Scopri la Risonanza Magnetica Funzionale: Come Funziona la fMRI e Perché è Rivoluzionaria!

La Risonanza Magnetica funzionale (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. In particolare, consente di verificare se, all’interno o nelle vicinanze di una lesione cerebrale, persiste un’attività funzionale importante, per poterla preservare.

Principi Fondamentali della fMRI

La tecnica di Risonanza Magnetica funzionale (fMRI) consiste nell'uso dell'imaging a risonanza magnetica (MRI) per valutare la funzionalità di un organo o un apparato, in maniera complementare all'imaging morfologico. Questa tecnica è in grado di visualizzare la risposta emodinamica (cambiamenti nel contenuto di ossigeno del parenchima e dei capillari) correlata all'attività neuronale del cervello. La modificazione dello stato di ossigenazione dell’emoglobina nei globuli rossi è il principio teorico dell’effetto BOLD (Blood Oxygen Level Dependent), sul quale la fMRI si basa e che viene utilizzata come mezzo di contrasto endogeno.

Le caratteristiche intrinseche di questa metodica sono l’assenza di invasività (non viene somministrato mezzo di contrasto paramagnetico), l’elevata risoluzione spaziale e temporale, la facile riproducibilità e la possibilità di co-registrazione con immagini anatomiche di alta qualità.

Da più di cento anni, è noto che le variazioni del flusso sanguigno e dell'ossigenazione sanguigna nel cervello (emodinamica) sono strettamente correlate all'attività neurale. Quando le cellule nervose sono attive, consumano l'ossigeno trasportato dall'emoglobina degli eritrociti che attraversano i capillari sanguigni locali. L'emoglobina è diamagnetica quando ossigenata ma paramagnetica quando non ossigenata e il segnale dato dal sangue nella risonanza magnetica nucleare (RMN) varia in funzione del livello di ossigenazione. Questi differenti segnali possono essere rilevati usando un'appropriata sequenza di impulsi RMN, ad esempio il contrasto Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD).

Come Funziona la fMRI

Uno scanner di risonanza magnetica funzionale (fMRI) utilizza un potente campo magnetico per rilevare l’attività cerebrale. Quando un’area del cervello diventa più attiva, come quando si agita la mano, c’è un aumento del flusso sanguigno verso la regione di interesse. Una scansione di imaging fMRI sfrutta i neuroni attivi che richiedono più ossigeno dai globuli rossi; questo aumento dell’attività porta ad un cambiamento nel flusso sanguigno che viene rilevato dall’fMRI.

Misurando indirettamente le alterazioni del flusso sanguigno e dell’attività elettrica, l’fMRI valuta l’attività cerebrale del paziente. I medici considerano questa tipologia di misurazione indiretta un metodo per studiare la risposta blood-oxygen-level-dependent (BOLD).

La fMRI permette di rilevare i collegamenti tra l’attivazione del cervello e i compiti che il soggetto esegue durante la scansione. L’attività neurale associata a un compito cognitivo specifico, infatti, viene rilevata attraverso il confronto tra le fasi di riposo e le fasi attive, che si alternano a blocchi.

Prima della scansione vera e propria, il paziente viene istruito al compito che dovrà compiere una volta all’interno dello scanner. Gli viene chiesto di simulare il movimento da compiere (ad esempio, apertura e chiusura della mano) o il compito mentale da eseguire (ad esempio, leggere delle parole proiettate su un monitor). Un’apparecchiatura RM compatibile costituita da un monitor e occhiali montati sopra alla bobina d’acquisizione delle immagini permette al paziente di visualizzare i compiti visivi da eseguire durante la scansione di fMRI.

L’immagine mostra come avviene un esame fMRI. Il soggetto è comodamente sdraiato sul lettino dell’apparecchiatura MR e osserva delle immagini proiettate all’interno dello scanner, tramite degli appositi occhiali montati sulla bobina. Mentre il soggetto svolge il compito richiesto (ad es. visione d’immagini o lettura di parole) vengono contemporaneamente registrate le variazioni dell’ossigenazione sanguigna cerebrale nelle aree coinvolte dal compito.

Preparazione e Procedura dell'Esame

Spesso non è richiesta alcuna preparazione prima di eseguire una scansione fMRI, ma ci sono alcune accortezze da tenere a mente. In primo luogo, è importante rimuovere tutti gli oggetti metallici dal corpo, poiché questi possono interferire con il campo magnetico. È anche importante che il paziente informi il medico se ha impianti, come un pacemaker, o se è in gravidanza. Durante l’esame, il paziente viene sdraiato su un tavolo piatto con ruote che entra nella macchina MRI; il tecnico può richiedere di eseguire determinati compiti, come flettere le dita delle mani o dei piedi. Questi compiti innescano un’attività cerebrale specifica che può essere vista nelle immagini. La scansione stessa di solito richiede circa 40-55 minuti.

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. Durante il test, il paziente deve eseguire diversi compiti, come la visione di un video, l’ascolto di suoni, la memorizzazione di brani o la pressione su alcuni pulsanti. Si alternano delle fasi di riposo con delle fasi attive di svolgimento di un esercizio.

Per essere sottoposto all’esame diagnostico, il paziente viene introdotto nel tunnel dello scanner. L’esame si effettua mostrando alla persona alcune immagini, grazie a un sistema ottico di proiezione; un comando manuale, poi, permetterà di rispondere alle richieste del medico, come quella, per esempio, di muovere una mano.

Campi di Applicazione della fMRI

I campi di applicazione sono innumerevoli, volti a studiare e misurare i cambiamenti emodinamici del cervello in diverse condizioni di stimolazione (attiva o passiva) e con l’utilizzo di diversi paradigmi sperimentali (visivi, motori, cognitivi, ecc.).

La fMRI viene utilizzata principalmente in ambito neurochirurgico per la pianificazione pre e post chirurgica delle strutture e delle funzioni corticali in rapporto con una lesione. In sala operatoria poi, con paziente sveglio, per il monitoraggio intraoperatorio delle aree cerebrali eloquenti e/o motorie (awake surgery) permette la programmazione della strategia chirurgica al fine di ridurre al minimo i rischi di deficit post operatorio. In sala operatoria poi, con paziente sveglio, per il monitoraggio intraoperatorio delle aree cerebrali eloquenti e/o motorie (awake surgery) permette la programmazione della strategia chirurgica al fine di ridurre al minimo i rischi di deficit post operatorio.

La fMRI viene utilizzata per studiare i diversi processi cognitivi (linguaggio, attenzione, memoria, decisione) nel normale e nel patologico, nel campo dell’epilessia ai fini di valutazione della lateralizzazione verbale pre-lobectomia, nello stroke per il monitoraggio del recupero funzionale dopo insulto ischemico cerebrale, nelle malattie degenerative (demenza di Alzheimer), nello studio neurofisiologico dei disturbi d’ansia e di panico.

Le indagini con fMRI possono essere utilizzate per studiare una grande gamma di processi cognitivi, inclusi il processo decisionale e la memoria. Si utilizza l’fMRI per valutare il funzionamento del cervello e per determinare il potenziale rischio che il paziente potrebbe riscontrare durante interventi chirurgici o altre procedure invasive.

Da un punto di vista clinico la fMRI è impiegata per rilevare quali aree cerebrali vengono attivate durante l’esecuzione di un determinato compito. Ciò si rivela utile per comprendere ad esempio, in fase pre-operatoria, se nell’area colpita da una lesione cerebrale persiste un’attività funzionale importante per poterla così preservare. Non solo, si può utilizzare la tecnica in fase intraoperatoria per verificare la funzionalità cerebrale.

Applicazione clinica rilevante di questa metodica è la definizione del piano preoperatorio. Consente di verificare se, all’interno o nelle vicinanze di una lesione cerebrale, persiste un’attività funzionale importante, per poterla preservare.

Differenze tra fMRI e MRI

La scansione fMRI si basa sulla stessa tecnologia della risonanza magnetica MRI: ambedue utilizzano un potente campo magnetico e le onde radio per produrre immagini del corpo. Tuttavia, ci sono differenze importanti tra i due, infatti la risonanza magnetica acquisisce immagini della struttura del cervello: può vedere cisti, tumori, sanguinamento e anomalie strutturali. Al contrario, l’fMRI acquisisce immagini dell’attività del cervello mentre sta eseguendo una particolare funzione. Risulta possibile persino analizzare la reazione a determinati pensieri e sentimenti del paziente.

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.

Dato il forte campo magnetico, le persone che hanno impianti come il pacemaker cardiaco, clip metallici nel cervello (applicati in seguito ad aneurisma cerebrale), impianti cocleari, tatuaggi permanenti sul viso o delle schegge metalliche nel corpo non potranno sottoporsi all’esame. Questo è dovuto sia all’attrazione della forza magnetica alla quale sarebbero sottoposti sia al surriscaldamento che gli oggetti metallici sottoposti a cambiamenti frequenti di radiofrequenze genererebbero.

fMRI e Neuromarketing

La risonanza magnetica consiste in una rilevazione dell’attività cerebrale per mezzo di uno scanner che, sfruttando le proprietà nucleari di certi atomi in presenza di campi magnetici, permette di localizzare l’attività cerebrale sfruttando le variazioni emodinamiche, ovvero le modifiche di apporto sanguigno alle diverse aree cerebrali, in base al tipo di attività che sta avvenendo in risposta a uno stimolo esterno o interno. Dallo scanning cerebrale emergono tantissimi dati che, dopo avanzate analisi statistiche, danno forma alle immagini che restituiscono il grado di attivazione cerebrale.

Durante una sessione di fMRI, infatti, si possono acquisire sia immagini funzionali quando il cervello è in una condizione di riposo (assenza di stimoli) che durante l’esecuzione di un compito sensoriale, motorio o cognitivo che viene ripetuto più volte, cosicché si possa fare una media statistica dei dati relativi all’attività cerebrale.

Essendo una tecnologia molto ingombrante e costosa, la fMRI non è tra i tool di neuromarketing più spesso utilizzati, specie se a confronto con eye-tracker o EEG che invece possono tornare utili per test anche al di fuori di un laboratorio. Per questo motivo gli studi svolti con questa tecnologia fanno spesso ricorso all’appoggio di grandi centri di ricerca Universitari specializzati in neuromarketing.

C’è da dire che, rispetto alle altre strumentazioni, la fMRI specie se combinata con l’elettroencefalografia, risulta l’unica tecnologia che permette di osservare, nel modo più preciso ad oggi possibile, il funzionamento delle aree cerebrali in risposta a determinati stimoli, ancora prima che avvenga l’elaborazione consapevole.

Attraverso la fMRI è stato possibile, ad esempio, dimostrare come l’inserimento all’interno di uno spot di scene in cui il prodotto viene toccato, frequentemente utilizzate nella pubblicità, sia effettivamente efficace, rispetto a scene in cui non c’è una diretta interazione con il prodotto. Dagli studi di fMRI è emerso, infatti, che questo tipo di scene provocano un’attivazione maggiore delle aree cerebrali relative al sistema dei neuroni specchio, che ci permetti di entrare in una risonanza emotiva con ciò che osserviamo, aumentando così l’intenzione d’acquisto.

Tecniche di Imaging Cerebrale Funzionale

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.

Nonostante sia una tecnica non invasiva, la RMF fornisce una risoluzione spaziale abbastanza buona. Tuttavia, la risposta temporale relativa all'afflusso sanguigno, su cui si basa la RMF, è piuttosto lieve in relazione ai segnali elettrici veicolo delle comunicazioni neuronali.