Differenza tra Risonanza Magnetica e Risonanza Magnetica Funzionale: Scopri Tutto Quello che Devi Sapere!

L’imaging cerebrale funzionale comprende varie metodologie per misurare l’attività del cervello in maniera non invasiva, sia in volontari sani sia in pazienti affetti da malattie neurologiche o psichiatriche. Le principali tecniche sono la risonanza magnetica funzionale (fMRI, functional Magnetic Resonance Imaging) e la tomografia a emissione di positroni (PET, Positron Emission Tomography). Entrambi i metodi non misurano direttamente l’attività dei neuroni, ma permettono di visualizzare variazioni dell’attività cerebrale in quanto sensibili ai cambiamenti di tipo metabolico ed emodinamico che accompagnano l’aumento dell’attività neurale.

La Risonanza Magnetica per Immagini (MRI) fornisce immagini che evidenziano le strutture cerebrali. La Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI) è un esame innovativo che permette di analizzare l’attività cerebrale in tempo reale, con applicazioni in neurologia, neurochirurgia e ricerca neuroscientifica.

Principi di Base e Metodologie

La Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI) è un avanzato esame di imaging che consente di analizzare l’attività del cervello in tempo reale, monitorando il flusso sanguigno cerebrale. Questo esame si basa sul principio che le aree del cervello più attive consumano più ossigeno e ricevono quindi un maggior afflusso di sangue. La fMRI utilizza campi magnetici e onde di radiofrequenza, come la Risonanza Magnetica tradizionale (RM), ma si concentra sulle variazioni del flusso sanguigno cerebrale legate all’attività neuronale.

Il segnale di risonanza magnetica si basa sulle caratteristiche magnetiche di alcuni nuclei (per es., 1H, 13P, 14N, per citare quelli più comunemente presenti nelle molecole biologiche). Questi nuclei hanno uno spin nucleare diverso da zero e si comportano come piccoli dipoli. Quando essi si trovano in un campo magnetico, gli spinsi allineano nella direzione del campo applicato causando una magnetizzazione netta dell’oggetto posto nel campo magnetico. Questo stato di equilibrio può essere modificato mediante assorbimento di fotoni ad alta energia. L’oggetto viene così portato a uno stato energetico più alto, ritornando poi allo stato di equilibrio secondo una dinamica ben definita, che dipende da vari fattori, inclusa la disomogeneità del campo magnetico locale.

Questo ultimo aspetto viene sfruttato dalle tecniche di i. c. f., in quanto l’attivazione cerebrale causa un cambiamento del campo magnetico locale nei diversi punti del cervello e dunque del segnale di risonanza magnetica. Il legame fra queste variazioni del segnale di risonanza, legato al ritorno allo stato energetico fondamentale, e l’attività neurale è complesso e non ancora completamente studiato. In linea generale, si considera che l’aumento di attività neurale causa un aumento del consumo di ossigeno, con un conseguente aumento di flusso e volume sanguigno finalizzato all’apporto di sangue ricco di ossigeno. Questo comporta un cambiamento del rapporto fra la concentrazione di ossiemoglobina e deossiemoglobina.

Poiché le due molecole hanno proprietà magnetiche diverse, si ha una variazione del campo magnetico locale e, quindi, del segnale di risonanza. Utilizzando specifiche combinazioni di gradienti magnetici è dunque possibile ottenere un segnale sensibile al livello di ossigenazione del sangue, chiamato segnale BOLD (Blood Oxigenation Level Dependent signal). Essendo le variazioni del segnale BOLD dominate dall’emodinamica, e non direttamente dall’attività dei neuroni, l’aumento del segnale BOLD conseguente a un’attivazione neurale è lento e protratto nel tempo.

Di conseguenza, anche un evento breve che provoca attivazione neurale solo per poche decine di millisecondi genera una risposta BOLD con una durata di circa 15 s. Questo determina la risoluzione temporale dell’fMRI, che è comunque migliore rispetto alla PET, consentendo la rilevazione di attivazioni transienti in risposta a singoli eventi. Un ulteriore vantaggio della risonanza magnetica rispetto alla PET è il miglioramento della risoluzione spaziale. Mentre la PET offre una risoluzione spaziale attorno ai 4÷6 mm, specifici metodi di acquisizione fMRI consentono una risoluzione inferiore al millimetro.

Questo ha permesso, per es., di visualizzare le colonne di dominanza oculare nell’area visiva primaria. In quest’area l’organizzazione anatomico-funzionale comprende colonne adiacenti di neuroni (distanziate circa 1 mm l’una dall’altra) che rispondono a stimolazioni provenienti dall’occhio destro e dall’occhio sinistro. Comunque, per la maggior parte delle applicazioni, le misure fMRI vengono effettuate a una risoluzione spaziale attorno ai 3 mm.

Come si svolge l'esame fMRI

Durante l’esame di fMRI il paziente si stende su un apposito lettino, in una posizione confortevole, e viene introdotto all’interno dell’apparecchiatura. Il paziente è in continuo contatto con il personale e con il medico. Le immagini e le istruzioni vengono presentati mediante speciali occhialini posizionati sugli occhi del paziente, e le cuffie. Gli stimoli possono essere visivi (delle figure, dei filmati o delle frasi da leggere) o uditivi (dei suoni, delle parole o delle frasi), oppure tattili (mediante stimolazione tattile del dorso della mano destra o sinistra). I pazienti a volte devono rispondere premendo dei pulsanti.

Viene posizionato un tastierino, che serve a dare le risposte. Durante le misurazioni è estremamente importante mantenere la testa ferma il più possibile perché i movimenti disturbano l’acquisizione delle immagini. Durante l’acquisizione delle immagini ai pazienti viene chiesto di eseguire dei semplici compiti. Si alternano delle fasi di riposo con delle fasi attive di svolgimento di un compito. Infatti, l’attività neurale che è associata con un compito cognitivo specifico viene rilevata mediante il confronto tra le fasi di riposo e le fasi attive che si alternano a blocchi.

I pazienti eseguono vari test come visione di video, ascolto di suoni, percezione, memorizzazione, e premono alcuni pulsanti. Vengono dunque utilizzati dei semplici compiti in grado di attivare le aree cerebrali responsabili. I compiti vengono scelti in base alla localizzazione ed estensione della lesione e in base alla valutazione delle funzioni cognitive eseguita prima della Risonanza.

Durante l’esame, il paziente viene fatto sdraiare all’interno dello scanner RM, dove gli vengono richieste specifiche attività, come muovere una mano, leggere parole o risolvere problemi matematici. Come la RM tradizionale, la fMRI è un esame sicuro, in quanto non utilizza radiazioni ionizzanti.

Applicazioni Cliniche e di Ricerca

La fMRI è una tecnica di imaging biomedico non-invasiva, che fornisce una mappa delle aree cerebrali funzionalmente eloquenti. Viene impiegata sia a scopi clinici che di ricerca. Consente di verificare se, all’interno o nelle vicinanze di una lesione cerebrale, persiste un’attività funzionale importante, per poterla preservare.

In fase preoperatoria possiamo ottenere diverse informazioni sulle funzioni cerebrali che sono in prossimità della lesione che dovremmo asportare. Nella maggioranza dei casi le funzioni sono state spostate ai bordi della lesione il che facilita la chirurgia. Meno frequentemente ci sono funzioni all’interno della lesione per cui siamo obbligati a lasciare del tessuto lesionale. Sono stati fatti diversi esempi, quelli del movimento e sensibilità insieme e quelli legati alla parola sono i più importanti e vanno salvaguardati.

Le mappe ottenute vengono usate per il planning chirurgico, in sala operatoria vengono visionate usando il neuronavigatore che mostra in tempo reale la posizione dell’azione chirurgica in atto sulle immagini di risonanza. Inoltre, l’esito della fMRI viene utilizzato per scegliere i compiti che il paziente che viene operato in awake surgery svolgerà durante il Testing Neuropsicologico in Tempo Reale. L’informazione fornita dalla fMRI può aiutare il neurochirurgo a verificare se, all’interno della lesione o nelle sue vicinanze, persiste un’attività funzionale e a pianificare prima della chirurgia l’approccio chirurgico ottimale. Intra-operatoriamente, aiuta il neurochirurgo ad orientarsi fornendo informazioni strutturali e funzionali.

L’immagine a sinistra mostra l’anatomia cerebrale (MRI). Quando eseguiamo un compito (ad esempio un movimento della mano, la lettura di una parola, la percezione di una figura) alcune aree cerebrali specifiche vengono reclutate per lo svolgimento del compito. Le aree che vengono reclutate nel compito sono anche quelle in cui viene bruciato più ossigeno. Di conseguenza varia il rapporto tra ossiemoglobina e deossiemoglobina presenti nelle aree reclutate dall’attivazione. Tale variazione viene rivelata dal segnale di risonanza magnetica e tradotta in immagini utilizzabili in pratica.

I pazienti vengono sottoposti ad una valutazione neuropsicologica prima di eseguire l’esame fMRI, ovvero delle funzioni linguistiche, di memoria, visuo-percettive, attentive - di controllo e motorie. Durante le misurazioni il tessuto cerebrale è esposto ad un campo magnetico e a brevi sequenze di onde radio. Il campo magnetico (1.5 o 3 Tesla) e le onde radio non vengono percepiti dal paziente. Le onde radio fanno oscillare le molecole nei tessuti. Queste molecole oscillando emettono dei segnali, cioè risuonano. I segnali emessi vengono rilevati e successivamente analizzati da un computer. Le immagini di attivazione che vediamo non sono delle foto istantanee perché la fMRI, a differenza della MRI su cui comunque si basa, non produce immagini dirette di quello che avviene nel cervello.

Sono frutto di un’elaborazione di dati (statistica) e raffigurano un effetto secondario dell´attività neuronale (che è molto più rapida). Sono delle mappe della distribuzione di questo effetto su tutto il cervello.

Esempi di Funzioni Valutate con fMRI

La prima funzione ad esser ricercata e quella ancora più frequente ed affidabile è LA FUNZIONE MOTORIA. Durante il mappaggio motorio, si chiede di muovere i diversi distretti corporei. Lo scopo è di identificare la rappresentazione corticale della mano, del piede e della bocca, in modo da evitare di toccare, durante l’intervento tali aree, diminuendo così il rischio di creare una paresi.

Localizzazione delle aree linguistiche: i compiti linguistici possono i) determinare la dominanza emisferica per il linguaggio e ii) localizzare le aree corticali linguistiche. Questo test (rotazione mentale) implica la visione di fotografie che rappresentano delle mani ruotate in diverse posizioni nello spazio. Il paziente deve identificare semplicemente se si tratta di una mano destra o di una mano sinistra. E’ una funzione che ci permette di fare trasformazioni della posizione di oggetti nello spazio.

Per mappare le aree uditive, usiamo un compito di ascolto e di riconoscimento di suoni ambientali, come ad esempio ascoltare e denominare il fischio di un treno, il miagolio di un gatto, un applauso.

Essere consapevole e capace di interagire socialmente è cruciale nella vita di ogni giorno. Corrisponde alla capacità di comprendere le intenzioni degli altri, ossia la teoria della mente.

L’analisi di queste aree ci informa su alcuni aspetti emotivi dei pazienti, utili in un inquadramento generale del paziente.

Studiamo anche funzioni importanti che correlano con l’attività che il paziente svolge, in quanto un danno di quest’area potrebbe condizionare lo svolgimento di questa attività.

Paradigmi Sperimentali

Il tipico esperimento fMRI consiste nella presentazione di una serie di stimoli/eventi durante la registrazione del segnale BOLD. La registrazione riguarda una serie di immagini tridimensionali che comprendono tutto il cervello, acquisite a un ritmo di un’immagine ogni 2÷3 s. Nel corso dell’esperimento lo stesso stimolo viene presentato decine di volte e vengono acquisite centinaia di immagini BOLD.

Paradigmi sperimentali semplici

I paradigmi sperimentali più semplici (paradigmi di sottrazione) prevedono la presentazione di stimoli associati a due diverse condizioni: una condizione d’interesse e una condizione di controllo. Idealmente le due condizioni devono differire solo per un singolo processo. Per es., se si è interessati alle aree cerebrali che codificano il colore, la condizione d’interesse può consistere in fotografie a colori, mentre la condizione di controllo sarà costituita dalle stesse fotografie mostrate in bianco e nero. Per ogni punto delle immagini di risonanza, corrispondente a una piccola zona del cervello, viene stimata la variazione del segnale BOLD associata alle due condizioni.

Questi parametri di attivazione vengono poi confrontati statisticamente per determinare quali zone sono significativamente più attive nella condizione d’interesse rispetto a quella di controllo. Le mappe statistiche così ottenute vengono sovrapposte a immagini strutturali del cervello, permettendo di visualizzare quali aree sono responsabili della codifica del processo che contraddistingue la percezione del colore. Questo approccio sperimentale è molto semplice ma è fortemente influenzato dalla scelta della condizione di controllo. Si basa, infatti, sull’idea che sia possibile identificare due condizioni (sperimentale e di controllo) che differiscono unicamente per il processo che si vuole studiare. Questa assunzione è però discutibile, soprattutto quando il processo oggetto di studio riguarda funzioni cognitive complesse.

Per es., confrontare l’attivazione associata alla lettura di una parola dotata di significato compiuto (condizione sperimentale) con la lettura di una stringa di lettere senza senso (condizione di controllo) dovrebbe mostrare le aree responsabili per il linguaggio. La lettura di una parola con senso compiuto è però associata anche a una serie di altri processi come, per es., funzioni di articolazione e processi cognitivi legati alla memoria. Di conseguenza, la maggior parte delle ricerche svolte con i. c. f.

Paradigmi sperimentali complessi

Particolarmente importanti, in queste ricerche più complesse, sono i disegni fattoriali. Questi permettono di verificare le attivazioni associate a un certo processo in diversi contesti. Per es., la differenza fra parola con significato e sequenza di lettere può essere presentata sia in modalità visiva, come nell’esempio succitato, che in modalità uditiva: ascolto di parole e ascolto di sequenze di lettere senza senso. In questo tipo di disegno, l’effetto critico è rappresentato dall’interazione, ossia dalle attivazioni associate al processo che si sta studiando specificamente in uno dei due contesti.

Questa selettività permette di interpretare l’attivazione in maniera più accurata. Nell’esempio che abbiamo appena fatto, se la differenza fra parola e lettere è specifica per la presentazione visiva, si può affermare che l’effetto non è dovuto a elaborazioni di tipo mnemonico, dato che queste dovrebbero avere luogo anche quando la parola è presentata nella modalità uditiva. I disegni fattoriali hanno un ruolo fondamentale anche nello studio delle patologie. In questo caso, il contesto è dato dalla popolazione studiata. La differenza fra parole e lettere può dare attivazione di una zona del cervello in pazienti con danno cerebrale, mentre la stessa zona non viene attivata nei soggetti sani. Questo effetto selettivo nel gruppo di pazienti può indicare una riorganizzazione delle funzioni linguistiche in caso di danno cerebrale.

Per es., funzioni normalmente associate all’emisfero sinistro possono essere svolte dall’emisfero destro, quando le aree del sinistro sono danneggiate a causa di ictus o trauma cerebrale. Anche se permettono di formulare indagini sperimentali più specifiche rispetto ai disegni di sottrazione, i disegni fattoriali richiedono comunque la definizione di una condizione di controllo che viene applicata nei due, o più, contesti. Un approccio sperimentale che permette di evitare completamente la logica di sottrazione consiste nella manipolazione parametrica del processo studiato. Riprendendo l’esempio del linguaggio, si può immaginare una manipolazione della frequenza di utilizzo delle parole utilizzate.

Questa parametrizzazione permette di investigare la rappresentazione lessico-semantica delle parole senza dover utilizzare nessuna condizione di controllo. L’analisi dei dati di attivazione cerebrale consiste nel verificare in quali aree il segnale aumenta in funzione dell’aumento della frequenza d’utilizzo. Una limitazione dei disegni parametrici è che essi richiedono una precisa ipotesi riguardo la relazione fra il parametro manipolato e il livello di attività cerebrale.

Studio della Connettività Funzionale

I paradigmi descritti sopra considerano il livello di attivazione in ogni punto dell’immagine di risonanza e le corrispondenti zone del cervello in maniera indipendente, rifacendosi all’idea secondo la quale diverse funzioni cerebrali vengono eseguite indipendentemente nelle diverse aree cerebrali (segregazione o specializzazione funzionale). Negli ultimi anni, varie metodologie innovative hanno cercato di andare al di là di questa nozione, considerando che una caratteristica fondamentale del cervello è data dalle moltissime connessioni che permettono alle aree di comunicare fra loro. In effetti, lo svolgimento di qualunque funzione richiede la cooperazione di molte aree, con complessi flussi d’informazione.

In questo contesto, metodiche di i. c. f. per lo studio della connettività funzionale caratterizzano l’organizzazione delle funzioni cerebrali in relazione al flusso dinamico dei segnali fra le diverse aree del cervello. Esistono varie tecniche per lo studio della connettività funzionale. L’approccio più semplice è quello di correlare il segnale BOLD misurato in una data area con il segnale misurato in altre aree del cervello. La presenza di correlazione fra due aree è indice del fatto che esse fanno parte di uno stesso sistema. È possibile valutare queste correlazioni in diverse condizioni sperimentali e, confrontando i parametri di connettività, associare una certa funzione al reclutamento di specifiche connessioni.

La stessa area può, dunque, partecipare a compiti diversi esprimendo il suo ruolo attraverso il reclutamento di un insieme di connessioni diverse in dipendenza della specifica condizione. Una limitazione di questo approccio è che la connettività studiata tramite semplici correlazioni non dà alcuna informazione riguardo alla direzione del flusso dei segnali: in altre parole è indeterminabile se sia l’area A che influenza l’area B, o viceversa. Capire la direzione dei flussi d’informazione è importante perché consente di definire le relazioni causali che determinano l’attivazione dei diversi nodi di un sistema di aree cerebrali collegate fra loro.

La direzione delle connessioni funzionali può essere studiata grazie a metodi di analisi più complessi come la SEM (Structural Equation Modelling) o la DCM (Dynamical Causal Modelling). A differenza dei modelli di connettività basati su semplici correlazioni, queste tecniche analitiche richiedono di specificare ipotesi riguardo alle connessioni anatomiche fra le aree studiate. La visualizzazione di tali connessioni nell’uomo è possibile grazie all’utilizzo di specifiche tecniche strutturali di risonanza magnetica. Queste si basano sul principio che la diffusione delle molecole di acqua nel cervello non avviene al...

Controindicazioni

La risonanza magnetica è controindicata ai portatori di pacemaker (tranne quelli esplicitamente compatibili di recente introduzione), di alcuni tipi di protesi delle valvole cardiache e di impianti metallici, ed in generale in presenza di corpi estranei metallici nel corpo umano.

Preparazione del Paziente

Il paziente deve stendersi supino su un lettino che, attraverso un comando elettronico, viene fatto scorrere all’interno dell’apparecchiatura. Durante l’esame, il soggetto deve mantenere la testa ferma il più possibile perché i movimenti disturbano l’acquisizione delle immagini. In caso di malessere, può comunicare con il medico o con il personale addetto, tramite gli altoparlanti e i microfoni posizionate nella macchina.