Risonanza Magnetica Funzionale e Monitoraggio dell attività cerebrale. Emanuela Li Pizzi A.A. 2006/2007 TESINA

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1 A.A. 2006/2007 TESINA Risonanza Magnetica Funzionale e Monitoraggio dell attività cerebrale Emanuela Li Pizzi Corso di Biofisica Prof. Marcello Alecci

2 INDICE Introduzione; Risonanza Magnetica(MR); Risonanza Magnetica Funzionale(fMRI) ed Effetto BOLD( Blood Oxygenation Level Dependent); L emoglobina:struttura,funzione e proprietà; Applicazioni cliniche fmri; Vantaggi e Svantaggi della tecnica fmri; Bibliografia. 2

3 Introduzione Da molti secoli,tante speculazioni filosofiche e scientifiche sono sorte attorno al grande interrogativo di come la materia vivente possa trasformarsi in pensiero ed il cervello in mente consapevole.ma le strategie magiche che permettono alla struttura biologica cerebrale di generare pensieri,ed i dettagli dell organizzazione funzionale del cervello hanno sempre eluso la curiosità dei ricercatori,anche a causa della complessità della struttura micro e macroscopica cerebrale,e della presenza delle ossa del cranio che nascondono il cervello dall esame esterno.e solo nella seconda metà dell 800 che sono nati i primi approcci allo studio delle funzioni cerebrali utilizzando metodi indiretti,che utilizzavano correlati misurabili delle funzioni cerebrali fisiologiche o delle loro patologie.la prima localizzazione esatta di una funzione cerebrale ha costituito un evento cardine nella storia della medicina,e risale a Paul Broca,attraverso un approccio metodologico lesionale.mediante la valutazione topografica della lesione ischemica di un suo paziente affetto da una grave afasia,broca identificò la sede anatomica delle funzioni del linguaggio.molti attribuiscono le prime esperienze nella localizzazione delle funzioni cerebrali attraverso metodi strumentali ad un ricercatore italiano, Angelo Mosso, che propose,nella seconda metà dell 800,l esistenza di una correlazione tra l attività neuronale ed il flusso ematico regionale cerebrale nell uomo.dovevano tuttavia trascorrere molti decenni,prima che si approntassero metodologie di studio in grado di misurare il flusso ematico cerebrale.dopo le prime esperienze scintigrafiche,e la fondamentale spinta propulsiva prodotta dalla Tomografia ad Emissioni di Positroni(PET),la svolta più importante nelle strategie di neuroradiologia funzionale è avvenuta nei primi anni 90 con la scoperta che la Risonanza Magnetica può rendere visibile l attività neuronale.la prima indicazione in tal senso fu prodotta da Ogawa,che dimostrò nel 1990 l esistenza del segnale di Risonanza Magnetica cerebrale determinata dalle variazioni di ossigenazione emoglobinica,coniando il termine di contrasto BOLD(Blood Oxygenation Level Dependent).Dal momento che l attività neuronale si correla a cambiamenti locali di ossigenazione,divenne evidente che una tecnica basata sull effetto BOLD avrebbe potuto produrre mappe dell attivazione cerebrale.nel 1992 tre gruppi di ricerca svilupparono contemporaneamente una tecnica fmri basata sull effetto BOLD dando vita ad una diffusione esplosiva di questa metodica durante lo scorso decennio.le caratteristiche dell fmri,che ne hanno decretato il successo nel panorama delle metodiche di studio funzionale del cervello sono l assenza di invasività,la buona risoluzione spaziale/temporale, e la coregistrazione naturale con i dati anatomici.queste caratteristiche rendono l fmri particolarmente versatile nello studio della fisiologia della corteccia cerebrale,gli esami con questa metodica agili, i risultati affidabili e facilmente interpretabili. 3

4 Risonanza Magnetica (MR) Il termine risonanza indica il risultato che consegue all applicazione di uno stimolo di frequenza uguale a quella caratteristica di un altro sistema che ne riceve l energia imposta.l effetto è massimo quando i due sistemi hanno caratteristiche intrinseche uguali come,ad esempio,la frequenza di oscillazione. Nella Risonanza Magnetica (RM) il sistema accettore di energia è rappresentato dai nuclei atomici,spesso di idrogeno ( 1 H),ordinati all interno di un campo magnetico statico (B 0 ) di elevata intensità.i nuclei atomici sono masse cariche positivamente composte da protoni e neutroni e alcuni di essi sono dotati di movimento rotazionale attorno al proprio asse,regolato dal numero quantico di spin.questo movimento delle cariche produce un campo magnetico tale da poter assimilare questi nuclei a microscopici magneti orientati in tutte le direzioni.nel corpo umano sono molti gli elementi che si prestano a questa visione,ma la scelta dell idrogeno è dovuta principalmente alla sua abbondanza sia sotto forma di acqua che legato chimicamente a formare zuccheri,grassi e proteine.all interno dei tessuti biologici i nuclei di idrogeno sono orientati casualmente ma quando vengono sottoposti ad un campo magnetico statico B 0 (dell ordine del Tesla) costante nel tempo ed omogeneo nello spazio i loro momenti magnetici si allineano col campo esterno separandosi in due popolazioni,quella costituita da spin allineati in verso parallelo(up),e quella con gli spin tutti antiparalleli (down) a B 0.I primi sono leggermente in maggioranza corrispondendo ad uno stato energetico basso,mentre i secondi sono in uno stato energetico alto.questa disparità determina la creazione di una magnetizzazione macroscopica netta M 0 allineata a B 0 in direzione e verso. Si riscontra che gli spin nucleari con le caratteristiche dette presentano un fenomeno di risonanza alla frequenza f espressa dalla Relazione di Larmor secondo la quale: M 0 f= B 0 dove è una costante caratteristica di ogni specie nucleare ed è chiamata rapporto giromagnetico. 4

5 In pratica se viene attivato un campo magnetico B RF oscillante alla frequenza f (detta di Larmor) i corrispondenti nuclei assorbono una certa energia dal campo magnetico oscillante,determinando una rotazione macroscopica della magnetizzazione netta (proporzionale alla durata dell impulso a RF),la quale verrà ad avere una componente non nulla sul piano orizzontale,perpendicolare al campo statico.oltre a tale magnetizzazione i nuclei acquistano un moto di rotazione lungo la superficie di un cono ideale attorno al proprio asse,detto di precessione. L energia erogata dall onda sarà tanto maggiore quanto più lunga è la durata dell impulso a RF.Quest onda ha due funzioni: Fornire l energia necessaria ai protoni per allinearsi in modo perpendicolare al campo originale Riallineare le fasi di oscillazione di precessione dei singoli protoni. Gli effetti indotti da tale eccitazione si smorzano,una volta rimossa la sorgente a RF con un processo di decadimento esponenziale che può essere suddiviso in due fasi concettualmente distinte:anzitutto,con una costante di tempo T 2 detta di interazione spin-spin (o rilassamento trasversale) che dà indicazioni sulla distribuzione dei campi magnetici effettivi,si ha il decadimento del moto di precessione di M 0 intorno al campo statico a causa del progressivo sfasamento degli spin che interagiscono fra loro nelle rispettive componenti orizzontali.in secondo luogo la magnetizzazione netta torna al suo valore di equilibrio,allineata col campo esterno B 0 seguendo una costante di tempo T 1 (detta spin-reticolo)che differisce da T 2 e dipende come quest ultima,dal tipo di tessuto sul quale è misurata; inoltre il paramentro T 1 è una misura dell efficienza con cui gli spin,eccitati dalla perturbazione,scambiano energia eccedente con l ambiente molecolare circostante.in pratica quello che succede è che ad un primo campo B 0,se ne applica un secondo B 1 perpendicolare al primo che riuscirà a contrapporre al moto di precessione principare(attorno a B 0 )una precessione più lenta intorno alla direzione B 1 solo se esso ruoterà alla stessa frequenza del momento magnetico:quindi il campo variabile B 1 sarà quello associato ad un onda elettromagnetica di frequenza f RF = f 0. Estendendo il concetto alla M 0 questa precederà attorno alla direzione di B 1 oltre che a quella del campo esterno.se la perturbazione durerà un tempo t,m 0 si troverà ruotata di un certo angolo dalla direzione di B 0 proporzionale a t.si parlerà quindi di impulsi a 45 o,90 o,180 o... Riprendendo il concetto dei parametri temporali esiste un ulteriore costante di tempo indicata come T 2 *,che tiene conto sia delle interazioni spin-spin,sia di eventuali disomogeneità del campo statico. 5

6 Una volta terminata l eccitazione quindi,il sistema biologico torna spontaneamente all equilibrio e la componente longitudinale (M z ) della magnetizzazione tende a recuperare il suo valore di equilibrio M 0,mentre la componente trasversale tende a zero. Il segnale che si rivela tende a zero quasi esponenzialmente e viene detto FID(Free Induction Decay);questo può essere seguito usando una bobina ad induzione elettromagnetica come antenna per captare le variazioni di M 0 nel tempo.infatti durante il suo riallineamento nella direzione di B 0 la componente trasversale di M 0 tenderà a zero e si osserverà una variazione del flusso concatenato alla bobina rilevabile sotto forma di tensione elettrica ai capi della stessa;dalla forma e dall ampiezza di questa tensione è possibile misurare sia T 1 che T 2 i quali dipendono dalle interazioni degli spin con l ambiente circostante,consentendo di ottenere informazioni sulle caratteristiche chimico-fisiche dell ambiente,quindi del tessuto di cui gli spin esaminati fanno parte.il segnale sperimentalmente prelevabile dagli spin che si rilassano è T 2 che attraverso l operazione matematica di Fourier si ottiene lo spettro di risonanza del sistema.in generale l MRI si basa sulla variazione da un tessuto all altro di una di queste caratteristiche,o di una loro somma pesata,e della densità di specie chimiche MR-sensibili per ricavarne un segnale di contrasto utile alla formazione di un immagine.le fasi quindi della acquisizione dei segnali utili alla successiva ricostruzione dell immagine sono:accensione del campo esterno statico B 0,eccitazione con un campo a RF,acquisizione dei segnali MR di risposta con bobine che fungono da ricevitori impiegando procedure di eccitazione che consentono di mantenere l informazione sulla posizione della sorgente del segnale. Emanuela Li Pizzi,Facoltà di Biotecnologia,Biofisica a.a 2006/2007 6

7 Risonanza Magnetica Funzionale(fMRI) Le bioimmagini ottenute con la tecnica di MR (Risonanza Magnetica) possono essere di due tipi: anatomiche o funzionali.in particolare le modalità di ricostruzione delle mappe,anatomiche o funzionali che siano,sono quelle proprie del Magnetic Resonance Imaging (MRI) e si parla di NMRI nel caso di tomografie anatomiche,e di fmri (Risonanza Magnetica Funzionale) quando si tratta di immagini funzionali.sebbene risonanza magnetica funzionale sia una terminologia generica,ovvero applicabile a qualsiasi tecnica di imaging a risonanza magnetica che dia informazioni aggiuntive rispetto alla semplice morfologia,essa è sempre usata come sinonimo di risonanza magnetica funzionale neuronale,una delle tecniche di neuroimaging funzionale di recente sviluppo.da più di certo anni,è noto che le variazioni del flusso sanguigno e dell ossigenazione sanguigna nel cervello(emodinamica)sono strettamente correlate all attività neurale.i cambiamenti dell attività neurale del cervello sono associati ai cambiamenti delle richieste energetiche:quanto maggiore è l attività funzionale di un distretto cerebrale,tanto maggiore sarà il suo metabolismo e conseguentemente,le sue richieste energetiche aumenteranno;nello specifico quando le cellule nervose sono attive,consumano l ossigeno trasportato dall emoglobina degli eritrociti che attraversano i capillari sanguigni locali.effetto di questo consumo di ossigeno è un aumento del flusso sanguigno nelle regioni ove si verifica maggiore attività neurale,che avviene con un ritardo da 1 a 5 secondi circa.tale risposta emodinamica raggiunge un picco in 4-5 secondi,prima di diminuire fino al livello iniziale:si ha così,oltre che variazioni del flusso sanguigno cerebrale,anche modificazioni localizzate del volume sanguigno cerebrale e della concentrazione relativa di ossiemoglobina(emoglobina ossigenata) e deossiemoglobina(emoglobina non ossigenata).una delle tecniche,non invasive,più sofisticate che sfruttano le variazioni emodinamiche prodotte dall attività neuronale per identificare le aree attivate del cervello è la risonanza magnetica funzionale(fmri).utilizzando questa metodologia è quindi possibile: Visualizzare le variazioni delle regioni corticali; Ricostruire la mappa di attivazione del cervello per funzioni sensoriali,mentali e motorie,con un alta risoluzione spaziale. Il caso della fmri risulta,fermi restando i principi generali,più articolato.infatti qui la tecnica più applicata è quella che sfrutta un contrasto dipendente dal livello di ossigenazione del sangue.l obiettivo prioritario è di misurare parametri legati a funzioni fisiologiche che producono risposte cerebrali riguardanti l attivazione di gruppi di neuroni in zone più o meno localizzate,la cui individuazione è il fine ultimo di questi studi.data la bassa solubilità dell ossigeno in ambiente acquoso,il modo con cui esso viene trasportato nel sangue è legato all emoglobina(hb),una proteina globulare contenente un atomo di ferro che si ossida(ossi-hb) quando un atomo di ossigeno gli si lega,e si riduce(deossi-hb) quando perde l ossigeno. 7

8 Nello stato inattivo, le cellule nervose prelevano una certa quantità di ossigeno dall emoglobina ossigenata(hbo 2 ),che quindi diventa emoglobina deossigenata(hbr).nello stato attivo la richiesta,da parte dei neuroni,di ossigeno aumenta e quindi il flusso sanguigno porterà una quantità di emoglobina ossigenata maggiore rispetto allo stato inattivo. Stato basale: Flusso normale; Livello basale[hbr]; Volume del sangue basale(cvb); Segnale MRI normale; Stato attivato: Aumento del flusso; Diminuzione di [Hbr]; Aumento di CVB; Aumento del segnale MRI; Nelle aree attive,quindi,ci sarà un netto aumento della concentrazione di ossiemoglobina.sebbene l aumento regionale del flusso sanguigno sia un indicatore dell aumento dell attività elettrica cerebrale,non è chiaro ancora il meccanismo legato al controllo della richiesta di un maggiore flusso sanguigno. Le ipotesi più probabili sono: Il rilascio di fattori chimici come l ossido nitrico,l adenosina,gli ioni idrogeno o potassio; Una stimolazione nervosa diretta della muscolatura vascolare. 8

9 Quello che interessa ai fini dell fmri è che la deossi-hb è paramagnetica,mentre la ossi-hb è diamagnetica;quando uno o più neuroni sono attivi determinano una variazione del rapporto tra ossi e deossi-emoglobina con conseguente distorsione del campo statico B 0 ;gli spins in un campo magnetico non uniforme processano a frequenze diverse causando una dispersione di fase ed il decadimento del segnale MRI.Allora nell ipotesi di costruire un immagine la cui intensità è basata sull andamento del T 2 *,si può pensare di ricavare una mappa dell ossigenazione del sangue e,per questa via,dell attivazione di zone del cervello.sfruttando quindi queste variazioni emodinamiche prodotte dall attività neuronale(indotta tramite un qualche stimolo o semplicemente dovuta ai normali processi fisiologici) la Risonanza Magnetica Funzionale è in grado di identificare le aree attivate del cervello.particolarmente interessante a questo proposito è la tecnica BOLD(Blood Oxygenation Level Dependent contrast o Segnale dipendente dal livello di ossigenazione del sangue) che permette di mappare l attività funzionale senza l utilizzo di mezzi di contrasto esogeni,senza l uso di traccianti radioattivi e con una risoluzione spaziale accettabile.il mezzo di contrasto utilizzato è,come già accennato,di natura puramente endogena in quanto si sfruttano le variazioni locali di concentrazione dell emoglobina con le sue relative differenti proprietà magnetiche a seconda dello stato in cui si trova.in pratica un qualsiasi stimolo sensoriale,motorio o cognitivo,produce un aumento localizzato dell attività neuronale.ciò induce una locale vasodilatazione che genera,a sua volta un rapido aumento del volume e flusso sanguigno;il risultato finale è quindi una variazione positiva di flusso,con conseguente aumento della concentrazione dell emoglobina ossigenata.parallelamente questo eccesso di emoglobina ossigenata inviata nelle regioni attivate,riduce la quantità di deossiemoglobina all interno della zona di tessuto cerebrale interessato.la presenza di maggiori quantità di ossiemoglobina nei capillari genera microscopiche disomogeneità magnetiche con conseguente variazione del decadimento del segnale MR.Maggiori intensità del segnale BOLD derivano da diminuzioni della concentrazione di emoglobina non ossigenata,dal momento che la suscettività magnetica del sangue risulta avere un valore più vicino a quello dei tessuti.mediante analisi con scanner per imaging a risonanza magnetica è possibile stimare le variazioni del contrasto BOLD,che possono risultare di segno positivo o negativo in funzione delle variazioni relative del flusso sanguigno cerebrale e del consumo dell ossigeno.incrementi del flusso sanguigno cerebrale,in proporzione superiore all aumento del consumo d ossigeno,porteranno ad un maggiore segnale BOLD;viceversa,diminuzione nel flusso,di maggiore entità rispetto alle variazioni del consumo d ossigeno,causeranno minore intensità del segnale BOLD.La fmri non produce immagini dirette di quello che avviene nel cervello.questo succede non solo perché queste immagini raffigurano un effetto indiretto(risposta emodinamica) dell attività neuronale( che è molto più rapida),ma perché,più che delle istantanee,sono in realtà delle mappe di distribuzione statica di questo effetto su tutto il cervello.in un esperimento di fmri con un campo di 1.5 T,l effetto BOLD determina,difatti, una variazione del segnale dell ordine del 5-8%,ancora troppo debole perché si possa essere sicuri di riconoscerlo nell evento singolo. 9

10 Durante una sessione d esame,perciò,vengono acquisite immagini funzionali in assenza di stimoli,che serviranno come immagini di confronto;inoltre,durante il periodo di acquisizione,vengono presentati degli stimoli che possono essere:sensoriali,motori o task cognitivi:lo stesso task viene ripetuto periodicamente in modo da fare una media statistica di tutti i valori delle immagini relativi all attivazione.l immagine finale si ottiene facendo una sottrazione mediata tra l immagine acquisita durante l assenza di stimoli e l immagine acquisita durante la presentazione dello stimolo.in questo modo si ottiene un immagine statistica parametrica,che va poi sovrapposta all immagine anatomica. L effetto BOLD è misurato mediante rapida acquisizione volumetrica di immagini con contrasto a pesata T 2 o T 2 *.Tali immagini possono essere acquisiti con discreta risoluzione spaziale e temporale:esse sono acquisite con periodo che va da 1 a 4 secondi e ciascun voxel rappresenta un cubo di tessuto di circa 2-4mm per lato.le risposte agli stimoli,distanti l una dall altra circa uno o due secondi,sono distinguibili mediante un metodo noto come risonanza magnetica funzionale event-related,mentre il tempo totale di svolgimento di una risposta ad un breve stimolo dura circa 15 secondi, a causa dell intenso segnale positivo. 10

11 L emoglobina Gli agenti di contrasto in MRI hanno lo scopo di enfatizzare le differenze di segnale fra strutture altrimenti poco discriminabili o rendere apprezzabile un segnale molto basso.i mezzi di contrasto in MR, agiscono in genere modificando T 1 e/o T 2.Queste sostanze si fissano agli organi e si distribuiscono nei vasi.per quel che concerne la Risonanza Magnetica Funzionale,come detto precedentemente il mezzo di contrasto a cui si ricorre è di natura puramente endogena ed è l emoglobina.quest ultima è la proteina intracellulare che conferisce ai globuli rossi il loro caratteristico colore ed è stata la prima proteina a cui è stata assegnata una funzione fisiologica specifica(trasporto dell ossigeno).l emoglobina è una cromoproteina costituita da due paia di catene polipeptidiche(globine 1, 2 1, 2 )uguali tra loro;a ciascuna di queste catene è attaccato un gruppo chimico denominato eme.quest ultimo è una ferroprotoporfirna,ossia un chelato dello ione Fe 2+ e della protoporfirina IX contenente quattro gruppi pirrolici(indicati con le lettere da A a D)uniti da ponti metinici.l atomo di Fe 2+ al centro del gruppo eme è coordinato a quattro atomi di azoto della porfirina e ad un quinto atomo di azoto della catena laterale di un residuo di His denominata His F8.Il sesto ligando che si lega all atomo di ferro è una molecola di ossigeno(o 2 ). Struttura quaternaria dell emoglobina Complesso Eme Quando l atomo di Fe 2+ di un gruppo eme isolato entra in contatto con l ossigeno si ossida irreversibilmente a Fe 3+,una forma ionica che non può legare ossigeno.la parte proteica dell emoglobina impedisce l ossidazione dell eme e rende invece possibile un legame reversibile dell O 2 al gruppo eme.l ossigenazione altera lo stato elettronico del complesso Fe 3+ -eme;questa modificazione è facilmente identificabile attraverso la variazione di colore da rosso scuro a rosso scarlatto che si ha per effetto del legame dell O 2.L emoglobina quindi a seconda se è legata o no con l ossigeno verrà denominata ossi-emoglobina o deossi-emoglobina;entrambe però presentano strutture e proprietà differenti. 11

12 Più precisamente, l ossigenazione ne induce un cambiamento conformazionale; avverà quindi una transizione dallo stato T, che rappresenta la conformazione in cui si trova la deossiemoglobina, allo stato R che rappresenta la conformazione che assume la ossiemoglobina.il procedimento attraverso il quale avviene il cambiamento conformazione è descritto attraverso il Meccanismo di Perutz. Desossiemoglobina-Stato T- Ossiemoglobina-Stato R- Oltre a queste differenze strutturali la deossi e l ossiemoglobina hanno proprietà magnetiche diverse,e proprio su queste proprietà che fmri e quindi l effetto BOLD fondano i propri principi.esistono in natura alcuni materiali che se immersi in un campo magnetico B 0 possono interagire con quest ultimo in maniera differente;a questo proposito è lecito scassificarli in: Ferromagnetici:Sono materiali fortemente magnetizzati anche se non sono sottoposti ad alcun campo magnetico esterno;tuttavia i materiali ferromagnetici diventano a loro volta dei magneti se immersi in un campo magnetico esterno,perché l effetto di quest ultimo è di orientare i momenti magnetici propri delle molecole parallelamente alla direzione del campo stesso.quindi i materiali che presentano questa caratteristica interagiscono in modo violento(attrattivo o repulsivo)con il campo esterno B 0. Diamagnetici: Sono sostanze che vengono debolmente respinte da un campo magnetico B 0. Tutti i materiali mostrano un comportamento diamagnetico se sottoposti ad un campo magnetico, tuttavia quando questi materiali hanno altre proprietà magnetiche (come ferromagnetismo o paramagnetismo), l'effetto è trascurabile. Le sostanze che hanno comportamento diamagnetico sono, nell'esperienza comune, "non magnetiche".in particolare il diamagnetismo si osserva in quei materiali le cui molecole non posseggono un momento di dipolo magnetico proprio, ma la magnetizzazione si realizza solo per il fenomeno della precessione di Larmor. La relazione che lega i vettori e è proporzionalmente lineare: 12

13 dove m è la suscettività magnetica che per materiali diamagnetici è una costante negativa dell ordine di / Segue dove μ = μ 0 (1 + m ) = μ 0 μ r è la permeabilità magnetica assoluta e μ r = 1 + m la permeabilità magnetica relativa al materiale. Paramagnetici:Sono caratterizzati a livello atomico da dipoli magnetici che si allineano con il campo magnetico applicato, venendone debolmente attratti.in particolare il paramagnetismo si osserva in quei materiali le cui molecole posseggono un momento di dipolo magnetico proprio, quindi si ha un effetto prevalentemente dovuto a polarizzazione magnetica per orientamento e trascurabile precessione di Larmor. Contrariamente ai materiali ferromagnetici (che pure sono attratti da campi magnetici), i materiali paramagnetici non conservano la magnetizzazione in assenza di un campo esterno applicato. La relazione che lega i vettori e e è proporzionalmente lineare: dove m è la suscettività magnetica che per materiali paramagnetici è un numero puro positivo inversamente proporzionale alla temperatura dell ordine di 10-5 /10-3. Le altre relazioni sono: dove μ = μ 0 (1 + m ) = μ 0 μ r è la permeabilità magnetica assoluta e μ r = 1 + m la permeabilità magnetica relativa al materiale. Quanto detto, non coinvolge soltanto la materia inanimata ma anche materia vivente quali le cellule e,nello specifico l emoglobina;non a caso quest ultima è diamagnetica quando ossigenata mentre è paramagnetica quando non ossigenata.questa differenza è da attribuirsi al gruppo emoglobinico poiché ciò che influenza il rilassamento protonico è il gruppo eme in quanto ospita nel suo centro un atomo di Fe 2+ che è il diretto interessato nelle interazioni paramagnetiche con i protoni acquosi,nonostante si trovi una tasca proteica idrofobica.la deossiemoglobina genera campi locali che interrompono l omogeneità del campo applicato esternamente,provocando uno sfalsamento irreversibile degli spin nucleari nel tessuto circostante con conseguente diminuzione del segnale da quel tessuto. L aumento di concentrazione di deossiemoglobina provoca quindi cadute di segnale RM, la sua diminuzione causa un aumento di segnale. 13

14 L'andamento del segnale BOLD è tipico, ed è strettamente correlato ai fenomeni metabolici coinvolti nella attivazione dei neuroni: all'iniziale caduta di segnale dovuta ad un iniziale aumento di concentrazione di Hb deossigenata, conseguenza dell'estrazione di ossigeno dai capillari arteriosi, fa seguito un aumento di segnale dovuto all'aumento del flusso locale di sangue ossigenato nella sede attivata, che diluisce l'emoglobina deossigenata facendone diminuire la concentrazione. Con il passare dei secondi il metabolismo cellulare fa estrarre ulteriore ossigeno dai capillari, provocando così un progressivo aumento di concentrazione di deossiemoglobina, con conseguente caduta del segnale, che dopo aver raggiunto un minimo riprende ad aumentare fino a stabilizzarsi sul livello precedente all'attivazione. Applicazioni cliniche fmri Se ben utilizzata,l fmri è uno strumento potentissimo,le cui applicazioni allo studio dei sistemi funzionali celebrali sono cresciute enormemente nel corso dello scorso decennio.anche se la ricerca fmri è ancora lontana dalla risoluzione totale di tutte le problematiche e dalla formulazione di un impalcatura teorica estensiva che spieghi e racchiuda i fenomeni funzionali nella loro globalità,tuttavia,l applicazione sempre più diffusa dell fmri ha prodotto risultati di tale rilevanza da promuovere ed indirizzare quote rilevanti della ricerca internazionale nel campo delle neuroscienze.il campo di applicazione della fmri si è progressivamente ampliato dall esplorazione delle funzioni sensoriali e motorie semplici all analisi dei dettagli funzionali delle aree sensitive e motorie e poi allo studio dei più complessi processi cognitivi.questi ultimi hanno acquisito un ruolo sempre più importante,tanto da racchiudere attualmente la gran parte della ricerca in fmri. Nonostante molti (>90%) degli studi fmri hanno avuto nello scorso decennio obiettivi di ricerca,una quota crescente degli esami,attualmente quantitativamente interessante,viene finalizzata ad espliciti obiettivi diagnostici in situazioni cliniche specifiche.la quota maggiore degli esami diagnostici fmri riguarda la programmazione neurochirurgia in pazienti con patologie tumorali cerebrali.in questi pazienti l fmri consente una preziosa identificazione preoperatoria delle aree cosiddette eloquenti,cioè quelle la cui lesione durante un intervento chirurgico comprometterebbe in maniera irreparabile un importante funzione cerebrale.l fmri può identificarne la localizzazione,l estensione,i margini ed i rapporti con le lesioni tumorali,e può produrre risultati immediatamente utilizzabili a tavolo operatorio.in più,le informazioni fmri sono leggibili da parte degli strumenti per la cosiddetta neuronavigazione,che dimostra in tempo reale la posizione del bisturi all interno di immagini cerebrali tridimensionali.forse ancora più interessante,anche se più difficile metodologicamente e meno diffuso nella pratica clinica,l applicazione dell fmri alla programmazione di interventi nel caso in cui la lesione da sottoporre all intervento non abbia carattere organico ma una natura specificamente funzionale. 14

15 E, per esempio, il caso delle patologie epilettiche,nelle quali la visualizzazione diretta del focus epilettogeno con fmri consente di personalizzare il programma chirurgico.molto interessante,ma fondate su basi scientifiche ancora in costruzione le applicazioni fmri che studiano i processi plastici cerebrali.si attribuisce molto valore alla plasticità cerebrale nella modulazione dei deficit funzionali successivi ad eventi distruttivi,come ictus o gli stessi interventi chirurgici.poter studiare direttamente il divenire dei processi plastici consentirebbe di ottimizzare gli interventi terapeutici,farmacologici o neuroriabilitativi,perché producano i migliori risultati funzionali.dunque,riepiloghiamo sommariamente i diversi campi di applicazione della fmri: Applicazioni cliniche: pazienti chirurgici ed epilettici. Sistema somato-sensoriale: organizzazione funzionale delle aree primarie e secondarie. Organizzazione funzionale del sistema visivo. Organizzazione funzionale del sistema motorio. Movimento e scrittura. Distonia: crampo dello scrivano. Memoria: memoria a breve termine, normali e pazienti affetti da Alzheimer. Neuropsicologia: generazione di immagini mentali. Investigazione/Criminologia:adattamento a macchina della verità. Below are four fmri (functional magnetic resonance imaging) brain scans obtained during a visual memory task. The results of the experiment were reported in November 2000 by Mark D'Esposito and Charan Ranganath of the University of California, Berkeley, at the annual meeting of the Society for Neuroscience. 15

16 In scan 1 a subject is asked to remember a face.areas at rear of the brai that process visual information are active during this task,as in an area in frontal lobe. In scan 2 the subject is asked to think about this face.surprisingly the hippocampus is activated-the first time this has been documented.the hippocampus was already know to be important for memory,but these results show that this part of the brain is specifically active during the time when we are remembering new information. In scan 3 and 4,the subject was asked to compare another face to the remembered face.some of the same visual areas are activated during the initial memory task,but other areas,such us part of the frontal lobe,are involved in making a decision about the memory. Vantaggi e Svantaggi della tecnica fmri Può registrare segnali cerebrali (umani o animali) in modo non invasivo senza utilizzo di radiazioni ionizzanti sfruttate in altri metodi come TC o PET. Nonostante sia una tecnica non invasiva, la fmri fornisce una risoluzione spaziale abbastanza buona. La risoluzione spaziale ottenibile con la tecnica MRI è teoricamente dell ordine di 100 μm. Tale limite non è però raggiungibile con la tecnica che attualmente vanta una risoluzione di 1-2 mm. Nonostante la fmri presenti alcuni vantaggi,è stata fortemente criticata fin dalla sua introduzione sia come tecnica di ricerca,sia per l interpretazione dei suoi risultati.infatti: L indagine a fmri ha un costo piuttosto elevato. Presenta una scarsa maneggevolezza ed un ingombro significativo. E sensibile agli artefatti dovuti al movimento e lo spazio in cui è confinato il paziente durante l esecuzione dell esame è ridotto. Il segnale BOLD è solo una misura indiretta dell attività neurale ed è quindi suscettibile ad influenza da parte di fenomeni fisiologici non neurali. Aree differenti del cervello potrebbero avere diverse risposte emodinamiche, che non sarebbero rappresentate accuratamente dal modello generale lineare, spesso usato per filtrare i segnali temporali della RMF. La fmri è spesso usata per visualizzare l attivazione localizzata in regioni specifiche, senza rappresentare adeguatamente la natura distribuita del funzionamento delle reti neurali biologiche. I segnali fmri necessitano di un certo intervallo di tempo per generarsi dopo l onset dello stimolo, generalmente tale intervallo vale 4-5 secondi ma può raggiungere un limite inferiore di 2-3 secondi. In realtà la tecnica è in grado di monitorare cambiamenti nel segnale in un intervallo temporale di circa 100 ms (con la tecnica EPI). Tuttavia, il limite temporale della fmri sembra essere dovuto più alle latenze fisiologiche dei meccanismi emodinamici che alla metodica. 16

17 La risposta temporale relativa all afflusso sanguigno, su cui si basa la fmri, è piuttosto lieve in relazione ai segnali elettrici veicolo delle comunicazioni neuronali.alcuni gruppi di ricerca stanno quindi lavorando su questo problema, combinando la fmri con dati forniti da altri tipi di esami, come l elettroencefalografia (EEG) o magnetoencefalografia (MEG). L EEG ha una risoluzione temporale molto maggiore, ma una risoluzione spaziale piuttosto ridotta, mentre la MEG ha una risoluzione temporale al pari della EEG e risoluzione spaziale simile alla RMF. Ciò ha portato alcuni a considerare la MEG un esame più valevole rispetto alla fmri.come per ogni altra tecnica, la valenza della fmri è fortemente influenzata dalla progettazione dell esperimento che ne coinvolge l uso. Molti ricercatori hanno usato la fmri invano poiché non avevano adeguate conoscenze di tutti gli aspetti coinvolti nella tecnica, o perché hanno ricevuto insegnamenti in discipline caratterizzate da meno rigore rispetto ai rami della psicologia e delle neuroscienze qui coinvolti. L uso inefficace della tecnica è un problema, ma non dovuto alle caratteristiche della tecnica in sé. Ciò nonostante l fmri è diventata dopo un decennio di crescita esponenziale,uno strumento clinico e di ricerca estremamente interessante,i cui risultati,ora affidabili e sicuri,possono venire utilizzati nella pratica diagnostica quotidiana ed hanno riflessi apprezzabili su molte scelte terapeutiche. Emanuela Li Pizzi,Facoltà di Biotecnologie,Biofisica a.a 2006/

18 Bibliografia Bioimmagini, di Guido Valli e Giuseppe Coppini -Pàtron Editore-Bologna 2005; Biofisica e Tecnologie Biomediche di C.Nicolini e A.Rigo-Zanichelli 1994-; Tomografia NMR di Francesco De Luca,Bruna C.De Simone e Bruno Meraviglia -Le Scienze edizione italiana di Scientific American n 166,novembre 1982; Fondamenti di Biochimica di Donald Voet,Judith G.Voet,Charlotte W.Pratt, -Zanichelli 2006-; Spettroscopia NMR delle cellule viventi di R.G.Shulman-Le Scienze edizione italiana di Scientific American n 175,marzo 1983; %20novembre%20Coriasco.pdf pdf Emanuela Li Pizzi,Facoltà di Biotecnologie,Biofisica a.a 2006/