered areas (as a result of treatment) or in intact islands of the blind hemifield and a third part in which we analysed with a new approach the reliability of the unconscious responses to stimuli presented to the hemianopic hemifield (experiment 4 and 5). We developed a rehabilitation protocol that by means of a computerized visual training with moving stimuli can stimulate the residual visual abilities in the transitional area located between the blind and the spared area of the visual field while at the same time stimulating also the periphery of visual field. The aim is to activate the superior colliculus (SC) and the middle temporal area. These structures that are thought to be involved in implicit vision when primary visual cortex is lesioned, are both sensitive to moving stimuli. Moreover the SCs seem to process preferentially peripheral areas of the visual field. This approach is supposed to help reactivate the pre-existing brain connectivity responsible for conscious vision, or to induce the formation of new circuits that might yield unconscious vision (blindsight). The main clinical goal is to induce an enlargement of the visual field, with a consequent substantial improvement of patients’ quality of life. Functional magnetic resonance imaging (fMRI), visual field perimetry, and visual function questionnaire (VFQ25) have been used to evaluate the effect of treatment. Six hemianopic patients were included in the rehabilitation protocol. The treatment had positive effects on most of the patients. Three patients improved, at least slightly, in all measures. The literature on blindsight and on recovery of vision in the hemianopic field, focalizes on identifying the neural sites involved in these processes, but the role that the intact hemisphere could play, has not been often discussed. The focus of the second part is to investigate whether blindsight (experiment 1), or recovered (experiment 2), or residual vision (experiment 3) could be subserved by the damaged or the intact hemisphere. To establish which hemisphere mediates vision in the blind field, we used a manual visuo-motor reaction time (RT) paradigm which enables to assess interhemispheric transfer (IT), the so called Poffenberger Paradigm (PP). Healthy participants, generally, show a speed advantage for uncrossed with respect to crossed hemifield-hand combinations, because in the former no IT is required and a positive crossed-uncrossed difference (CUD) is found. In the affected hemifield, our prediction was to find a positive CUD if the damaged hemisphere was mediating the response and a paradoxical negative CUD (with the crossed condition faster than the uncrossed), if the intact hemisphere was mediating the response. To make sure that the unconscious responses obtained in the blind field (experiment 1) could not have been given by chance we compared the RTs distributions obtained in three conditions: stimuli presented to a) the blind field, b) the intact field and c) to the blind field with the eyes occluded (experiment 4). The rationale of this procedure is that unseen stimuli presented to the blind hemifield might trigger unconsciously a motor response in an automatic fashion and this would be a bias-free evidence of blindsight. Furthermore, we compared the performance of a patient showing blindsight in the blind and the intact field while manipulating eccentricity (experiment 5). The presence of an eccentricity effect in the blind field, would be a sign of implicit vision processed by a structure with a retinotopic organization. In sum, we found clear evidence of blindsight in one patient with a unilateral optic tract lesion. The RT distribution obtained in the blind hemifield showed a non-random peak similar to that found for the intact hemifield. Moreover, this patient showed an eccentricity effect not only in the intact but also in the hemianopic hemifield. Finally, we found in this patient a paradoxically negative CUD strongly suggesting that blindsight was mediated by the intact hemisphere through a mechanism that requires further investigation.