The representation of space in healthy subjects and brain tumour patients

Lo studio dei processi neuropsicologici di base della percezione dello spazio e l’integrazione di input sensoriali che forniscono una rappresentazione interiore dello spazio esterno sono di primaria importanza per le scienze cognitive e le moderne neuroscienze. Lo scopo principale di questo lavoro scientifico è duplice: (1) migliorare e incrementare le attuali conoscenze sulla rappresentazione mentale dello spazio che guida gli esseri umani durante le attività quotidiane, e (2) studiare e documentare l’impatto dei disturbi delle funzioni visuo- spaziali (V-S) in pazienti che vengono sottoposti a resezione di tumore cerebrale nell’emisfero destro, con l’ulteriore intenzione di offrire una modalità innovativa per poter prevenire la comparsa di disturbi visuo- spaziali dopo la resezione del tumore in questi pazienti. Allo scopo di approfondire questi due aspetti sono state sviluppate due linee di ricerca parallele. Da un lato è stata studiata la percezione e la rappresentazione mentale dello spazio attraverso l’uso di esperimenti comportamentali su soggetti sani in relazione alle attuali conoscenze sulla sindrome di Neglect Spaziale Unilaterale (USN) o neglect, e dall’altro è stata ideata e applicata una batteria di test neuropsicologici per valutare l’incidenza dei disturbi visuo-spaziali (V-S) in pazienti con tumore cerebrale destro (RBTP), in seduta pre- e post-operatoria, allo scopo di definire, anche, in ultima analisi, quali di questi test potesse essere applicato come test intra-operatorio durante la “chirurgia da sveglio”. In relazione al primo filone di ricerca, sono stati portati avanti due esperimenti comportamentali, in linea con l’ipotesi dell’esistenza di una rappresentazione mentale dello spazio distorta (anisometrica) nei pazienti con USN (Bisiach et al., 1996; Savazzi et al., 2007). In breve, il neglect consiste nell’incapacità di attendere e rispondere a stimoli che provengono dal lato controlesionale dello spazio extra- e peripersonale, e/o anche in riferimento a parti del proprio stesso corpo. L’ipotesi della distorsione anisometrica dello spazio prevede che nei pazienti con neglect la rappresentazione delle dimensioni spaziali lungo l’asse orizzontale sia organizzata su una scala logaritmica, con una progressiva espansione verso il lato controlesionale, e a livello percettivo, l’asse orizzontale risulta essere progressivamente compresso verso la stessa direzione e, quindi, gli stimoli sottostimati. Questa ipotetica distorsione della rappresentazione dello spazio nei pazienti con neglect può somigliare alla illusione di Oppel-Kundt (O-K, Kundt, 1863; Watt, 1999). La forma classica dell’illusione di O-K consiste nella percezione di uno spazio pieno come più largo di uno vuoto avente uguale dimesione. Noi abbiamo usato una verione modificata di questa illusione composta da un gradiente di linee verticali il cui spazio diminuisce progressivamente da un lato all’altro del campo visivo: ci si aspetta che lo spazio venga percepito come più largo dove le linee sono più compresse. Nei nostri esperiementi abbiamo testato l’ipotesi che uno stimolo orizzontale presentato in uno spazio percepito come più largo potrebbe produrre tempi di reazione semplici (RTs) più veloci, in accordo con gli condotti da Sperandio e collaboratori (2010). Nel primo dei due esperiementi comportamentali, ventidue soggetti sani sono stati invitati a rispondere il più velocemente possibile a tre diversi stimoli lateralizzati (linea orizzontale, linea verticale e cerchio), presentati su tre diversi sfondi (condizione di controllo: linee spaziali equidistanti, condizione illusoria: linee verticali progressivamente compresse sulla porzione destra o sinistra del monitor). Solo per gli stimoli orizzontali, i RTs erano consistemente più veloci per gli stimoli presentati sul lato con le linee più compresse del gradiente (275.8 ms) rispetto a quelli sul lato con le linee più rilassate (279.9 ms). Inoltre, per verificare l’illusione di grandezza, gli stessi soggetti sono stati invitati ad aggiustare la dimensione di uno stimolo (linea orizzontale, linea verticale e cerchio) presentati sugli stessi sfondi dell’esperimento precedente per renderli uguali a uno stimolo di riferimento. Solo per le linee orizzontali i soggetti producevano gli aggiustamenti in accordo con l’effetto dell’illusione. Per gli stimoli verticali, e solo nella condizione Left-Larger, invece, si ha il risultato opposto. Questo effetto potrebbe essere spiegato dal fatto che, nella condizione Left- Larger, lo stimolo a causa della distorsione dello spazio indotta dall’illusione di O-K, veniva percepito più sottile rispetto allo stimolo di riferimento. Presi insieme, questi risultati mostrano che l’illusione di O-K produce una distorsione dello spazio solo per la dimensione orizzontale e questa percezione illusoria potrebbe avere avuto un effetto anche sulla dimensione verticale: uno stimolo più sottile è percepito come più lungo e, in questo compito, produce una sovrastima lungo l’estensione verticale (effetto Garner, 1974). Per testare direttamente questa ipotesi è stato condotto un secondo esperimento. In questo esperimento abbiamo cambiato alcuni parametri e i risultati hanno mostrato ancora una volta che i RTs agli stimoli presentati dove lo spazio era percepito più grande erano consistentemente più veloci (269.66 ms) di quelli presentati nello spazio percepito come più piccolo (274.59 ms). Ancora una volta questo risultato mostra che i RTs riflettono la dimensione percepita più di quella fisica degli oggetti. E, inoltre, i risultati dell’esperimento di aggiustamento hanno confermato l’effetto Garner, in quanto gli stimoli più sottili venivano percepiti come più lunghi, producendo una sovrastima nell’estensione verticale. I risultati di questo primo filone di ricerca hanno mostrato che l’illusione di O-K produce una distorsione orizzontale della rappresentazione dello spazio che può influenzare sia i RTs che le tecniche di aggiustamento sulla base della dimensione percepita degli stimoli visivi. In relazione al secondo filone di ricerca, in letteratura è possibile riscontrare una povertà di dati in relazione all’incidenza e alla valutazione di disturbi V-S e USN in pazienti con tumore cerebrale. Infatti, alcuni autori (Jagaroo et al., 2000, Russell et al., 2005) non riportano nessun danno di rappresentazione spaziale dopo resezione di tumore cerebrale, mentre altri (Perrine et al., 2000) mostrano un quadro differente, con una incidenza di circa il 37%. Questa situazione è dovuta probabilmente alla natura multicomponenziale e complessa del neglect e alla relativa difficoltà di valutarne la differenti manifestazioni cliniche. Detto ciò, la sindrome di UNS ha un drammatico effetto sull’esito clinico di questi pazienti, quindi è di importanza primaria valutare accuratamente tutte le sue manifestazioni cliniche. Lo scopo di questo studio è quello di valutare le funzioni V-S e il neglect con una batteria di test neuropsicologici per determinare la loro incidenza sui RBTP. Sono stati testati 23 RTBP (età media: 57.45, DS: 12,25; istologia: 10 glioma ad alto grado e 2 glioma a basso grado, 3 meningioma, 1 metastasi; localizzazione del tumore: 7 temporale, 6 frontale, 5 parietale, 2 occipitale), sia pre- che post-operativamente, con una batteria neuropsicologica per valutare le seguenti funzioni cognitive: (1) neglect comportamentale; (2) anosognosia, (3) neglect personale e rappresentazionale del corpo, (4) neglect motorio, (5) neglect rappresentazionale, (6) neglect peripersonale, (7) neglect extrapersonale, (8) capacità di lettura e (9) capacità di elaborazione semantica e implicita. Nella valutazione preoperatoria, 12 (54,54%) e 3 (13,63%) pazienti hanno mostrato rispettivamente disturbi V-S e neglect in almeno uno dei ventuno test utilizzati. In sessione postoperatoria, per i disturbi V-S, due pazienti (16,67%) risultavano invariati, tre (25%) hanno mostrato un miglioramento, sette (58,33%) sono peggiorati, e quattro (18,20%) hanno presentato nuovi deficit. In particolare per il neglect, uno è migliorato (33,33%), due sono peggiorati (66,66%) e sei (27,27%) hanno presentato nuovi deficit. Questo studio di incidenza ha importanti implicazioni per una migliore conoscenza dei disturbi V-S e neglect nei RBTP che potrebbe provvedere un quadro più chiaro e completo dei problemi quotidiani cui questi pazienti devono far fronte, sia in contesti familiari che in quelli lavorativi e sociali. Tuttavia, lo studio e i dati fin qui riportati risultano essere incompleti, risulta, infatti, necessario ampliare il campione, sia per dare una chiara e completa documentazione sulla presenza dei disturbi V-S pre e post intervento in RBTP, che per stabilire la loro relazione con i diversi parametri del tumore stesso (istologia, localizzazione, dimensioni, etc.). Inoltre, data la ristrettezza dei dati finora raccolti, risulta difficile individuare un test che sia affidabile per poter essere applicato all’interno della pratica di “chirurgia da sveglio”. In conclusione per entrambi i filoni di ricerca si auspica di migliorare in futuro i seguenti punti: A) aumentare le conoscenze sulla localizzazione anatomica delle strutture cerebrali sottostanti alla rappresentazione mentale dello spazio, utilizzando tecniche di neuroimaging cerebrale funzionale in relazione a risultati e agli effetti trovati con gli esperimenti comportamentali eseguiti sui soggetti sani; B) aumentare il campione per lo studio dell’incidenza di sindrome di NSU e disturbi V-S nei pazienti sottoposti a resezione di tumore cerebrale; C) estendere la valutazione delle funzioni V-S come procedura clinica standard per poter permettere la prevenzione e il miglioramento dell’outcome nei pazienti sottoposti a intervento chirurgico di asportazione di tumore cerebrale; D) estendere la pratica del mappaggio corticale delle funzioni V-S come procedura di prevenzione durante gli interventi di “chirurgia da sveglio”.

Neuropsychological basic processes of perception of space and the integration of sensory inputs to provide an internal representation of the external space is of primary interest for cognitive science and modern neuroscience. The main purpose of this research is twofold: (1) to improve and increase current knowledge on spatial representation in human daily-life activities and (2) to study and document the impact of visuo-spatial (S- V) functions impairments in patients who underwent to brain tumour resection and also to offer an innovative way to prevent the occurrence of spatial deficits after resection of brain tumour. In order to deepen these aspects we developed two parallel lines of research. On the one hand we studied mental spatial representation in healthy subjects in relation to current knowledge of Unilateral Spatial Neglect (USN) syndrome or neglect, and on the other hand we designed and used a neuropsychological battery to evaluate the incidence of visuo-spatial disorders in patients with right brain tumours (RBTP) pre- and postoperatively, and also to decide which tests could be applied as intra-operative task in the “awake surgery” practice to prevent V-S disorders after the tumour brain resection. According to the first research line, we carried out two behavioural experiments with relation to the neglect patients altered (anisometric) representation of space hypothesised by Bisiach and co-workers (1996), and to the findings of Ricci et al. (2004) simulating the hypothetical distortion of space in neglect patients in healthy subjects. In a nutshell, neglect syndrome is the inability to attend and respond to stimuli presented on the controlesional extra-, peripersonal and personal space. The space anisometry hypothesis foresee a space pathological progressive compression of the controlesional field in neglect patients which may resemble the Oppel-Kundt (O-K) illusion (Kundt, 1863; Watt, 1999). The classical form of this illusion consists of the perception of a filled space as larger than an empty space of equal size. We used a modified version of that illusion composed of a gradient of vertical lines whose spacing decreased progressively from one side to the other: space is expected to be perceived as larger where the lines are more compressed. In our experiments we tested the hypothesis that a horizontal stimulus presented in a space perceived as larger will produce faster RTs in agreement with the Sperandio end collegues’ studies (2010). In the first experiment, twenty-two healthy subjects were asked to respond as quickly as possible to lateralized stimuli (horizontal line, vertical line and circle) presented on different backgrounds (control condition: evenly spaced vertical lines; illusory conditions: vertical lines progressively compressed to the right or left portion of the monitor). For horizontal stimuli only, subjects’ RTs were reliably faster for stimuli presented on the compressed side of the gradient (275.8 ms) than on the relaxed side (279.9 ms). Moreover to verify the illusion of size, the same subjects were asked to adjust the size of a stimulus (horizontal line, vertical line and circle) presented on the same backgrounds as previous experiment to make it equal to a reference stimulus. For horizontal lines only, subjects produced adjustments in accordance with the predicted effect of the illusion. The results found with vertical stimuli, however, go on the opposite direction only for the left-larger condition. Together, these data show that the O-K illusion produces a mental distortion of space only for the horizontal dimension and this illusory perception of horizontal size could have had an effect of the vertical extent: a thinner stimulus is perceived as longer, thus producing an overestimation of its in vertical extent in the present task (the so-called Garner interference, Garner, 1974). In the second experiment we directly tested this hypothesis. We changed some parameters in respect to the previous experiment and results showed again that RTs for stimuli presented where the spaced was perceived as larger (269.66 ms) were reliably faster than those (274.59 ms) for the stimuli presented where the space was perceived as smaller. Once more, this effect strongly indicated that RTs reflect the perceived size instead of the actual size of objects. Moreover, the second adjustment experiment confirmed the Garner effect: thinner stimuli were perceived as longer producing an overestimation of its vertical extention. These results showed that O-K illusion produce an horizontal distortion of mental space representation affecting both RTs and adjustment tasks in relation with the visual stimuli size perception. According with the second research line, in literature, the data on the incidence and the assessment of visuo- spatial impairments and USN in brain tumour patients is very poor. Some authors (Jagaroo et al., 2000, Russell et al., 2005) reported no spatial deficits after resection of brain tumour, while others (Perrine et al., 2000) showed a different picture, with an incidence of around 37%. Probably that is because of the multicomponential nature of the USN syndrome and the difficulty to detect its different clinical manifestations. Given that USN has a dramatic effect on the outcome of these patients, it is of paramount importance to accurately assess all its manifestations. The purpose of this study was to assess visuo-spatial functions with a newly-build neuropsychological battery to determine the incidence of V-S diseases and neglect in RBTP. We tested 22 RBTP (main age: 57.45, DS: 12,25; histology: 10 high grade and 2 low grade glioma, 3 meningioma, 1 metastasis; tumours locations: 7 temporal, 6 frontal, 5 parietal, 2 occipital), both pre-operatively and post-operatively, with an extensive neuropsychological battery to evaluate of the following cognitive functions: (1) behavioural neglect, (2) anosognosia, (3) personal and body representational neglect, (4) motor neglect, (5) representational neglect, (6) peripersonal neglect, (7) extrapersonal neglect, (8) reading and (9) semantic and implicit elaboration skills. In the preoperative testing, twelve (54,54%) and three (13,63%) patients showed respectively V-S impairments and neglect deficits at least one of the twenty-one tests used. And postoperatively, for V-S impairments, two patients (16,67%) were unchanged, three (25%) improved and seven (58,33%) worsened, and four (18,20%) presented new deficits. Specifically for neglect, one patient improved (33,33), two worsened (66,66%) and six (27,27%) presented new deficits. The present study has important implications for a better knowledge of the spatial disorders in RBTP, thus providing a clearer picture on the everyday life problems faced by these patients, both within the family and at working and social contexts. However, the studies and the data reported so far are incomplete, because a more extensive sample of patient is needed both to document a clear and complete incidence of V-S deficits and neglect in RBTP and to define a clinical relation to tumours features, such as their histology, localization and size. Moreover, it is also difficult to detect which tests are reliable and sensitive for intraoperative use in awake surgery. In conclusion, for both lines of research is desirable to improve the following aspects: A) to enhance knowledge on the anatomical localization of the mental representation of space, with neuroimaging techniques in relation with the results found with the behavioral experiments with healthy subjects; B) to increase the sample for the incidence study of V-S impairments and neglect in RBTP; C) to extend the evaluation of V-S functions and neglect as clinical procedure to prevent and improve brain resection’s outcomes in RBTP; D) to broaden the cortical mapping of V-S functions and neglect as prevention procedure in awake surgery.