La Risonanza Magnetica Funzionale

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1 La Risonanza Magnetica Funzionale Facoltà di Farmacia Corso di Laurea in Chimica e Tecnologie Farmaceutiche Attività a scelta dello studente AA Cosimo Del Gratta Dipartimento di Scienze Cliniche e Bioimmagini Università G. D Annunzio

2 Sommario Richiami di Fisica La Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) La formazione di immagini tomografiche del corpo umano mediante NMR (MRI) La formazione di immagini funzionali dell encefalo (fmri)

3 Applicazioni della fmri Neurofisiologia Neuropsicologia Neuroscienze cognitive Neurologia clinica

4 organizzazione in sistemi sistema motorio sistema sensitivo sistemi visivo, uditivo, olfattivo gustativo sistema cognitivo

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10 Homunculus somatosensoriale e motorio

11 Homunculus somatosensoriale (British Museum)

12 Neurofisiologia: Sistema somatosensoriale

13 Somatotopia di M1ed S1 Movimento piede sx Stimolazione tibiale sx

14 Somatotopia di M1ed S1 Finger-tapping sx Mediano dx

15 Somatotopia di M1ed S1

16 POSIZIONE DI SI E SII SI SII

17 R L Right median and tibial nerve stimulation tibial median SII

18 R L Left median and tibial nerve stimulation tibial median SII

19 SOGGETTI STUDIATI E STIMOLI 10 volontari sani destrimani (età media 21). Stimolazione somatosensoriale: impulsi elettrici applicati al nervo mediano della mano destra (durata 400 μs, intervallo inter-stimolo 500 ms). Stimolazione a 5 livelli di intensità:

20 MISURA fmri (1) Scanner MRI Siemens a 1.5 Tesla. Immagini con contrasto BOLD ottenute attraverso sequenze ecoplanari pesate in T2*. Paradigma di stimolazione: I1 Idem per I2 I5.

21 MISURA fmri (2) Acquisizione fmri per ogni intensità dello stimolo: 60 volumi (22 slices) TR 3s voxel size 4mm x 4mm x 4mm Immagine anatomica ad alta risoluzione

22 General Linear Model: ANALISI DEI DATI (1)

23 ANALISI DEI DATI (2) Definizione delle regioni di interesse: Regions Of Interest (ROI) Studio del segnale BOLD in queste ROI e confronto della risposta emodinamica nelle diverse condizioni di stimolazione. Trasformazione delle immagini nello spazio di Talairach: Analisi di Gruppo.

24 ANALISI DI GRUPPO: AREE ATTIVATE IN SI E SII DURANTE LA STIMOLAZIONE NON-DOLOROSA csi csiia isiia

25 ANALISI DI GRUPPO: AREE ATTIVATE IN SI E SII DURANTE LA STIMOLAZIONE DOLOROSA csi csiia isiia csiip isiip

26 RISULTATI INDIVIDUALI

27 RISULTATI INDIVIDUALI

28 ANDAMENTO DEL SEGNALE BOLD IN SI E SII Stimolo non doloroso Stimolo doloroso BOLD signal % change 1,9 1,4 0,9 0,4 csi -0,1-0, ,9 csii 1,9 isii BOLD signal % change 1,4 0,9 0,4 BOLD signal % change 1,4 0,9 0,4-0,1-0,1-0, ,

29 ANDAMENTO DEL SEGNALE BOLD NELLE SOTTOREGIONI DI SII Stimolo non doloroso Stimolo doloroso BOLD signal % change 1,9 1,4 0,9 0,4-0,1 csiia BOLD signal % change 1,9 1,4 0,9 0,4-0,1 isiia -0, , BOLD signal % change 1,9 1,4 0,9 0,4-0,1 csiip BOLD signal % change 1,9 1,4 0,9 0,4-0,1 isiip -0, ,

30 RISPOSTA BOLD NELLE SOTTOREGIONI DI SII IN FUNZIONE DELL INTENSITA DELLO STIMOLO csiia csiip isiia isiip 2,4 2,4 2 2 BOLD signal % change 1,6 1,2 0,8 BOLD signal % change 1,6 1,2 0,8 0, , Stimulus intensity Stimulus intensity

31 CONCLUSIONI In questo lavoro è stata studiata l attività della corteccia somatosensoriale primaria (SI) e secondaria (SII) per stimoli dolorosi e non dolorosi. E stata osservata un attivazione bilaterale di SII, con due distinte sottoregioni, SIIa (anteriore) e SIIp (posteriore). La regione posteriore ha mostrato un attività crescente con l intensità dello stimolo, suggerendo una segregazione funzionale in SII.

32 Functional topography of SII Red: median nerve stimulation. Blue: tibial nerve stimulation

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34 Individual results Red: median nerve stimulation. Blue: tibial nerve stimulation

35 Neurofisiologia: Plasticità cerebrale

36 Short term brain plasticity in humans Rossini et al., Brain Res thumb median little PRE POST

37 Psicologia: Immagini mentali

38 Visual L Symmetric inferior parietal activations R L R L

39 Tactile L Mainly left activation R L R L

40 Gustatory L Larger activation in the left hemisphere R L R L

41 Visual vs Tactile L R L R L

42 Visual vs Gustatory L R L R L

43 Psicologia: interazione nella percezione sensoriale secondo modalità diverse (crossmodale)

44 INTEGRAZIONE MULTISENSORIALE SEMANTICA Possibilità di associazioni crossmodali dovute al significato veicolato dagli stimoli (UEEEE!!!) Bambino che piange Stimolo uditivo Stimolo visivo

45 ELABORAZIONE CORTICALE AUDIO-VISIVA Sistema visivo Sistema uditivo Aree eteromodali Corteccia prefrontale Corteccia uditiva primaria Area 41 Solco intraparietale e solco Corteccia parietooccipitale (superficie mediale) visiva Percorso dorsale associativa (verso il Percorso lobo dorsale Aree 18/19 parietale) Corteccia uditiva secondaria Area 42 Percorso ventrale (verso il giro fusiforme) Percorso ventrale Solco temporale superiore Corteccia visiva primaria Area 17 Giro Paraippocampico (sulla superficie mediale dei lobi temporali)

46 STIMOLI AMBIENTALI 25 Immagini 25 Suoni Ambientali Appartenenti a 3 categorie semantiche Differenze rispetto al materiale verbale azioni umane animali strumenti Elefante (Match) Moneta (Mismatch)

47 PARADIGMA SPERIMENTALE fmri A= audio (25) V= video (25) M= audio-video match (25) MM= audio-video mismatch (25) 100 eventi in ordine casuale V V M A MM A V M MM V MM M A A Stimolo: 2,5 sec. Riposo: 14,5 sec.

48 RISULTATI (1) Effetti specifici nella condizione crossmodale Match rispetto alle condizioni unimodali [AV M -V] [AV M -A] Principali clusters attivati: P<0,00032 Giro Paraippocampico/ Ippocampo sx Amp.: 1602 Giro Linguale sx/dx Amp.: 1519 Giro Paraippocampico dx Amp.: 805 Talamo Amp.: 303

49 RISULTATI (2) Effetti specifici nella condizione crossmodale Mismatch rispetto alle condizioni unimodali [AV MM -V] [AV MM -A] Principali clusters attivati: P<0,00032 Solco Frontale Inferiore dx Amp.: 1349 Solco Frontale Inferiore sx Amp.: 248

50 Psicologia: localizzazione di una sorgente sonora

51 WHERE UDITIVO Schematic flow diagram of what and where streams in the auditory cortical system of primates. The ventral what -stream is shown in green, the dorsal where -stream, in red. PP, posterior parietal cortex; PB, parabelt cortex; MGd and MGv, dorsal and ventral parts of the MGN. Rauschecker & Tian, PNAS

52 WHERE UDITIVO (a) Stimuli were delivered from five different spatial locations: in the vertical headcentered meridian (0 ), at the right angles to the meridian plane on both sides (left - 90, right +90 ) and at 45 to the meridian plane (left -45, right +45). (b) fmri experimental paradigm: a large black bar represents an fmri volume acquisition, a small gray bar represents the delivery of a stimulus. The sequence is repeated 35 times for each stimulus type. The total number of trials is 105.

53 WHERE UDITIVO Results from the group analysis (p<0.05, corr.): activated areas during auditory stimulation in the three conditions: MIXED (a, b), RIGHT (c, d) and LEFT (e, f). In the MIXED condition Heschl s gyrus bilaterally and a more lateral region corresponding to the posterior aspect of the superior temporal gyrus in the right hemisphere were activated, and were larger than in the two other conditions. The lateral region was extended dorsally reaching the y = -49. Furthermore, only in this condition, there was activation in the supramarginal gyrus. During both the RIGHT and the LEFT conditions, bilateral auditory cortex (Heschl s gyrus) and the right more lateral region of the posterior superior temporal gyrus were involved (Right hemisphere is on the left).

54 WHERE UDITIVO Subject1. The four ECDs are superimposed on the individual structural MRI: (a) bilateral sources in the Heschl s gyrus; (b) one source in the more caudal region of the superior temporal gyrus; (c) one source in the supramarginal gyrus. (d). The three ECDs in the right hemisphere are shown on a sagittal view. The positions of the two ECDs in (b) and (c) were constrained in a cube with 4 mm side centered on the center of mass of the corresponding fmri activations. MEG has shown an early activation in Heschl s gyrus (139 ms after the auditory stimulus), a subsequent activation in the superior temporal gyrus (156 ms) and a late activation in the inferior parietal lobule and in the supramarginal gyrus (162 ms).

55 Neuroscienze cognitive: Memoria di lavoro

56 WORKING MEMORY STUDY NOWM task (control) ITI Warning CUE GO 1 s 6.5 s 1 s

57 WORKING MEMORY STUDY WM task ITI Warning CUE Delay GO 1 s 2 s 4.5 s 1 s

58 PRELIMINARY RESULTS Young subjects: activated areas in the delay period. R L R L p < subj NOWM task WM task

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60 Corteccia visiva

61 Neurologia clinica: Studi pre-chirurgici

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63 L

64 Pre-surgical mapping MEG and fmri study SI MEG MI fmri lesion area SI fmri subj: ELFA

65 Presurgical mapping Cavernus angioma Finger-tapping dx

66 Presurgical mapping Astrocitoma Foot motor area

67 Presurgical mapping Oligodendroglioma Language areas Astrocytoma

68 Movimento labbra

69 Word generation (IFG)

70 Word Generation (DLPF)

71 Neurologia clinica: Post-ictus

72 (Rossini et al., 2004 Brain) STROKE PATIENTS

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74 Psichiatria: CPT in pazienti schizofrenici

75 Results Global activations (target vs. nontarget) Controls

76 Results Global activations (target vs. nontarget) Patients

77 Results Correct responses Controls

78 Results Correct responses patients

79 Results Omissions controls

80 Results Omissions patients