Elaborazione delle emozioni e plasticità cerebrale in pazienti con paralisi facciale congenita: il modello della Sindrome di Moebius

Several neuroscientific investigations over the last thirty years have extended our knowledge about the anatomo-functional organization of the sensorimotor “Mirror Neurons System” (MNS), whose neuronal representation are active during both action execution and observation. In particular, the facial component of the MNS has been proposed as a core network for socio-emotional processes, with regions involved both in sensorimotor representations of facial expressions and in the modulation of autonomic responses related to emotion. Moreover, the organization of the facial MNS is thought as already predisposed even before birth and then refined based on the actual experience of an individual, especially during highly sensitive periods of brain development. To this regard, some studies have reported emotion processing difficulties in children with congenital facial paralysis, such as Moebius Syndrome (MBS). In particular, it has been demonstrated that MBS children reported difficulties in facial expressions recognition and reduced autonomic activity in response to emotional stimuli, probably because of an abnormal functioning of their facial MNS. To test this hypothesis, the aim of this doctoral thesis is to evaluate MBS patient facial sensorimotor anatomo-functional organization in relation to the capacity to process emotion. A second objective is to investigate MBS patients cortical plasticity following facial surgery and MNS based neurorehabilitative interventions. The first study investigated MBS children autonomic response to facial expressions, by means of Electrocardiographic measurements. Results showed significant lower autonomic modulation in MBS children in terms of Respiratory Sinus Arrythmia (RSA) reactivity in response to faces. This confirm already demonstrated MBS children difficulties in emotion processing, probably even in terms of lower predisposition to adaptively react to social stimuli. The second study consisted in a post-surgery longitudinal kinematics investigation of smile production in MBS patients who followed a Facial-Imitation and Synergistic hand-mouth Activity (FIT-SAT) neurorehabilitation protocol after facial surgery, namely a free muscle transfer procedure. Results showed that the FIT-SAT protocol 1) facilitate the activation of the transplanted muscles on the face and 2) promote better modulation of the smile compared to traditional treatments, probably fostering a more effective recruitment of neural structures responsible for smile execution. The third study showed that MBS patients who underwent surgery to increase face motility late in life reported lower sensory facial awareness during simultaneous face-hand stimulation, compared to age-matched control subjects. In contrast, patients operated during childhood reported control-like performances. These results suggest that 1) congenital facial immobility could cause a shrinkage of the facial somatotopic field in favour of an over-represented hand region and 2) interventions in early age could be more effective in inducing facial sensorimotor reorganization. As a whole, these findings confirm that the impossibility to produce complex facial gesture since gestational development could affect the actual facial sensorimotor organization, supporting also the hypothesis of a hypo functioning facial MNS in patients with congenital facial palsy. This supports the idea that emotion processing difficulties in MBS patients could be linked to deficits in motor simulation. Finally, these results suggest that brain and behavioral reorganization following interventions could occur also in congenital disease, especially if performed during childhood, probably because of more effective activity-dependent plasticity process.

Numerose indagini neuroscientifiche degli ultimi trent'anni hanno ampliato la conoscenza del funzionamento del Sistema dei neuroni Specchio (SS), le cui rappresentazioni neuronali sono attive sia durante l'esecuzione che durante l'osservazione di un’azione. In particolare, la componente facciale del SS è stata proposta come uno dei network principali per i processi socio-emotivi, data la presenza di regioni coinvolte sia nelle rappresentazioni sensorimotorie delle espressioni facciali che nella modulazione delle risposte autonomiche legate alle emozioni. È stato inoltre suggerito come l'organizzazione del SS facciale sia probabilmente predisposta già prima della nascita e poi definita sulla base dell'esperienza durante periodi sensibili dello sviluppo cerebrale. A tal proposito, è stato dimostrato come bambini con paralisi facciale congenita, affetti da Sindrome di Moebius (SM), riportino difficoltà nel riconoscimento delle espressioni facciali e ridotta attività autonomica in risposta a stimoli emotivi, probabilmente a causa di un ipo-funzionamento del SS. Per verificare questa ipotesi, scopo di questa tesi di dottorato è valutare l'organizzazione anatomo-funzionale sensorimotoria del volto in relazione alla capacità di elaborare le emozioni in pazienti con SM. Un secondo obiettivo è studiare la plasticità corticale dei pazienti con SM a seguito di chirurgia facciale e interventi neuroriabilitativi basati sul SS. Il primo studio ha mostrato, tramite un’indagine elettrocardiografica, la presenza di una ridotta reattività autonomica in risposta ad espressioni facciali in termini di bassa modulazione dell'aritmia sinusale respiratoria (RSA) in bambini con SM. Ciò suggerisce come pazienti con SM possano avere difficoltà a rispondere adeguatamente ed adattivamente a stimoli emotivi e sociali. Il secondo studio consiste in un'indagine cinematica longitudinale sulla produzione del sorriso in pazienti affetti da SM che hanno seguito un protocollo di neuroriabilitazione FIT-SAT (Facial-Imitation and Synergistic hand-mouth Activity) dopo un intervento chirurgico facciale, tramite procedura di free muscle transfer. I risultati hanno mostrato che il protocollo FIT-SAT 1) facilita l'attivazione dei muscoli trapiantati sul viso e 2) promuove una migliore modulazione del sorriso rispetto ai trattamenti tradizionali, probabilmente favorendo un più efficace reclutamento delle strutture neurali responsabili dell'esecuzione del sorriso. Il terzo studio ha mostrato come pazienti con SM che hanno svolto un intervento chirurgico per aumentare la motilità del viso in età avanzata abbiano, rispetto ai soggetti di controllo, una minore consapevolezza sensoriale del volto durante la stimolazione simultanea faccia-mano. Al contrario, i pazienti operati durante l'infanzia non mostrano tale difficoltà, riportano prestazioni simili a soggetti di controllo. Questi risultati suggeriscono che 1) l'immobilità facciale congenita potrebbe causare un restringimento della rappresentazione somatotopica del volto a favore di un’aumentata estensione della regione della mano 2) che gli interventi in età precoce potrebbero essere più efficaci nell'indurre riorganizzazione sensorimotoria facciale. Nel complesso, questi risultati confermano come l'impossibilità congenita di produrre gesti facciali complessi possa influenzare l’organizzazione sensorimotoria facciale, supportando anche l'ipotesi che un’ipo-funzionamento del SS in pazienti con SM sia alla base delle difficoltà nell’elaborazione delle emozioni. Infine, questi risultati suggeriscono come interventi chirurgici e di riabilitazione possano indurre riorganizzazione cerebrale e comportamentale anche nel caso di malattie congenite, soprattutto se svolti durante l'infanzia, grazie a processi di plasticità attività-dipendenti più efficaci.