tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello · più fette sono acquisite durante un...
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Ing. Lorenzo SaniIng. Lorenzo Sani
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Materiale didattico:Materiale didattico:
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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
• Principi fisici dell'imagingPrincipi fisici dell'imaging
funzionale mediantefunzionale mediante risonanza magneticarisonanza magnetica
• Tecniche di analisi dei dati fMRITecniche di analisi dei dati fMRI
• Segnale BOLD e suo legameSegnale BOLD e suo legame
con l'attività neurale con l'attività neurale
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.)
Tempo di rilassamento T2
• 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
Tempo di rilassamento T1
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)
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
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
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”
• Segnale BOLD e suo legameSegnale BOLD e suo legame
con l'attività neuralecon 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
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)
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*)
• 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
Acquisizione delle immagini funzionali e strutturali del cervello
• 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