UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PARMA

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1 Titolo Studi mediante Risonanza Magnetica Nucleare delle caratteristiche anatomofunzionali della fisiologia cerebrale umana in vivo. Introduzione Il tomografo NMR 3T GE-MR750 è dal 2009 sito presso l Azienda Universitario- Ospedaliera di Parma, in seguito ad una donazione effettuata alla città dalla Fondazione CARIPARMA. La donazione, che rappresenta senz altro una notevole ricchezza aggiunta per la città di Parma, è stata effettuata nel 2008 come riconoscimento della Fondazione alla città stessa, ma in particolare al Prof. Giacomo Rizzolatti per i suoi lavori scientifici di alta rinomanza, soprattutto relativi alla scoperta dei neuroni specchio, senz altro una delle scoperte scientifiche più importanti di sempre, e non limitatamente alle sole Neuroscienze. E in funzione di questi meriti scientifici, che hanno contribuito non solo ad un notevole avanzamento delle Neuroscienza e di tutte le dottrine che in qualche modo si interessano allo studio del cervello umano a livello biologico, filosofico, matematico e sociale, ma anche all indiscusso aumento del prestigio della città di Parma in ambito internazionale, che la Convenzione tra Az. Ospedaliera e Università (vd. Allegato) prevede che una percentuale del 5/11 della attività di tale macchina sia dedicato alla ricerca. Il tomografo in oggetto presenta infatti caratteristiche tecniche di avanguardia, e permette di svolgere indagini di altissimo livello sia nello studio della struttura cerebrale, sia della sua funzione, che possono integrare il lavoro svolto dal Prof. Giacomo Rizzolatti e dalla sua equipe con una delle metodiche non invasive attualmente più adatte allo studio della struttura e funzionalità cerebrale umana in vivo. Obiettivi E interesse del presente progetto quello di indagare la fisiologia cerebrale umana nelle sue componenti strutturali e metabolico-funzionali. Lo Studio avrà durata 5 anni e includerà l arruolamento di 2000 soggetti volontari sani (400/anno). Di tali soggetti un numero di 50 soggetti sarà costituito da volontari di età tra i 9 ed i 17

2 anni, mentre un numero di 1950 sarà costituito da volontari di età compresa tra 18 e 85 anni. L arruolamento dei soggetti volontari sani verrà effettuato tramite passaparola, nonché materiale divulgativo incentivante distribuito in Università o luoghi di incontro privati (palestre, scuole di ballo, ecc.). Ai volontari sarà fornita informazione completa riguardo gli esperimenti e sarà richiesta la sottoscrizione di presa visione della scheda informativa, della dichiarazione di consenso informato, nonché del questionario preliminare (materiale allegato). Laddove il soggetto non abbia compiuto i diciotto anni sarà il tutore a sottoscrivere i documenti di consenso informato. I risultati attesi riguardano l individuazione di network cerebrali coinvolti nei processi e meccanismi che gli studi condotti sui primati non umani hanno suggerito come territorio di indagine nell uomo. In particolare, ci si attende di identificare le risposte cerebrali e la connettivita di aree corticali e subcorticali coinvolte nelle funzioni cognitive, in particolare nel contesto del sistema specchio e nel processamento emotivo. Si mira, mediante l analisi della neuroanatomia funzionale, a contribuire allo studio dei fenomeni percettivi nella loro natura top-down e bottom-up. In particolare, la nostra ricerca mira ad evidenziare la funzione delle aree profonde e corticali, andando a indagare i processi percettivi, emozionali e cognitivi che caratterizzano il comportamento sociale e i processi decisionali tramite di stimolazione sensoriale (visiva, tattile, gustativa, olfattiva e uditiva) o farmacologica. Ci si attende di dare un contributo importante anche nella caratterizzazione della percezione umana per quanto riguarda la dimensione estetica e di porre le basi per l analisi dei meccanismi che legano estetica e comunicazione. A tal fine, intendiamo indagare i processi sottesi alla complessa manifestazione della comunicazione umana nell ambito sociale e delle relazioni. Interesse del presente studio è l indagine dei complessi meccanismi che legano i fenomeni di attenzione, memoria e scelta, secondo le nuove teorie della neuro-economia e dei modelli di salienza (di interesse sia in fisiologia che nelle patologie in cui tali processi siano in qualche modo compromessi determinando comportamenti socialmente problematici).

3 Si ritiene che i risultati ottenuti durante tale lavoro possano essere di estrema importanza non solo per quanto riguarda la caratterizzazione anatomica e funzionale del sistema nervoso centrale in soggetti sani, ma anche di utilizzare tali studi come controllo per i lavori che si propongano di indagare la natura delle patologie cerebrali manifeste in comportamenti atipici o patologici. A tale fine è dunque interesse del presente studio anche la raccolta di dati normativi (da acquisire su soggetti volontari sani) da utilizzare successivamente per confronti con le risposte neurali e comportamentali acquisite su soggetti affetti da patologie neuropsichiatriche quali demenze senili, sclerosi multipla e altre forme di neuro degenerazione, traumi cranici o accidenti cerebrovascolari, dipendenze (alcolismo, tossicodipendenza, ecc), disturbi del movimento e linguistici, disturbi psicotici, disturbi dell umore, disturbi di personalità, disturbi d ansia e disturbi dell alimentazione. Razionale Il tomografo MR750 permette l eccellenza nelle indagini svolte sul cervello umano in vivo mediante una serie di metodiche complementari, consentite queste ultime dalla peculiarità stessa della risonanza magnetica nucleare di poter essere specificamente tarata, mediante opportuni protocolli, per evidenziare aspetti diversi della struttura anatomo-funzionale del cervello umano (vedi sezione Metodi). Gli studi che costituiranno i temi principali di ricerca sul tomografo sono tutti quelli che prevedono l estensione del lavoro svolto sui neuroni specchio dal Prof. Giacomo Rizzolatti e dai Professori e Ricercatori del Dipartimento di Neuroscienze dell Università degli Studi di Parma. Si tratta di indagini volte sia alla verifica delle affinità del sistema specchio umano con quello dei primati non umani (già indagato con tecniche diverse dalla risonanza magnetica nucleare), sia alla estensione della comprensione del sistema specchio a quelle caratteristiche avanzate peculiari della specie umana e tradotte in comportamenti complessi che si ritiene possano avere comunque il sistema specchio alle propria fondamenta. Tema di notevole interesse che sarà sviluppato mediante l utilizzo del tomografo sarà anche quello della Neuro-Estetica, già condotto con successo dalla Dott.ssa Cinzia Di Dio durante il lavoro di dottorato presso l Università Degli Studi

4 Di Parma, riguardo i substrati neurali della percezione estetica. Tali studi sono stati precedentemente condotti grazie alla collaborazione di altri centri di ricerca sia Italiani che esteri che consentissero l utilizzo di un Tomografo NMR. Altro tema centrale sarà costituito nei prossimi due anni dalla ricerca svolta dal Prof. Guy Orban sulla Corteccia Visiva. Gli studi condotti dal Prof. Guy Orban in Belgio, e caratterizzati dall eccellenza nell ambito del tema specifico, saranno infatti in parte proseguiti sul tomografo MR750 che consente grazie alle caratteristiche segnale/rumore di alta qualità, l analisi dettagliata della funzione di popolazioni neurali molto complesse. In generale in questi due anni si vuole arrivare a caratterizzare la fisiologia cerebrale umana analizzando la struttura della corteccia, la struttura della sostanza bianca di interconnessione, la funzionalità di determinate popolazioni neurali (singole regioni) come di network neurali ed il metabolismo nonché le peculiari caratteristiche chimico-fisiche di specifici tessuti cerebrali di interesse soprattutto in posizioni subcorticali, partendo dalle domande che la lunga esperienza scientifica del Dipartimento di Neuroscienze ha posto negli anni e continua a porre, come rafforzamento dei suoi risultati di eccellenza e come estensione degli stessi a piani di intervento investigativo e speculativo permessi esclusivamente dalle possibilità fornite dalla strumentazione in oggetto. Oltre questi principali temi di ricerca è previsto l utilizzo del tomografo anche in funzione delle domande scientifiche relative alla fisiologia umana cerebrale suggerite dal lavoro svolto all interno del Dipartimento di Neuroscienze dell Università degli Studi di Parma, nonché da collaboratori esterni, siano essi Dipartimenti Universitari, Società o Strutture Ospedaliere, che propongano temi di interesse condiviso dal gruppo di lavoro del Dipartimento di Neuroscienze e che possano trarre effettivi benefici dallo svolgimento della ricerca relativa i temi stessi sul tomografo MR750. Metodi Acquisizione Dati: Come accennato in introduzione la MR750 permette di raggiungere l eccellenza in varie forme di analisi di cui il gruppo di ricerca del

5 Dipartimento di Neuroscienze intende fare uso a seconda delle necessità specifiche che lo studio viene a richiedere, e che andiamo qui di sotto ad elencare. L Imaging in Risonanza Magnetica Funzionale (fmri) è una tecnica che permette di visualizzare una mappa tridimensionale del consumo di ossigeno effettuato dal cervello durante la sua attività. Tale tecnica, in grado di analizzare anche le regioni subcorticali, e con una risoluzione dell ordine dei pochi millimetri, è la candidata ideale a sostituire, su grandi popolazioni di neuroni, l indagine elettrofisiologica che comunemente si svolge sui primati non umani, considerando la stretta relazione che intercorre tra il consumo di ossigeno e l attività elettrica dei neuroni stessi. L alta frequenza di lavoro del Tomografo (120 MHz), ottenuta intrinsecamente in seguito alla presenza dell alto campo magnetico statico di 3 Tesla, consente un rapporto segnale/rumore elevato, facilitando le indagini statistiche insite nella tecnica fmri. La presenza di bobine multi-canale, e le performance dei gradienti di Imaging aumentano la risoluzione spaziale e/o temporale dell acquisizione, nonché la qualità delle immagini in risposta ai classici problemi di distorsione di cui è generalmente affetta la tecnica fmri. L Imaging morfometrico ad alta risoluzione permette una analisi sub-millimetro della struttura cerebrale, nonché permette di contrastare i diversi tessuti cerebrali (sostanza bianca, sostanza grigia, liquido cerebro-spinale) con alta affidabilità, e di effettuare precise misure morfometriche sulle stesse. Anche per queste tecniche l alto segnale/rumore e l uso di bobine in ricezione multicanale sono essenziali per aumentare la qualità del risultato e ridurre i tempi di acquisizione. La tecnica dell Imaging in Diffusione Tensoriale permette di indagare le caratteristiche della sostanza bianca, sia in relazione alla composizione strutturale del tessuto (indici fisici scalari), sia in relazione a caratteristiche legate alla connettività cerebrale (indici fisici non scalari, in grado di elucidare le direzioni di fasci nervosi fino a dimensionni dell ordine del millimetro). Tale tecnica permette di determinare la connettività strutturale tra regioni cerebrali che condividono network funzionali noti o per le quali gli stessi sono ipotizzati. La tecnica si basa sull analisi delle caratteristiche di diffusività delle molecole d acqua nel tessuto cerebrale, che presentano natura tensoriale. L utilizzo di bobine multi-canale, insieme alle caratteristiche tecniche avanzate dei gradienti di Imaging del tomografo, permettono

6 di ridurre i tempi di acquisizione dell informazione di base sulla diffusività, e di conseguenza permettono di ottenere immagini di elevato rapporto segnale/rumore in breve tempo. E da notare che notevole giovamento, dalle caratteristiche tecniche della macchina, traggono anche le tecniche rilassometriche, spettroscopiche e di perfusione. Le prime e le seconde, in grado di evidenziare la composizione chimica del cervello, sono di grande interesse per quanto riguarda il metabolismo cerebrale. Esse traggono i massimi benefici dall alto campo e della sua estrema omogeneità (la prima in funzione del segnale/rumore che tale campo offre, la seconda in funzione dell alto contrasto in suscettibilità magnetica intrinseco dell alto campo stesso). La terza, che trae estremo vantaggio oltre che dall alto campo e dalla sua omogeneità anche dall area di lavoro garantita di 50cm permessa dalle specifiche del tomografo, è in grado di analizzare il flusso ematico, e può trovare applicazione anche nello studio funzionale, poiché il consumo di ossigeno di una popolazione neurale si accompagna ad una variazione locale del flusso ematico stesso. Analisi statiscica: Gli studi daranno effettuarti su una media di un minimo di 12 soggetti per categoria di interesse, per cui un singolo contrasto prevedrà il reclutamento di 24 soggetti minimo. Questo indicativamente sarà valido sia per gli studi funzionali che strutturali. I dati, dopo essere stati acquisiti sulla macchina, verranno trasferiti ad un server di archiviazione e smistamento verso le consolle di processing sulle quali verranno adottati software specificamente dedicati alle analisi morfometriche o funzionali (MATLAB, SPM (MATLAB Toolbox), FSL, Freesurfer, AFNI, ANTS, MRTRIX, TrackVis), generalmente si tratterà di metodi di analisi multivariata con statistiche non parametriche di tipo permutativo per le prime, e con analisi basate sul general linear model per le seconde. Approccio Logistico Sperimentale e Trattamento Dati Le ore a disposizione sul Tomografo saranno regolamentate secondo accordi interni al gruppo di ricerca NMR del Dipartimento di Neuroscienze. I temi di interesse primario lasceranno senz altro spazio anche ad altri temi che si riterranno di valore e di interesse scientifico. Un apposito comitato scientifico, presieduto dal Prof.

7 Giacomo Rizzolatti e dal Dott. Girolamo Crisi, e composto da ricercatori con consolidata esperienza in applicazioni di risonanza magnetica e con competenze sia di natura tecnica che scientifico applicativa, eleggerà di volta in volta gli studi ritenuti più opportuni sia in funzione del loro valore scientifico, che in funzione dei loro pre-requisiti etici e di sicurezza. Una volta approvato lo studio mediante presentazione del progetto al comitato scientifico, saranno allo stesso assegnate ore, personale ed una postazione lavoro adeguati al piano progettuale. I dati saranno acquisiti sul tomografo sempre in presenza di un tecnico radiologo del servizio sanitario nazionale messo a disposizione dall Azienda Ospedaliera nelle ore di ricerca in funzione della Convenzione stipulata con la Fondazione CARIPARMA, ed in ottemperanza di tutti i requisiti di sicurezza richiesti dalla Azienda Ospedaliera stessa, sia per quanto riguarda i soggetti volontari sani sia per quanto riguarda i ricercatori che avranno esigenza di accedere alla zona di rispetto o alla sala magnete. Al fine di assicurare i requisiti sia di qualità che di sicurezza il gruppo ha stretto un accordo di collaborazione reciproco con i responsabili sia del personale medico (Dr. Girolamo Crisi), che tecnico (Daniele Davolio), che della Fisica Sanitaria (Dott. Silvano Filice). Per tutti i volontari sani prima di accedere al magnete verrà verificata la compatibilità con l esame di risonanza magnetica mediante la compilazione della questionario preliminare di accesso (vedi allegato), firmato dal soggetto stesso e controfirmato dal responsabile della sicurezza dell impianto Dr. Girolamo Crisi o da altra persona preventivamente abilitata dallo stesso. Una volta acquisiti i dati verranno trasferiti mediante protocollo DICOM ad un server PACS sito in dipartimento, dal quale verranno memorizzati su un sistema RAID sicuro e messi a disposizione del ricercatore che ne deve attuare l analisi. Il sistema di trasferimento e analisi si appoggia prevalentemente su piattaforma Apple, mediante software di gestione dati Osirix e mediante software di analisi dedicati alla ricerca (vedi metodi).