Le basi dell analisi metabolico-funzionale dell attività cerebrale mediante EEG/fMRI

Transcript

1 Università degli Studi di Cagliari "Tecniche e Metodiche di analisi della funzionalità cerebrale" The EEG/fMRI system: a new non-invasive method to study brain activity: experimental and clinical applications. Le basi dell analisi metabolico-funzionale dell attività cerebrale mediante EEG/fMRI Luigi Barberini

2 Il Neuroimaging multimodale permette di vedere la morfologia e la funzionalità delle strutture cerebrali. L attività cerebrale (spontanea ed evocata) si evidenzia attraverso la generazione di campi elettrici e magnetici misurabili e le alterazioni del flusso vascolare indotte dall attività di insiemi di neuroni. La realtà odierna! Le tecniche EEG-MEG fmri per visualizzare l attività cerebrale.

3 Presso il Policlinico di Cagliari il sistema per fmri/ EEG simultaneo (Handy EEG, Micromed) è spesso usato per il monitoraggio di pazienti con epilessia e con patologie parkinsoniane durante esami funzionali per studi di imaging (fmri 1.5 Tesla Philips). Il Policlinico di Monserrato Questo tipo di misura simultanea permette di monitorare i soggetti durante una ampia classe di esperimenti per il monitoraggio delle funzioni cognitive e sensorimotorie (Finger tapping, auditory task etc). Possibili studi riguardano anche il monitoraggio del sonno e gli effetti indotti da agenti farmacologici. La risonanza da 1.5 Tesla Philips del Policlinico Parte dele sistema EEG fmri compatibile Micromed srl del Policlinico

4 Genesi dei segnali bioelettromagnetici nel SNC: il potenziale di azione ed il potenziale postsinaptico.

5 La Fisica dell EEG e della MEG Isopotential distribution for a dipole source in somatosensory cortex using a subtraction potential approach in a three compartment (skin, skull and brain)

6 Localizzazione 3D delle sorgenti dei campi elettrici e magnetici. Misuriamo i campi allo scalpo e determiniamo la posizione e l intensità della sorgente (o delle sorgenti) generatori (Problema inverso elettromagnetico). Il maggiore impedimento che si trova è che le misurazioni (derivanti dall EEG o dalla MEG) non contengono abbastanza informazioni circa i generatori. Questo determina la cosiddetta NON-UNICITA delle soluzioni inverse. La soluzione migliore si trova ipotizzando struttura e posizione di alcune sorgenti (Dipolo o Densità di corrente), calcolando i potenziali che esse generano ( problema diretto e LeadField Matrix), confrontandole con i dati reali e minimizzando lo scarto.

7 DALLA RISONANZA MAGNETICA VOLUMETRICA A STRATO SOTTILE SI RICAVANO LE INFORMAZIONI STRUTTURE ATTRAVERSO CUI SI PROPAGANO I POTENZIALI ELETTRICI E MAGNETCI GENERATI DALLE SORGENTI MODELLO SFERICO MODELLO REALISTICO

8 Imaging Multimodale Programmi dedicati permettono l integrazione dei dati morfologici (RMN, TC) con quelli funzionali (EEG, fmri) per una lettura comparata dell attività neuronale. La localizzazione e la temporizzazione delle aree cerebrali attivate fornisce informazioni sui sistemi neurologici e sulle loro patologie.

9 Genesi del segnale bold in fmri La desossiemoglobina è paramagnetica, mentre la ossiemoglobina non lo è. Di conseguenza, la presenza di desossiemoglobina nei capillari produce microscopiche disomogeneità magnetiche, che aumentano lo sfasamento degli spin dei protoni degli atomi di idrogeno in una regione di spazio che si estende approssimativamente per 2 volte il raggio del vaso. Man mano che la quantità di desossiemoglobina presente nel sangue viene spostata e diluita dal flusso sanguigno, si manifesta uno sfasamento meno rapido ed il segnale MR decade in modo più lento.

10 La Fisica della fmri Sostanzialmente si sfruttano le disomogeneità introdotte dalla variazione di concentrazione di ossiemoglobina-deossiemoglobina (diamagnetica-paramagnetica) che comporta l attività neuronale di popolazioni omogenee di neuroni (contrasto in T2*). Abbiamo bisogno di sequenze veloci, non richiediamo una elevata risoluzione spaziale (64x64 128x128).

11 Esistono vari schemi di impulsi. GE EPI SE EPI L obbiettivo è diminuire i tempi di acquisizione e massimizzare il SNR. (Gradienti di campo, bobine).

12 Il paradigma di attivazione funzionale. Ripetizioni ed analisi statistica: task in fmri.

13 Attivazione fmri Le alterazioni dei toni di grigio legate alla dinamica vascolare accoppiata all attività neuronale rivela l andamento nel tempo della attivazione funzionale. Ancora una volta si può ricavare un segnale, per ogni singolo voxel, variabile nel tempo.

14 Si analizzano le serie temporali: General linearized Model (GLM). SPM ( )

15 eeg/fmri combinato o simultaneo? Multimodal neuroimaging vantaggi e svantaggi. Si possono fare esperimenti EEG ed fmri e combinare i risultati. Si può acquisire direttamente l elettroencefalogramma in sala magnete mentre si esegue, in simultanea, la fmri secondo lo stesso paradigma di attivazione (task cognitivo o sensorimotorio).

16 svantaggi, attenzione agli artefatti!

17 EEG/fMRI simultaneo. Variazioni del segnale in funzione del tempo: serie temporali. Intensità del segnale EEG su un canale in funzione del tempo possible with : each point represents intensity of voxel during one 3 second MRI - EPI scan Intensità del segnale fmri dal singolo voxel Come correlare le variazioni elettromagnetiche e neurovascolari? Come riportare sul piano neurofisiopatologico tali variazioni?