FOOLING THE SENSE OF TOUCH: NEW EVIDENCE ON THE ROLE OF BODY REPRESENTATIONS IN SHAPING SOMATIC PERCEPTION

Nella vita di tutti i giorni, capita numerose volte di toccare oggetti di diverso tipo con le mani. Il nostro cervello non è un ricevitore passivo di tali informazioni. Infatti, l'elaborazione degli input sensoriali coinvolge diverse rappresentazioni corporee che influiscono sul modo in cui percepiamo gli oggetti. Numerosi studi hanno dimostrato che l’elaborazione degli stimoli tattili avviene a diversi livelli. Un primo livello coinvolge le mappe somatotopiche, rappresentazioni stabili del corpo che non tengono conto dei cambiamenti posturali. Un secondo livello, coinvolge lo schema corporeo, una rappresentazione dinamica che si riadatta in base ai cambiamenti posturali. Questa tesi indaga il ruolo delle diverse rappresentazioni corporee nel modulare la percezione di stimoli innocui e dolorosi applicati sulle dita. Tali aspetti sono stati indagati attraverso due illusioni somatosensoriali: l’illusione di Aristotele e l’illusione della griglia termica. Nello specifico, il primo studio indaga i correlati percettivi delle alterazioni a carico della rappresentazioni somatotopiche delle dita e il modo in cui tali alterazioni possono influenzare la relazione funzionale tra più dita nella percezione tattile. Per tale scopo, abbiamo utilizzato l' illusione di Aristotele quale paradigma sperimentale e la distonia focale della mano come modello di rappresentazioni somatotopiche delle dita alterate. Tali alterazioni potrebbero riflettersi sulla relazione funzionale tra più dita nella percezione tattile. La distonia focale della mano, tuttavia, presenta disordini somatosensoriali comuni ad altre forme di distonia focale e alla malattia di Parkinson. Questo potrebbe essere dovuto ad una comune alterazione a carico dei gangli della base. Al fine di escludere ogni possibile ruolo dei gangli della base nel modulare l’illusione di Aristotele in pazienti con distonia focale della mano abbiamo condotto due esperimenti in cui i tali pazienti e quelli con altre forme di distonia focale e malattia di Parkinson sono stati confrontati rispetto a quanto percepissero o meno l’illusione di Aristotele. I risultati dei due esperimenti 1) confermano che la rappresentazione somatotopica delle dita è specificamente alterata nella distonia focale della mano, e 2) dimostrano che tale alterazione si associa ad un cambiamento nella relazione funzionale tra le dita nella percezione tattile specifica per la distonia focale della mano. Il secondo studio ha analizzato il ruolo dello schema corporeo nell’elaborazione di stimoli termo-tattili. L’obiettivo in questo caso era quello di studiare come l’organizzazione spaziale di diverse parti del corpo oggetto di stimolazione moduli l’illusione della griglia termica. Tale illusione è frequentemente utilizzata per studiare i fattori che influenzano la percezione del dolore. L’illusione della griglia termica deriva dall’applicare temperature calde e fredde innocue secondo uno specifico pattern caldo-freddo-caldo. Tale pattern di stimolazione determina che la temperatura fredda sia percepita come bollente. Nel nostro studio abbiamo utilizzato lo stesso pattern di stimolazione ma applicando ciascuna temperatura sull’indice, il medio e l’anulare. Incrociando o meno l’indice e il medio dei partecipanti, è emerso che la sensazione di caldo bruciante si riduceva quando il pattern spaziale delle temperature era freddo-caldo-caldo, indipendentemente che le dita fossero o meno incrociate. Tali risultati dimostrano come il cervello tenga conto della posizione relativa che ciascuno stimolo occupa rispetto agli altri nel definire la sensazione di calore doloroso evocato dall’illusione della griglia termica.

In everyday life, we use our hands to explore or manipulate objects. The processing of somatosensory inputs involves different representations of the body, and the resulting subjective experience of touch is strongly influenced by the type of body representation used for sensory processing. In the first instance tactile stimuli are processed within somatotopic maps that preserve the topographical organization of the physical body. Successively, the somatosensory inputs are further processed within the body schema which takes track of the postural changes of the body. In this framework, the current thesis is aimed at investigating the specific role of somatotopic maps and body schema in modulating the multi-digit tactile and thermo-tactile perception. This purpose has been achieved by “fooling” the sense of touch through two somatosensory illusions: Aristotle’s illusion and the Thermal Grill Illusion. In the first study we investigated the tactile processing occurring within the somatotopic maps. We approached to this issue by studying the multi-digit tactile perception as influenced by alterations in somatosensory maps. To address this specific aim, focal hand dystonia was chosen as a model of altered somatotopic maps. We used the Aristotle’s illusion to specifically investigate the functional meaning of the interplay between different fingers in tactile perception. Since, behavioural and neurophysiological studies indicate that the mechanisms underlying this illusion involve primary somatosensory cortex, and since a number of FHD neuroimaging studies have widely demonstrated anatomical alterations in the primary somatosensory cortex of FHD patients, we would expect that the Aristotle’s illusion is compromised in focal hand dystonia. This result would demonstrate a case of interdigit functional somatosensory alterations as specific counterpart of the widely reported anatomical alteration of somatosensory maps. However, FHD shares common somatosensory alterations features with other forms of focal dystonia and with PD. This is probably due to a common underlying factor: the abnormal basal ganglia activity. In order to exclude any possible role of basal ganglia in potentially modulation of Aristotle’s illusion in FHD we performed two experiments in which we compared the Aristotle’s illusion in FHD with other forms of focal dystonia and PD. Altogether, the two experiments: 1) confirm that fingers representation is specifically altered in FHD, and 2) demonstrate that abnormal alterations in fingers representation determine distorted tactile perception of objects simultaneously touched by different digits. The second study investigated the role the of body schema in processing thermotactile stimuli. More precisely, we studied how multiple thermotactile innocuous stimuli are combined in an unusual paradoxical painful sensation, termed Thermal Grill Illusion (TGI). In the classical TGI, innocuous warm and cold stimuli are arranged in a warm-cold-warm fashion. Intriguingly, this type of stimulation evokes a feeling of burning heat. In the second study, we applied the warm-cold-warm pattern on the first three digits (index, middle, and ring) and we observed whether the TGI was modulated by changing the relative spatial position of the fingers, that is by crossing or uncrossing the middle over the index. Using this simple method we found that the perceptual experience of paradoxical pain might arise from the integration of multiple thermal inputs based on the relative position of the stimulated fingers according to external frame of reference. Indeed, in the crossed position, the paradoxical heat sensation was reduced when the cooled finger was the middle, and increased when the cooled finger was the index. This interesting result indicates that the brain takes into account the relative spatial position of each stimulus to produce the paradoxical heat sensation termed TGI.