Metodi di immagine del sistema nervoso centrale. Statici: permettono di visualizzare la struttura del SNC Radiografia. Risonanza magnetica (NMR-MRI)

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1 Metodi di immagine del sistema nervoso centrale Statici: permettono di visualizzare la struttura del SNC Radiografia Tomografia assiale computerizzata (TAC) Risonanza magnetica (NMR-MRI) Di i i tt di t di l f i b l Dinamici: permettono di studiare la funzione cerebrale EEG potenziali evocati (ERP) Tomografia ad emissione di positroni (PET) Risonanza magnetica funzionale (fmri)

2 RADIOGRAFIA

3 ventricolo ti Il tessuto nervoso è scarsamente radio-opaco

4 Tomografia Assiale Computerizzata - TAC

5 Risonanza Magnetica Nucleare - NMR 1 rotoni nuclei di atomi di idrogeno H 2 O) campo magnetico verticale pulso di radiofrequenza (campo magnetico orizzontale) 2 precessione 4 cam mpo magnet tico vertica ale cale cam mpo magn netico verti accoppiamento paramagnetico

6 Transverse magnetization B 0 Longitudinal magnetization longitudinal axis B 1

7 NMR 64 slices x 3 mm

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9 Gadolinio: aumenta le proprietà paramagnetiche del tessuto

10 Metodi di indagine funzionale del sistema nervoso Misure dirette Attività elettrica Singole unità EEG ERP Misure indirette Variazioni di flusso sanguigno Variazioni attività metabolica (consumo di O 2 /glucoso) PET SPECT fmri >apporto O 2 /glucoso 2 g >attività elettrica >consumo energetico Altre misure funzionali (binding, ecc..) PET SPECT >flusso ematico locale

11 Il primo esperimento di brain imaging funzionale Angelo Mosso ( ) E = mc 2??? In Mosso s experiments] the subject to be observed lay on a delicately balanced table hich could tip downward either at the head or at the foot if the weight of either end were creased. The moment emotional or intellectual activity it began in the subject, down went e balance at the head-end, in consequence of the redistribution of blood in his system. -- William James, Principles of Psychology (1890)

12 EEG cranio meninge

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14 EEG EEG attività ità corticale desincronizzata i attività ità corticale sincronizzata i EEG: EEG: alta frequenza bassa frequenza bassa ampiezza alta ampiezza

15 Potenziali evocati e event-related potentials /ERP stimolo visivo attivazione corteccia visiva EEG tempo l t i t EEG i il l tti ità i d tt d ll ti l ul tracciato EEG non si rileva l attività indotta dallo stimolo è troppo piccola rispetto al rumore di fondo)

16 Potenziali evocati e event-related potentials /ERP -- AVERAGING stimolo visivo attivazione corteccia visiva EEG tempo AVERAGE Gli eventi distribuiti casualmente tendono ad elidersi da un trial all altro. Quelli in relazione temporale con lo stimolo tendono a sommarsi

17 Potenziali evocati e event-related potentials /ERP -- AVERAGING L averaging si utilizza tutte le volte che si deve aumentare il rapporto L averaging si utilizza tutte le volte che si deve aumentare il rapporto segnale/rumore

18 Potenziali evocati uditivi tronco enc. talamo corteccia

19 omografia ad emissione di positroni (PET) Isotopi che emettono positroni: 15O 11C 18F SPECT (Tc99m) PET 1cm - min 5mm 30s

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21 PET variazioni di flusso o del metabolismo energetico

22 PET localizzazione di sostanze Analisi funzionale molecolare individuo normale paziente parkinsoniano prima del trapianto un anno dopo il trapianto

23 MRI vs. fmri igh resolution (1 mm) MRI fmri low resolution (~3 mm but can be bet one image fmri Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) signal indirect measure of neural activity many images (e.g., every 2 sec for 5 min neural activity blood oxygen fmri signal

24 Stimulus to BOLD

25 sensory stimulation leads to increased blood flow Arteriole diameter Blood velocity Blood pressure

26 Hemoglobin riposo Lo stato di ossigenazione dell Emoglobina ne modifica le proprietà paramagnetiche e quindi il segnale MRI

27 Even Simple Circuits Aren t Simple Lower tier area (e.g., thalamus) gray matter (dendrites, cell bodies & synapses) white matter (axons) Middle tier area (e.g., V1, primary visual cortex) Higher tier area (e.g., V2, secondary visual cortex) Will BOLD activation from the blue voxel reflect: output of the black neuron (action potentials)? excitatory t input (green synapses)? inhibitory input (red synapses)? inputs from the same layer (which constitute ~80% of synapses)? feedforward projections (from lower-tier areas)? feedback projections (from higher-tier areas)?

28 Comparing Electrophysiolgy and BOLD Logothetis et al (2001) combined BOLD fmri and electrophysiological Logothetis et al. (2001) combined BOLD fmri and electrophysiological recordings; found that BOLD activity is more closely related to local field potentials (EEG) than multiple unit activity (MUA)

29 fmri Activation Flickering Checkerboard OFF (60 s) - ON (60 s) -OFF (60 s) - ON (60 s) - OFF (60 s) stimolo Brain Activity MRI misura variazioni relative di flusso Source: Kwong et al., 1992

30 PET and fmri Activation

31 Activation Statistics unctional images ~2s fmri Signal (% change) ROI Time Course Time Condition Statistical Map superimposed on anatomical MRI image Time Region of interest t (ROI) ~ 5 min

32 Averaging

33 Statistical map on anatomical map

34 Statistical Maps & Time Courses 2D 3D

35 fmri Acquisizioni multiple Differenza esperimento-controllo Averaging Localizzazione a ione - mappa statistica (bassa risoluzione) ione) sovrapposta a mappa anatomica (alta risoluzione) 2D 3D Time course

36 Tomografia Assiale Computerizzata - TAC