Nelle scienze neurologiche, lindice di complessità perturbativa (in inglese: Perturbational Complexity Index, PCI) è una misura quantitativa utilizzata per valutare il livello di coscienza in base alla complessità delle risposte del cervello alle perturbazioni esterne, tipicamente indotte tramite stimolazione magnetica transcranica (TMS).

È stato introdotto nel 2013 dal medico e ricercatore italiano Marcello Massimini e dai suoi colleghi come applicazione pratica dei principi della teoria dell'informazione integrata (IIT), che postula che i sistemi coscienti devono mostrare sia un'elevata integrazione che una differenziazione delle informazioni.

I valori del PCI sono compresi tra 0 e 1 e permettono una accurata previsione della presenza di coscienza in pazienti in stato vegetativo.

Concetto Il PCI quantifica la complessità algoritmica della risposta cerebrale a una perturbazione controllata. In un protocollo tipico, viene utilizzato un paradigma combinato TMS-EEGChowdhury NS, Chiang AKI, Millard SK, Skippen P, Chang W-J, Seminowicz DA, Schabrun SM (2023). "Combined transcranial magnetic stimulation and electroencephalography reveals alterations in cortical excitability during pain." eLife 12:RP88567. https://doi.org/10.7554/eLife.88567 un breve impulso generato dalla stimolazione magnetica transcranica viene inviato alla corteccia e l'attività elettrica risultante viene registrata con l'elettroencefalografia (EEG). Per stimarne la complessità algoritmica, la risposta EEG spazio-temporale registrata viene quindi binarizzata e compressa utilizzando un algoritmo senza perdita di informazione. Il valore PCI viene normalizzato per controllare la lunghezza e l'ampiezza del segnale. Formalmente, il PCI è definito come la complessità di Lempel-Ziv normalizzata della risposta EEG binarizzata: , dove: è la matrice spazio-temporale delle risposte EEG alla TMS, indica la sua complessità di Lempel-Ziv ed è una costante di normalizzazione (tipicamente la lunghezza della sequenza).

Questa formalizzazione coglie sia l'integrazione (attivazione distribuita)Le funzioni cerebrali complesse, come linguaggio, memoria e pianificazione motoria, non sono localizzate in un'unica area, ma richiedono l'attivazione coordinata di reti neuronali distribuite in diverse regioni della corteccia, regioni che possono essere aparentemente distanti ra loro: ad esempio, le aree di Broca e di Wernicke sono connesse per il linguaggio. che la differenziazione (diversità strutturata, riferita alle sue differenze anatomiche a vari livelli, che includono l'organizzazione in lobi, la stratificazione cellulare e la connettività) delle risposte corticali.

Valori PCI più elevati corrispondono a risposte ricche e differenziate, che suggeriscono stati coscienti. Valori PCI più bassi riflettono risposte stereotipate o globalmente sincronizzate, tipicamente associate a stati incoscienti come il sonno profondo, l'anestesia generale, o il coma.

Applicazioni cliniche o scientifiche Il PCI è stato utilizzato per differenziare oggettivamente vari stati di coscienza, tra cui: veglia sonno REM sonno non REM anestesia generale stato vegetativo / Sindrome da veglia non responsiva (VS/UWS) stato di minima coscienza (MCS) sindrome locked-in.

Il suo uso clinico più rilevante è nella diagnosi e nella prognosi dei disordini della coscienza (DoC), dove le valutazioni comportamentali possono essere inaffidabili.

Relazione con la Teoria dell'informazione integrata Sebbene il PCI sia stato derivato dall'IIT, esso non è una misura diretta della quantità Φ (phi), grandezza fondamentale di tale teoria. È piuttosto considerato un indicatore che coglie empiricamente i principi di integrazione e differenziazione delle informazioni utilizzando dati cerebrali accessibili sperimentalmente.

Varianti ed estensioni Nel corso del tempo sono state proposte diverse varianti ed estensione del PCI, che includono: PCIst (State-Transition) – una versione semplificata basata sull'analisi della transizione di stato anziché sulla compressione completa Lempel–Ziv. PCIst offre una capacità diagnostica e prognostica simile nei disturbi della coscienza, ma è significativamente più veloce da calcolare;

Regional PCI - una preprint di Caulfield et al. (2020) ha testato l'affidabilità della PCI su tre target corticali (premotorio, motorio, parietale) utilizzando TMS-EEG e ha scoperto che le stimolazioni motorie e parietali offrivano la massima affidabilità per il singolo soggetto, suggerendo un'acquisizione multipla del parametro nelle dierse regioni della corteccia.

Limitazioni Alcune limitazioni del PCI includono: la necessità di apparecchiature TMS-EEG e competenze tecniche la sensibilità alle fasi di pre-elaborazione e binarizzazione attenzione al livello, non al contenuto, della coscienza.

Note

Voci correlate Teoria dell'informazione integrata Stimolazione magnetica transcranica Elettroencefalografia

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