Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello · Più fette sono acquisite durante un...

Ing. Lorenzo SaniIng. Lorenzo Sani

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Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare ClinicaLaboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica

Facoltà di Medicina, Università di PisaFacoltà di Medicina, Università di Pisa

Tecniche di esplorazione funzionale in Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervellovivo del cervello

Esplorazione funzionale in vivo del cervelloEsplorazione funzionale in vivo del cervello

• I metodi di neuroimaging attualmente sviluppati non I metodi di neuroimaging attualmente sviluppati non solo forniscono informazioni sulla struttura e solo forniscono informazioni sulla struttura e sull’anatomia cerebrale, ma consentono anche di sull’anatomia cerebrale, ma consentono anche di investigare lo stato funzionale in vivo del cervello umanoinvestigare lo stato funzionale in vivo del cervello umano

• Distinzione generale tra le metodiche di esplorazione Distinzione generale tra le metodiche di esplorazione funzionale in vivo del cervello:funzionale in vivo del cervello:

• Tecniche elettriche - magnetiche: rilevano Tecniche elettriche - magnetiche: rilevano direttamentedirettamente la funzionalità cerebrale attraverso la misurazione dei la funzionalità cerebrale attraverso la misurazione dei correlati elettrici o magnetici dell’attività neuronale correlati elettrici o magnetici dell’attività neuronale ((EEGEEG; ; MEGMEG))

• Metodiche emodinamiche - metaboliciche: rilevano Metodiche emodinamiche - metaboliciche: rilevano indirettamenteindirettamente la funzionalità cerebrale attraverso la la funzionalità cerebrale attraverso la misurazione degli eventi vascolari o metabolicici che misurazione degli eventi vascolari o metabolicici che accompagnano l’attività neuronale (accompagnano l’attività neuronale (PETPET, , fMRIfMRI))

Tecniche di esplorazione funzionale in Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervellovivo del cervello

La risonanza magnetica funzionale La risonanza magnetica funzionale fMRIfMRI

• Segnale BOLD e suo legameSegnale BOLD e suo legame

con l'attività neurale con l'attività neurale

• Principi fisici dell'imagingPrincipi fisici dell'imaging

funzionale mediantefunzionale mediante risonanza magneticarisonanza magnetica

• Tecniche di analisi dei dati fMRITecniche di analisi dei dati fMRI





con l'attività neurale con l'attività neurale

Atomo di idrogeno Atomo di idrogeno 11HH

+

-

NUCLEO

ELETTRONE

PROTONE

Proprietà di una particella subatomica

• Massa• Spin • Carica elettrica

N

S

γ1H = 42.58 MHz/T

pµγ =Rapporto

giromagnetico

Momento angolare (dovuto alla rotazione di una massa)

Momento magnetico (dovuto alla rotazione di una carica elettrica)

Orientazione degli spinIn assenza di B0 In presenza di B0

B0

µ può assumere 2I+1 orientamenti in un campo magnetico esterno, corrispondenti a 2I+1 livelli energetici permessi

Atomo di idrogeno 1H: spin I=1/2 2 orientamenti possibili µ → →può allinearsi al campo magnetico esterno B0 in posizione parallela (livello basso di energia) o antiparallela (livello alto di energia)

ω = γ Βω = γ Βοο

Frequenza di precessioneFrequenza di precessione

B0

Equazione di Larmor:

Frequenza di precessione

Campo magnetico statico

Rapporto giromagnetico

B0

ω = 42.58 x 1.5 = 63.87 MHz : siamo nella banda delle radiofrequenze (RF)

Risonanza MagneticaRisonanza MagneticaSe i protoni posti nel campo magnetico statico B0 vengono eccitati con un impulso e.m. a frequenza ω (frequenza di precessione) si ha il fenomeno della risonanza magnetica nucleare

U UU

U

UU

UUUU U

U

Impulso di eccitazione

Risonanza

Risonanza Magnetica:Risonanza Magnetica: l’l’impulso di eccitazione a radiofrequenza (RF)

EX. 90°

Antenna (bobina) RF

Impulso di eccitazione RF

BB00

Impulso di eccitazione RF

BB00

Risonanza Magnetica:Risonanza Magnetica: l’l’impulso di eccitazione a radiofrequenza (RF)

NON ionizzanti ionizzanti

Spettro elettromagnetico (EM)Spettro elettromagnetico (EM)

B0 B1(ω = 0) Gli Ultrasuoni NON sono onde EM!!!

fMRIfMRI RXRXTACTAC PETPET

Segnale FID: Free Induction Decay

BB00Segnale RF

ricevuto (FID)

Bobina RF ricevente

BB00

Risonanza Magnetica:Risonanza Magnetica: il segnaleil segnale

Bobina RF riceventeSegnale RF

ricevuto

Magnetizzazione netta M

E’ la somma vettoriale di tutti gli spins coinvolti nel

fenomeno

M

m1

m3 m2

mn

…

xy

z B0

z

…

…

Tempo di rilassamento trasversale T2

Parametri relativi ai tessuti

Tempo di rilassamento longitudinale T1

Densità Protonica PD

Rilassamento T2Rilassamento T2, tempo di rilassamento trasversale, effetto spin-spin : scambio di energia tra uno spin e l’altro

I momenti magnetici dei singoli spin precessano a velocità differenti e quindi si sfasano tra loro

La componente trasversale MXY perpendicolare al campo B0 tende ad annullarsi

Tempo di rilassamento T2

T2 = tempo che impiegano i protoni a defasare tra loro (e quindi ad attenuare il segnale), cioè tempo necessario affinché lo sfasamento dei nuclei determini la riduzione della componente trasversale Mxy del 63%

BB00

T2 = costante di tempo del rilassamento trasversale

Mxy(t) ∝ exp(-t/T2)

S e

g n

a l e

1 2 3 4 5 Tempo

Sangue (T2≈362ms.)

Rene (T2≈124ms.)

grasso (T2≈108ms.)


• La presenza di disomogeneità del campo magnetico statico B0 all’interno del campione causa inevitabilmente un ulteriore defasamento relativo dei nuclei tra loro

Pseudo – rilassamento, tempo T2*

ΔB0: ampiezza della variazione (disomogeneità) del campo magnetico statico B0 nella regione considerata

T2disom = costante di tempo di rilassamento dovuto alle disomogeneità del campo magnetico statico B0

disom22

*2 T

1T1

T1 += 0disom

2

BT

1 ∆γ=

Mxy(t) ∝ exp(-t / T2*)

• Si definisce un altro tempo di rilassamento, T2*, esprimendo la velocità di decadimento trasversale osservata, 1/T2*, come la somma di due contributi: 1) il contributo del rilassamento dovuto all’effetto spin-spin: 1/T2

2) il contributo del rilassamento dovuto alle disomogeneità del campo magnetico statico: 1/T2disom

Rilassamento T1, rilassamento longitudinale, effetto spin-lattice: scambio di energia tra uno spin e l’ambiente circostante

M M

Rilassamento T1

La componente longitudinale MZ lungo il campo B0 torna verso il suo valore iniziale M0

I momenti magnetici dei singoli spin tendono gradualmente a riallinearsi con B0


BB00

T1 = costante di tempo del rilassamento longitudinale

T1 = tempo che impiega il vettore M a riallinearsi lungo la direzione di B0 (e quindi ad attenuare il segnale), cioè tempo necessario affinché la componente longitudinale Mz riacquisti il 63% del valore di equilibrio M0 parallelo a B0

Densità protonica PDnumero di protoni presenti nella zona di interesse

Segnale RF ricevuto

(FID)M0

BB00

M0

BB00 Segnale RF ricevuto

(FID)My

Maggiore densità protonica -> più grande M0 -> più alto segnale (FID)

T2WT2W PDWPDWT1WT1W

Perché T2, T1, PD?

Immagini “pesate”

Parametri di acquisizione: FA TR TE

⇒FA - Flip angle: angolo tra B0 e M; è proporzionale alla durata ed all’intensità dell’impulso RF

⇒TR - Tempo di ripetizione: tempo tra un impulso RF ed il successivo

⇒TE - Tempo di Eco: tempo tra l’emissione di un impulso RF e la ricezione del segnale

Variando opportunamente i valori dei parametri di acquisizione FA, TR e TE si possono ottenere immagini pesate T2, T2*, T1 o PD

I gradienti di campo magnetico Cosa sono?Campi magnetici che si sommano a B0 e le cui intensità variano linearmente con la posizione lungo i tre assi (direzioni dello spazio): x, y, z

A cosa servono?Per selezionare una regione di interesse e codificare la zona sorgente del segnale ricevuto

ω = γB

GradienteB0

3 40 1 2

-1-2

x, y, z

Gradiente di selezione fetta Gradiente lungo B0 – z (Gz: eccitazione selettiva)

ω = γB

Z

Gradiente attivo durante la trasmissione dell’Impulso di

eccitazione a radiofrequenza (RF)

B0Bz(z)

10 z

Bz = B0Bz = B0 + z·Gz

Bz < B0 Bz > B0

Gradiente di selezione fetta

ωz = γBz

ωz = γBz = γ (B0 + z·Gz)

B0ωz(z)

10 z

ωz = ω0ωz = γ (B0 + z·Gz)

ωz < ω0 ωz > ω0

Gradiente lungo B0 – z (Gz: eccitazione selettiva)

Bz = B0 + z·Gz

Gradiente di fase

GRADIENTE ATTIVO:gli spin si defasano man mano

che il gradiente è attivo

GRADIENTE SPENTO:gli spin tornano a precedere tutti

alla stessa frequenza ω, ma rimangono sfasati tra loro

Codifica di fase

La fase delle componenti del segnale ricevuto è funzione della posizione lungo la direzione del

gradiente di fase

Gradiente di lettura

Gradiente attivo durante la fase di acquisizione del

segnale RM

Codifica di frequenza

La frequenza delle componenti del segnale ricevuto è funzione della posizione lungo la

direzione del gradiente di lettura

I tre gradienti

Z

Y

X

XY

Le sequenze di acquisizione

Successione temporale di attivazione - disattivazione:

• di impulsi di eccitazione a radiofrequenza RF

• di gradienti di campo magnetico

• di acquisizione (ricezione e memorizzazione) del segnale FID

Le sequenze di acquisizioneGradiente di selezione fetta:

attivo durante la trasmissione dell’Impulso di eccitazione a

radiofrequenza (RF)

Gradiente di lettura: attivo durante la fase di acquisizione del segnale

RM

Gradiente di fase: attivo dopo lo spegnimento

del gradiente di selezione fetta e prima

dell’accensione del gradiente di lettura

Il K-spazio Memorizzazione dei segnali acquisiti dopo l’attivazione dei tre gradienti

K sta per: n. d’onda = ω/c i valori lungo gli assi sono frequenze

SIAMO NEL PIANO DI FOURIER

La sequenza di acquisizione viene ripetuta più volte, ogni volta con una diversa ampiezza del gradiente di fase: vengono acquisiti molti segnali RM

Come “riempire” il k-spazio

I metodi di riempimento dipendono dal disegno della sequenza

Sequenza EPI

Sequenza Spiral

GZ

GY

GX

Y

K-spazioTrasformata di Fourier (IFFT) bidimensionale

Dal K-spazio all’immagine

Spazio reale

Fette 2DCodifica di Fase

Codifica di lettura

Immagini 2D Selezione fetta

x

y z

Più fette sono acquisite durante un singolo intervallo TR

Acquisizione Multi-Planare

Tutte le 5 fette sono acquisite durante lo stesso TR

1 2 3 4 5

Immagini 2D “multipiano”


con l'attività neuralecon l'attività neurale




Esplorazione funzionale in vivo dei correlati Esplorazione funzionale in vivo dei correlati neurometabolici dell’attività cerebraleneurometabolici dell’attività cerebrale

Ripo

soA

ttiv

azio

ne

= HbO2

= HbOxygen

Hemoglobin

Blood FlowmV

-70

0

+50

2 msec31

attività della

pompa Na+/K+

attività neuronale sinaptica

richiesta di ATP

richiesta di ossigeno e glucosio

flusso ematico

cerebrale

metabolismo ossidativo del

glucosio e produzione di

ATP

EEGEEGMEGMEG

HH221515O-PETO-PETfMRIfMRI

FDG-PETFDG-PETsMRIsMRI

BOLD: Blood Oxygenation Level Dependent

• L’accurata interpretazione del segnale BOLD dipende dalla completa caratterizzazione dell’attività neuronale che dà origine alla risposta emodinamica: “neurovascular coupling”

fMRI - Segnale BOLD

Segnale BOLD: la sua intensità dipende dal livello di ossigenazione del sangue

• Negli studi fMRI il segnale BOLD viene registrato utilizzando opportune sequenze chiamate EPI (echo planar imaging) che permettono di acquisire immagini funzionali del cervello T2*-pesate

• Nonostante i numerosi sforzi per risolvere il quesito del “neurovascular coupling”, Nonostante i numerosi sforzi per risolvere il quesito del “neurovascular coupling”, non è ancora chiaro il meccanismo fisiologico legato al controllo della richiesta, da non è ancora chiaro il meccanismo fisiologico legato al controllo della richiesta, da parte dei neuroni, di un maggiore flusso sanguigno. Sono stati suggeriti differenti parte dei neuroni, di un maggiore flusso sanguigno. Sono stati suggeriti differenti modelli dimodelli di regolazioneregolazione dinamica cerebrovascolare e le ipotesi più probabili sono:dinamica cerebrovascolare e le ipotesi più probabili sono:

• il rilascio, da parte dei neuroni, di variil rilascio, da parte dei neuroni, di vari fattori chimicifattori chimici che agiscono come mediatori che agiscono come mediatori di tipo biometabolico come per esempio l’ossido nitrico, l’adenosina, gli ioni di tipo biometabolico come per esempio l’ossido nitrico, l’adenosina, gli ioni idrogeno o potassio;idrogeno o potassio;

• il rilascio, da parte dei neuroni, di opportuni il rilascio, da parte dei neuroni, di opportuni neurotrasmettitorineurotrasmettitori;;• una innervazione diretta che parte dai neuroni e raggiunge la muscolatura vascolareuna innervazione diretta che parte dai neuroni e raggiunge la muscolatura vascolare

Fisiologia della Correlazione: Attività Neuronale - Flusso Fisiologia della Correlazione: Attività Neuronale - Flusso Ematico Ematico -- Metabolismo Cerebrale Metabolismo Cerebrale

• Il segnale BOLD permette l’individuazione dei cambiamenti locali cerebrali di ossigenazione ematica durante una stimolazione fisiologica

• Il segnale BOLD si basa sui cambiamenti fisiologici delle proprietà magnetiche del sangue, in particolare dell’emoglobina:

fMRI - Segnale BOLDfMRI: functional Magnetic Resonance Imaging

Tecnica che utilizza il segnale BOLD per visualizzare il metabolismo cerebrale mediante MRI

OSSIEMOGLOBINA DIAMAGNETICA

DEOSSIEMOGLOBINA PARAMAGNETICA

PROPRIETA’ MAGNETICHE DEI MATERIALI

• FERROMAGNETICI: interazione violenta (attrattiva o repulsiva) con B0

• DIAMAGNETICI: interazione debole repulsiva con B0

• PARAMAGNETICI: interazione debole attrattiva con B0

Se immersi in un campo magnetico B0:

Il nostro corpo è prevalentemente diamagnetico

PROPRIETA’ MAGNETICHE DEI MATERIALI

variazione di suscettività magnetica

Variazione del tempo di rilassamento T2*

∆T2*∆χ

Se un materiale si trasforma da diamagnetico a paramagnetico (es. ossiemoglobina-deossiemoglobina) si ha una variazione della sua suscettività magnetica ∆χ (grandezza che misura il grado di magnetizzazione di un materiale immerso in un campo magnetico), cioè si ha una variazione dell’interazione del materiale stesso con il campo magnetico statico B0. In particolare:

• le sostanze diamagnetiche tendono a ridurre le disomogeneità di B0, cioè ad aumentarne l’uniformità

• le sostanze paramagnetiche tendono ad aumentare le disomogeneità di B0, cioè a ridurne l’uniformità

PROPRIETA’ MAGNETICHE DELL’EMOGLOBINA

• Emoglobina: proteina globulare solubile di colore rosso presente nei globuli rossi del sangue, responsabile del trasporto dell'ossigeno molecolare

• Il gruppo emoglobinico che influenza il rilassamento protonico è il gruppo eme: ospita uno ione ferroso Fe2+ che è il diretto responsabile delle interazioni paramagnetiche con i protoni acquosi (nonostante si trovi in una tasca idrofobica apolare proteica)

ANDAMENTO TEMPORALE DEL SEGNALE BOLD

Segnale BOLD e potenziale d’azione

mV

-70

0

+50

2 msec31

• Il segnale BOLD (risposta emodinamica) ha una durata temporale dell’ordine dei secondi

• Il potenziale d’azione dei singoli neuroni ha una durata temporale dell’ordine dei millisecondi

Segnale BOLD e potenziale d’azione

• Il potenziale d’azione dei singoli neuroni è un evento estremamente più rapido (istantaneo) del segnale BOLD (risposta emodinamica)

• Uguali unità di misura sui due assi delle ascisse (tempi misurati in secondi)

CAUSE di VARIAZIONE del SEGNALE BOLD Variazione, rispetto ai livelli basali, dei parametri metabolici e di risonanza

magnetica causati da un aumento dell’attivazione corticale in una determinata regione del cervello rispetto alla condizione di riposo:

• aumento dell’attività neuronale sinaptica• aumento della richiesta di ossigeno e glucosio• aumento del flusso ematico cerebrale• aumento della concentrazione di ossiemoglobina• aumento dell’uniformità del campo magnetico statico B0 • diminuzione della disomogeneità del campo magnetico statico B0

• diminuzione della dispersione di fase degli spin• decadimento trasversale più lento della magnetizzazione

• diminuzione della velocità di decadimento trasversale dovuta alle disomogeneità del campo magnetico statico: 1/T2disom

• diminuzione della velocità di decadimento trasversale complessiva: 1/T2*• aumento del tempo di rilassamento trasversale complessivo: T2*

• aumento dell’intensità del segnale BOLD (cioè dell’intensità delle immagini T2* pesate), ricevuto dalla macchina di RM: ∝ Mxy(t) = M0 exp (-t / T2*)

CAUSE di VARIAZIONE del SEGNALE BOLD

• Durante il periodo di acquisizione, vengono presentati degli stimoli che possono essere: sensoriali, task motori o cognitivi

• Durante una sessione fMRI vengono acquisite immagini funzionali in assenza di stimoli, che serviranno come immagini di controllo (livello basale, di riposo del segnale BOLD)

• Lo stesso task viene ripetuto periodicamente in modo da poter fare una media statistica di tutti i valori delle immagini relativi all’attivazione

• L’immagine finale si ottiene facendo una sottrazione mediata tra l’immagine acquisita durante la presentazione dello stimolo e l’immagine acquisita durante l’assenza di stimoli in modo da ottenere un’immagine statistica parametrica, che viene poi sovrapposta all’immagine anatomica

• Il segnale BOLD non fornisce una misurazione diretta dell’attività neurale perché misura un effetto indiretto (la risposta emodinamica) di tale attività

Acquisizione delle immagini funzionali e strutturali del cervello

• I dataset che si riferiscono alle immagini anatomiche di localizzazione sono formati da un unico volume cerebrale


• Negli studi fMRI le immagini funzionali del cervello (T2*-pesate) vengono acquisite usando sequenze gradient echo, del tipo echo planar (EPI)

• Ogni TR vengono acquisite tutte le immagini tomografiche 2D (fette) relative ad un intero volume cerebrale: immagini funzionali a bassa risoluzione spaziale• Per avere una dettagliata anatomia del cervello: acquisite immagini strutturali ad alta risoluzione spaziale T1-pesate del tipo spoiled gradient recall (SPGR)

• La struttura dati fondamentale (dataset): insieme di array 3D di valori numerici; ciascun array 3D: un volume cerebrale. Tutti i volumi cerebrali funzionali vengono acquisiti in successione temporale in un intero run di scansione

• Ogni elemento di un array 3D: un voxel del volume cerebrale, con le sue coordinate di posizione (x,y,z); il suo valore numerico: intensità del segnale BOLD nel voxel corrispondente

• I valori di uno stesso voxel in tutti i volumi cerebrali costituiscono una serie temporale (time series)

Analisi dei dati: postprocessingAnalisi dei dati: postprocessing

reconstructionreconstruction registrationregistration smoothingsmoothing

RationaleRationale: ipotesi : ipotesi sperimentalesperimentale

Preprocessing e sessione Preprocessing e sessione sperimentalesperimentale

Interpretazione dei Interpretazione dei risultati, correlazione con risultati, correlazione con dati comportamentali e dati comportamentali e verifica dell’ipotesiverifica dell’ipotesi

Paradigma sperimentaleParadigma sperimentale

Selezione, screening, Selezione, screening, test psicologici e test psicologici e comportamentalicomportamentali

Organizzazione degli Organizzazione degli esperimenti fMRIesperimenti fMRI

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