NEUROSCIENZE AFFETTIVE E COGNITIVE Tecniche di Visualizzazione cerebrale Lezione 1: Metodi nelle Neuroscienze tecniche strutturali TECNICA: 1) Cosa di misura? -> Elementi di fisiologia 2) Come funziona? -> Elementi di fisica 3) Come è usata? -> Paradigmi sperimentali Alessio Avenanti 13 Ottobre 2014 Dip. di Psicologia, Università di Bologna Alessio Avenanti 11 Maggio 2007 Facoltà di Psicologia, Università di Bologna Le varie metodiche utilizzate dalle neuroscienze differiscono soprattutto per: 1. Risoluzione spaziale 2. Risoluzione temporale 3. Tipo di informazione fornita (correlazionale, causativa) Il progresso della nostra conoscenza delle basi neurali delle funzioni nervose richiede la convergenza e l integrazione delle diverse modalità di studio. Visualizzazione cerebrale Le diverse tecniche di visualizzazione cerebrale si dividono in 2 grandi categorie: Le varie metodiche differiscono soprattutto per: 1. Risoluzione spaziale 2. Risoluzione temporale 3. Tipo di informazione (correlazionale, causativa) 1) Tecniche di visualizzazione strutturale: Studiano l anatomia, le caratteristiche dei tessuti (ad es. quantità di sostanza grigia o bianca) e la presenza di condizioni patologiche (tumori, emorragie, infarti) 2) Tecniche di visualizzazione funzionale: Servono ad individuare le aree cerebrali coinvolte in una determinata funzione, la sequenza di attivazione delle aree coinvolte in un compito, e l effetto su queste aree di varie patologie neurologiche (lesioni) e psichiatriche (autismo, schizofrenia). 1
Brain Imaging: tecniche strutturali Tecniche strutturali (CT) Risonanza magnetica per immagini (MRI) Spettro elettromagnetico La radiografia nasce nel 1895 con la scoperta dei raggi X (anche detti Röntgen dal nome del primo ricercatore che descrisse le loro proprietà). Röntgen scoprì che questi raggi prima di allora sconosciuti (da qui la X) rappresentavano una forma di radiazione elettromagnetica. Una radiografia convenzionale del capo fornisce un quadro statico del cranio e suo contenuto Per ottenerla, un ampio fascio di raggi x raggiunge una pellicola sensibile ai raggi x dopo aver attraversato le ossa del cranio. È nota come raggi X quella porzione dello spettro elettromagnetico con una lunghezza d'onda compresa approssimativamente tra 10 nanometri (nm) e 1/1000 di nanometro. I raggi X a minori lunghezze d onda si affiancano ai raggi gamma, più energetici, ma vengono distinti da essi a seconda della loro origine: i fotoni X sono prodotti da elettroni atomici (origine elettronica), mentre quelli gamma da transizioni all'interno di un nucleo atomico (origine nucleare). fotoni tungsteno 2
Una radiografia convenzionale del capo fornisce un quadro statico del cranio e suo contenuto Per ottenerla, un ampio fascio di raggi x raggiunge una pellicola sensibile ai raggi x dopo aver attraversato le ossa del cranio. Le ossa assorbono parte dei raggi x (sono radio-opache) mentre altri tessuti (radiotrasparenti) lasciano passare i raggi x che impressionano (scuriscono) la pellicola. Oggi si usano detettori e sistemi digitali, non pellicole. È una rappresentazione bidimensionale di un oggetto tridimensionale e ciò costituisce una delle sue principali limitazioni. È in grado di mostrare nei dettagli la struttura del cranio ed eventuali fratture o tumori delle ossa craniche, ma non riesce a visualizzare e a distinguere l una dall altra la sostanza grigia e bianca. Alcune strutture cerebrali che accumulano calcio con l andar degli anni, come la ghiandola pineale, assorbono anch esse i raggi x e possono essere riconosciute nelle radiografie convenzionali del cranio. È simile alla radiografia convenzionale in quanto la produzione delle immagini è basata sul diverso grado di assorbimento dei raggi x. La scansione mediante TC proietta l immagine di un singolo piano o sezione di tessuto, da cui il termine tomografia (tomos). La sezione di un tomogramma è una vera rappresentazione bidimensionale di un oggetto bidimensionale (piano di sezione). La formazione dell immagine TC del cervello è basata sul fatto che i diversi tessuti contenuti all interno della scatola cranica hanno differenti coefficienti di assorbimento dei raggi x. Questo determina un quadro di attenuazione del fascio di raggi x, che viene registrato mediante appositi sensori. Per ciascuna sezione del cervello presa in esame, la rilevazione viene ripetuta per diversi punti di entrata del fascio di radiazioni, e a diverse angolazioni. I dati relativi all assorbimento della radiazione vengono elaborati mediante computer e trasformati in immagini bidimensionali (sessioni assiali o coronali), disponibili sotto forma di lastra radiografica. Con la tomografia computerizzata è possibile analizzare l anatomia regionale del cervello nei soggetti normali e pazienti. Con la TC si possono ottenere immagini di ossa, tessuto cerebrale, liquido cerebrospinale. È possibile anche riconoscere strutture intracerebrali: ad es. talamo, nuclei della base, sostanza grigia e bianca della corteccia cerebrale, i ventricoli. Però, fornisce un immagine statica del cervello: può esplorare solo le strutture e non le funzioni cerebrali. 3
Ricostruzione volumetrica Sezione trasversale Brain Imaging: tecniche strutturali Sezione saggittale Sezione coronale Risonanza magnetica (RMI) Risonanza Magnetica La risonanza magnetica nucleare (MRI) è una tecnica entrata in uso negli anni 70 allo scopo di ottenere immagini dettagliate dell anatomia cerebrale sfruttando le proprietà nucleari di certi atomi in presenza di campi magnetici. Attraverso tecniche di rilevamento ultrarapido dei dati, è divenuta possibile l acquisizione di immagini in tempi talmente ridotti (dell ordine del centesimo di secondo) da permettere di seguire nel loro svolgimento alcuni fenomeni metabolici: si parla in questo caso di MRI funzionale (fmri). Principi di Risonanza magnetica La RM sfrutta la proprietà di alcuni elementi (con peso atomico dispari) come l idrogeno, dotati di spin intrinseco (ruotano intorno a se stessi Principi di Risonanza magnetica 2) Tale allineamento degli assi di rotazione è perturbato da una segnale radio ad una frequenza specifica per l atomo (frequenza di risonanza). B 3) L energia del segnale radio è assorbita dall atomo (Eccitazione) 1) Se posti un campo magnetico statico forte ed omogeneo, i nuclei di questi atomi allineano i loro assi di rotazione con l asse del campo magnetico (B). 4) Gli atomi in seguito iniziano a tornare al loro equilibrio iniziale (Rilassamento). Riemettono parte della energia assorbita sotto forma di segnale radio che viene registrato da una bobina ricevente. 4
Principi di Risonanza magnetica 5) Formazione delle immagini di risonanza: Si basa sull applicazione di un ulteriore campo magnetico graduato. Il segnale di risonanza emesso dai nuclei dipende dalla posizione che essi occupano rispetto al campo graduato. Ricetta per la buona riuscita di una MRI 1) Metti il soggetto in un forte campo magnetico (e lascialo li) 2) Trasmetti onde radio nel soggetto [circa 3 ms] 3) Interrompi la trasmissione di onde radio 4) Ricevi le onde radio ritrasmesse dal soggetto Manipola la ritrasmissione con campi magnetici opportuni durante questo intervallo [circa 10-100 ms: MRI non è istantanea] 5) Salva le onde radio ritramesse (dati) ora torna indietro al punto 2 per ottenere altri dati 6) Processa i dati grezzi per la ricostruzione dell immagine 3D 7) Consenti al soggetto di uscire dallo scanner (optional) Su questo principio di basa la formazione delle immagini anatomiche (strutturali) fmri: Strumentazione necessaria Metodi Strutturali 4T magnet gradient coil (inside) RF Coil Esempi di applicazioni avanzate: 1) Lesion mapping Magnete per campo statico Magnete a gradiente Magnete per Radio frequenza 2) Voxel-based morphometry 3) Diffusion Tensor Imaging Lesion mapping methods Si sovrappongono le scansioni TC/MRI di pazienti con certi disturbi neuropsicologici (dopo averle normalizzate) Si costruiscono delle mappe lesionali che permettono una valutazione quantitativa. Lesion mapping methods Si sovrappongono le scansioni TC/MRI di pazienti con certi disturbi neuropsicologici (dopo averle normalizzate) Si costruiscono delle mappe lesionali che permettono una valutazione quantitativa. È possibile applicare ad es. la logica sottrattiva tipica del brain imaging È possibile inoltre calcolare la relazione tra percentuale di voxel lesionati in una certa area e il deficit cognitivo (prestazione ad un compito) 5
Lesion mapping methods È possibile applicare ad es. la logica sottrattiva tipica del brain imaging Lesion mapping methods È possibile inoltre calcolare la relazione tra percentuale di voxel lesionati in una certa area e un deficit cognitivo (prestazione ad un compito) contrasto tra mappe lesionali di pazienti che presentano un sintomo (e.g. anosognosia per l emiplegia) e pazienti che non presentano quel sintomo (emiplegici non anosognosici). Berti et al., 2005 Science Pazzaglia et al., 2008 J Neurosci VBM = voxel-based morphometry Diffusion Tensor Imaging (DTI) Diffusion MRI is a specific MRI modality that produces in vivo images of biological tissues weighted with the local microstructural characteristics of water diffusion. Permette di quantificare il volume della materia grigia. Può essere usata per misurare: 1) Differenze anatomiche inter-individuali (e.g. ippocampo dx tassisti di Londra; cervelletto nei giocolieri) 2) Effetti di un trattamento (e.g. terapia del comportamento) With diffusion tensor imaging (DTI) scans is possible to infer the whitematter connectivity of the brain: i.e. tractography Diffusion Tensor Imaging (DTI) Tractography It is MRI procedure to demonstrate the neural tracts and represent them in 2- and 3- dimensional images. 6