Applicazioni del Neuroimaging non Convenzionale nella...

Applicazioni del Neuroimaging non

Convenzionale nella Risonanza Magnetica

ad Alti Campi

Silvia Marino

IRCCS Centro Neurolesi “Bonino-Pulejo”

Messina

Laboratorio

Neurobioimmagini

Risonanza Magnetica ad Alti Campi

La Risonanza Magnetica (RM) ad alti campi, originariamente

è stata sviluppata nel framework della spettoscopia e degli

studi funzionali.

Oggi è diventata un importante tool, sia nella pratica clinica

più avanzata, che nella ricerca.più avanzata, che nella ricerca.

La RM ad alti campi consente un migliore rapporto

segnale/rumore e quindi una migliore risoluzione spaziale in

un tempo di acquisizione più breve, contribuendo, così, ad una

più elevata qualità delle immagini.

Risonanza Magnetica ad Alti Campi

Alta risoluzione spaziale: consente in generale di ottenere

informazioni anatomo-strutturali di risoluzione spaziale dell'ordine

dei decimi di millimetro con tempi inferiori od equivalenti a quelli

necessari per esame ordinario millimetrico a campo basso e medio

(fino 1.5 Tesla).

Alta risoluzione spettroscopica: le informazioni metaboliche

prodotte a 3 Tesla possono essere estremamente dettagliate ed esiste prodotte a 3 Tesla possono essere estremamente dettagliate ed esiste

la possibilità non solo di produrre mappe metaboliche ad alta

risoluzione spaziale, ma anche di assicurare una separazione

spettrale di nuove componenti metaboliche difficilmente dissociabili

a campi inferiori.

Incremento delle informazioni funzionali: la Risonanza Magnetica

Funzionale (fMRI) è quella che può ottenere i vantaggi più evidenti

da un 3 Tesla. Per avere un'idea quantitativa del miglioramento dei

risultati fMRI basti considerare che il segnale fMRI cresce con una

funzione che tende al quadratico.

RMN 1.5 T e RMN 3 T a confronto

RM Spettroscopica

La RM spettroscopica è una tecnica non invasiva

che può essere utilizzata per misurare le

concentrazioni di differenti composti chimici a

basso peso molecolare. La tecnica è basata sugli basso peso molecolare. La tecnica è basata sugli

stessi principi fisici della RM standard: la

differenza sta nel differente uso di frequenza, fase

e ampiezza di segnale.

1H-RMSI

RMSI Multi-VoxelRMS Single-Voxel

Cho

Cr

NAA

La

NAA

Colorazione immunoistochimica

1H-RMSI: N-acetilaspartato

From Coyle, JT. et al., 1989

NAAmarker di integrità

neuronale

NAA diminuisce in seguito a danno e perdita assonale, atrofia e

disfunzioni metaboliche e assonali potenzialmente reversibili

La colina visibile alla

RM rappresenta una

combinazione di

colina libera, fosforil-

colina, gliceril-

Sphingomyelin

Methyl group donor

Neurotransmitter

Structural membrane

phospholipids

Phosphatidylcholine

Blusztajn JK Science 1998

1H-RMSI : Colina

colina, gliceril-

fosforil-colina, e forse

taurina e betaina

Platelet-activating factor

Sphingosylphosphorylcholine

BetaineCHOLINE

Acetylcholine

Neurotransmitter

Signaling phospholipids

L’aumento della colina è stato trovato nella demielinizzazione

acuta, infiammazione e turnover di membrana

Pyruvat e

Glucose Glycogen

PDH

Blood O2

DCA

Cyt osol

Lactate

1H-RMSI : Lattato

T CA

NADH2 & FADH2 O2 H2 O

Acetyl CoA + CO2

ETC

Mit ochondria ATP

L’intensità di risonanza del lattato (al di sotto dei limiti di ritrovamento nei

cervelli normali) origina dal tessuto intra and extracellulare. L’aumento del

lattato può riflettere un’alterazione del metabolismo ossidativo o infiltrazione di

macrofagi e cellule infiammatorie

RM Spettroscopica

RM Spettroscopica

SV

MRSI

RM Spettroscopica

RM di Diffusione

La RM di diffusione (DWI) studia la diffusività

delle molecole di acqua, attraverso il loro

movimento microscopico e random (movimento

Browniano), indotto dall’energia termica.Browniano), indotto dall’energia termica.

La MR è la sola tecnica di imaging capace di

osservare, in maniera non invasiva, il processo di

diffusione in vivo.

RM di Diffusione

La misura MR del movimento Browniano delle molecole di acqua,

può essere applicato a differenti, crescenti livelli complessi:

- DWI

- DTI: permette di misurare la diffusione nelle tre direzioni

spaziali e l'anisotropia all'interno del singolo voxel. Questo

permette il tracciamento di mappe delle direzioni delle fibre del permette il tracciamento di mappe delle direzioni delle fibre del

cervello per esaminare le connessioni anatomiche tra le varie aree

(usando la trattografia), oppure esaminare le alterazioni indotte da

malattie

- Mappe ADC: indici di misura della diffusione molecolare che

riflettono la presenza di restrizioni, come viscosità e barriere

spaziali. Le alterazioni nei valori di ADC sembrano avvenire prima

che i cambiamenti morfologici diventino apparenti, giocando un

ruolo importante nella caratterizzazione del tessuto in vivo (come

nei tumori) e nel monitoraggio di risposta al trattamento.

RM di Diffusione

Trattografia

Le tecniche standard di MR provvedono ad una accurata

rappresentazione dell’anatomia macroscopica del cervello, ma non

forniscono dettagliate informazioni sulla sostanza bianca. Invece,

la DTI e la trattografia aggiungono informazioni sulla sua

organizzazione miscroscopica e rendono possibile la ricostruzione organizzazione miscroscopica e rendono possibile la ricostruzione

dei tratti assonali utilizzando la DWI.

La trattografia, al momento, è la sola metodica che consenta uno

studio 3D, non invsivo, dell’architettura assonale in vivo.

Trattografia

RM Funzionale

� L’fMRI permette di visualizzare su una scala temporale

estremamente fine le variazioni dell’ossigenazione delle

regioni corticali, variazioni che si considera siano in stretta

relazione con il grado di attività delle regioni stesse.relazione con il grado di attività delle regioni stesse.

� Si sfruttano a questo scopo le proprietà magnetiche di cui

gode l’emoglobina, che differiscono leggermente a seconda

che questa sia legata o meno all’ossigeno.

Risonanza Magnetica Funzionale

� Uno stimolo sensoriale, motorio o cognitivo produce un

aumento localizzato dell’attività neuronale. Ciò produce una

locale vasodilatazione che genera, a sua volta, un rapido

aumento del volume sanguigno causato o dalla produzione di

metaboliti aventi proprietà vasodilatatorie o, piùmetaboliti aventi proprietà vasodilatatorie o, piùprobabilmente, da un effetto diretto sui vasi sanguigni locali.

RM Funzionale

Trauma Cranico

Le informazioni fornite dal neuroimaging convenzionale, hanno, talvolta,

importanza limitata. Infatti, la RM è altamente sensibile per focalizzare

la sede delle lesioni traumatiche, ma le correlazioni tra parametri di RM,

e i dati clinici, non sono pienamente soddisfacenti.e i dati clinici, non sono pienamente soddisfacenti.

Però, l’utilizzo di nuove metodiche, soprattutto se associate ad un alto

campo magnetico, possono fornire informazioni importanti anche

sull’outcome di questi pazienti.

Trauma Cranico

RMN convenzionale nel Trauma Cranico Acuto

GCS =4GCS =5

GOS =5GOS =3

Marino et al, JNNP 2007

Marino et al, JNNP 2007

Trauma Cranico

Lac non è

presente:

Paziente con

outcome

favorevole

Trauma Cranico

Stroke

La classificazione in TIA, RIND (reversible ischaemic neurological deficit),

progressive e completed stroke, è utile, sia dal punto di vista clinico che

di imaging, a causa della durata dell’ipoperfusione parenchimale.

Nel TIA, l’imaging standard, non è capace di individuare le aree ipoperfuse. Nel TIA, l’imaging standard, non è capace di individuare le aree ipoperfuse.

Invece, il distress cellulare causato da un evento cerebrovascolare, può

essere visualizzato, in queste fasi, dalla DWI e dalla MRSI.

In caso di ischemia di più lunga durata, dove il parenchima risulta

coinvolto e compromesso, anche l’imaging standard può essere utile.

Stroke

Stroke

L’area ipoperfusa risulta maggiore

nella DWI che nella PWI.

Studio combinato DWI-PWI: se le due tecniche sono

combinate insieme, si possono ottenere più

informazioni, specialmente nel predire l’evoluzione

clinica e l’outcome.

Stroke

A. Vast right parietal-occipital

ischaemic stroke in the

hyperacute phase.

B. Marked hyperintesity of the

infarcted area in DWI.

C. Right parietal-occipital signal

hyperintensity in PWI.

D. Single voxel MRS shows

marked reduction in NAA, Cho e

Cr peaks, and Lac peak.

White Matter Diseases

La MR convenzionale, soprattutto nel campo di patologie della sostanza

bianca, quali la Sclerosi Multipla (T1, T2, FLAIR), risulta essere utile

per produrre informazioni sulla diagnosi e sulla evoluzione della

patologia, oltre che un ottimo mezzo per monitorare la risposta alla patologia, oltre che un ottimo mezzo per monitorare la risposta alla

terapia.

Invece, per quanto riguarda l’outcome, le tecniche di imaging non

convenzionale, sono di maggiore utilità.


Spanò, et al Multiple Sclerosis, 2009

Malattia di Parkinson

La diagnosi della Malattia di Parkinson e dei Parkinsonismi è

principalmente clinica.

La RM, se eseguita all'esordio della malattia, ha essenzialmente lo scopo di

escludere la presenza di alterazioni secondarie che possano essere escludere la presenza di alterazioni secondarie che possano essere

responsabili di parte o dell’intera sintomatologia.

Malattia di Parkinson

Malattia di Alzheimer

La Malattia di Alzheimer si caratterizza per dei cambiamenti biochimici

che avvengono prima rispetto alle alterazioni istologiche e

macroscopiche, precedendo i sintomi clinici.

La perdita neuronale che caratterizza questa patologia è più prominente

nella corteccia entorinale, nell’ippocampo e nell’amigadala, che

presentano quadri più o meno diffusi di atrofia.

Malattia di Alzheimer

Neoplasie cerebrali

La RM è la metodica di scelta pe l’assessment non invasivo nel sospetto di

tumori intracranici, anche se ha una sua limitata sensitività e specificità.

Le metodiche, quali la MRSI e la DWI, offrono importanti spunti per una Le metodiche, quali la MRSI e la DWI, offrono importanti spunti per una

più corretta diagnosi differenziale.

Neoplasie cerebrali

Utilizzo dell’fMRI come tool pre-chirurgico per la

mapping brain function (MBF)

Il goal della moderna neurochirurgia è quello di effettuare interventi il più

conservativi possibili, preservando, importanti funzioni cerebrali.

Con questo scopo, è importante supportare il chirurgo con tutte le Con questo scopo, è importante supportare il chirurgo con tutte le

informazioni ottenibili dall’imaging, nell’identificazione delle zone

cerebrali da preservare, ove possibile, prima dell’intervento

neurochirurgico.

fMRI e MBF

An example of 3D

reconstruction. reconstruction.

Activation maps are

superimposed on the

high quality volumetric

acquisition.

fMRI e MBF

Conclusioni

La RM ad alto campo può essere considerata una piattaforma per nuovi applicativi

diagnostici o per un miglioramento sostanziale degli esistenti.

L’alta risoluzione spaziale ha permesso di poter ottenere immagini qualitativamente

migliori di quelle ottenute con scanner 1.5 T.

L’alta risoluzione ha notevolmente migliorato la pratica clinica, permettendo ridotti

tempi di acquisizione, riducendo, così, la durata dell’esame stesso.

Sia le tecniche standard che quelle più innovative, hanno avuto notevoli miglioramenti,

portando, così, ad una migliore diagnostica e valutazione prognostica dei pazienti.

Acknowledgements

Neurobioimaging Lab

Messina

Annalisa Baglieri

Silvia Guerrera

Maria Adele Marino

Rosa Morabito

Margherita Pintaudi

Barbara Spanò

Francesca Timpano

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