Funzioni di alto livello nella corteccia somatosensoriale secondaria (SII)

The somatosensory properties of the second somatosensory cortex (SII) have been largely described by many studies in both monkeys and humans, suggesting for this area a high-order role in tactile stimulation processing with functions including tactile learning and memory. More interestingly, recent studies on monkeys showed that beyond somatosensory stimuli, SII responds to a wider number of stimuli including peripersonal space stimulation, active movements, observation of objects displacement and action observation. Taking into account these results, SII is a candidate to be more than just a somatosensory area. Starting from its somatosensory properties, this thesis aims to disentangle the role of SII in more complex tasks with particular attention to visuo-tactile integration and action observation in humans. To this purpose, the experiments presented in this thesis are carried with stereotactic electroencephalography (stereo-EEG) on drug-resistant epileptic patients to take advantage of its high temporal and spatial resolution. Firstly, I investigated the spatial distribution and the temporal profile of the intracortical responses to both contralateral and ipsilateral median nerve stimulation. Results indicated that while the primary somatosensory area, precentral gyrus and intra-parietal sulcus respond only to the contralateral stimulation, the secondary somatosensory cortex and posterior insula are activated bilaterally. Furthermore, these regions exhibit a tonic long-lasting temporal profile, which might represent a mechanism of temporal retention of the tactile information, and thus be the signature of high-level somatosensory functions such as tactile memory and awareness. In a second stage of the thesis, to test the possible involvement of parietal operculum in visuo-tactile integration, we administered to patients contralateral median nerve stimulation jointly with visual stimulation (i.e. flash) to about 100 drug-resistant epileptic patients. Results underline an enhancement of the tonic components relative to tactile stimulation only, limited to posterior insula and to the rostral areas of parietal operculum, with SII maintaining an unaltered behavior. Considering previous findings in non-human primates, which reported visual responses in SII in response to biological stimuli, further researches are needed to understand which threshold in the stimulus might determine the eventual activation of this area. With this aim, the third part of this thesis presents the intracortical responses of both SI and SII to a motor task requiring reaching, grasping and manipulation, as well as to the observation of the same actions performed by another individual. The results obtained highlighted that SII activates bilaterally, both during the execution and the observation of actions, with a synchronous temporal profile. Conversely, SI activates only during the execution, leading to the conclusion that the input to SII during the observation condition has not a somatosensory nature, but rather that it is sustained by visuo-motor circuits operating simultaneously. Taking together all the evidence, this thesis demonstrates the pivotal role of SII not only in somatosensory functions, as largely reported in literature, but also in the integration of visuo-motor stimuli.

Le proprietà della corteccia somato-sensoriale secondaria (SII) sono state largamente discusse in molteplici studi sia nella scimmia, sia nell’uomo, suggerendo che quest’area assolva funzioni di alto livello nel processamento dello stimolo tattile, quali, ad esempio, l’apprendimento o la memoria. Recentemente, alcuni studi su scimmia hanno evidenziato che, oltre agli stimoli somato-sensoriali, SII risponde anche alla stimolazione dello spazio peri-personale, all’esecuzione di azioni, alla vista di oggetti in movimento ed all’osservazione di azioni, candidando SII ad essere un’area complessa, non limitata a sole funzioni somato-sensoriali. Partendo dallo studio delle risposte di SII agli stimoli tattili, lo scopo di questa tesi è di investigare la risposta di quest’area a stimoli complessi, con particolare attenzione a task di integrazione visuo-tattile e all’osservazione di azioni nell’uomo. Con queste finalità, gli esperimenti presentati sono stati condotti mediante elettroencefalografia stereotassica (stereo-EEG) su pazienti epilettici farmaco-resistenti, impiantati come parte della loro valutazione pre-chirurgica. In una prima fase, sono stati studiati la distribuzione spaziale ed il profilo temporale delle risposte intra-corticali alla stimolazione del nervo mediano controlaterale ed ipsilaterale. I risultati ottenuti indicano che mentre la corteccia somato-sensoriale primaria (SI), il giro precentrale ed il solco intra-parietale rispondono solo alla stimolazione controlaterale, la corteccia somato-sensoriale secondaria e l’insula posteriore sono attivate bilateralmente. Inoltre, queste ultime sono caratterizzate da una risposta tonica e duratura nel tempo. Questa potrebbe rappresentare un meccanismo di ritenzione temporale dell’informazione tattile ed essere l’espressione di funzioni di alto livello quali appunto la memoria e l’apprendimento degli stimoli. Nella seconda sezione della tesi, per testare il possibile coinvolgimento dell’opercolo parietale nell’integrazione visuo-tattile, la stimolazione del nervo mediano controlaterale è stata somministrata congiuntamente ad una stimolazione visiva (i.e. flash). I risultati ottenuti evidenziano un aumento in ampiezza della componente tonica, se comparato alla sola stimolazione tattile, localizzato nell’insula posteriore e nelle porzioni più rostrali dell’opercolo parietale mentre SII mostra un comportamento del tutto inalterato. Tuttavia, tenendo in considerazione che studi su primati non umani riportano risposte visiva in SII a stimoli biologici, sono necessarie ulteriori indagini per comprendere quale tipologia di stimolazione determina l’attivazione di quest’area. Infine, la terza parte della tesi mostra le risposte intra-corticali di SI e SII ad un task motorio che include compiti di afferramento e manipolazione di oggetti, e all’osservazione delle stesse azioni eseguite da un altro individuo. I risultati evidenziano un’attivazione bilaterale di SII, sia durante l’esecuzione sia durante l’osservazione di azioni, con un profilo temporale sincrono. Al contrario SI è attiva solo durante l’esecuzione: l’input a SI durante l’osservazione non ha dunque una natura somato-sensoriale ma piuttosto deve essere sostenuto da un circuito visuo-motorio capace di operare in maniera simultanea. In conclusione, questa tesi dimostra il ruolo cruciale di SII non solo nel processamento degli stimoli tattili ma anche nell’integrazione di stimoli visuo-motori.