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

La Risonanza Magnetica (RM), o imaging a risonanza magnetica (Magnetic Resonance Imaging, MRI), è una tecnica di generazione di immagini usata prevalentemente a scopi diagnostici in campo medico. Qui il segnale di densità è dato dai nuclei degli atomi dei tessuti esaminati, mentre, nelle più diffuse tecniche di imaging radiologico, la densità radiografica è determinata dalle caratteristiche degli orbitali elettronici degli atomi colpiti dai raggi X.

Un’applicazione più sofisticata della RM è la Risonanza magnetica funzionale (fMRI), un esame strumentale utile per registrare la modalità di variazione dei livelli del flusso sanguigno e dell’ossigenazione cerebrale nel distretto encefalico in risposta a diversi stimoli. Dall’esame si ricavano immagini del flusso ematico e dell’ossigenazione nei distretti encefalici studiati.

Come Funziona la fMRI

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.

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. Effetto di questo consumo di ossigeno è un aumento del flusso sanguigno nelle regioni ove si verifica maggiore attività neurale, che avviene con un ritardo da 1 a 5 secondi circa.

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).

Maggiori intensità del segnale BOLD derivano da diminuzioni nella concentrazione di emoglobina non ossigenata, dal momento che la suscettività magnetica del sangue risulta avere un valore più vicino a quello dei tessuti. Mediante analisi con scanner per imaging a risonanza magnetica, usando parametri sensibili alla variazione della suscettività magnetica, è possibile stimare le variazioni del contrasto BOLD, che possono risultare di segno positivo o negativo in funzione delle variazioni relative del flusso sanguigno cerebrale e del consumo d'ossigeno.

La corretta relazione tra segnali neurali e BOLD è ancora soggetto di ricerca ma in generale, le modifiche del segnale BOLD sono correlate alle variazioni del flusso sanguigno. Numerosi studi, svolti nelle ultime decadi, hanno identificato un accoppiamento tra il flusso sanguigno e il tasso metabolico; ovvero l'apporto di sangue è strettamente regolato nello spazio e nel tempo in funzione dell'apporto delle sostanze nutrienti necessarie al metabolismo del cervello.

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.

Applicazioni Cliniche e di Ricerca

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.

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.

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.

La fMRI permette di rilevare i collegamenti tra l’attivazione del cervello e i compiti che il soggetto esegue durante la scansione.

Esecuzione dell'Esame

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.

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.

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. 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.

Preparazione all'Esame

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 (Figura 3, a destra) 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.

Controindicazioni

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.

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.

Vantaggi e Limiti della fMRI

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. Alcuni gruppi di ricerca stanno quindi lavorando su questo problema, combinando la RMF con dati forniti da altri tipi di esami, come l'elettroencefalografia (EEG) o magnetoencefalografia (MEG).

L'EEG ha una risoluzione temporale molto maggiore, ma una risoluzione spaziale piuttosto ridotta, mentre la MEG ha una risoluzione temporale al pari della EEG e risoluzione spaziale simile alla RMF.

Può registrare dati con risoluzione spaziale da 3 a 6 millimetri, ma con risoluzione temporale scarsa (nell'ordine dei secondi), se comparata con altre tecniche come l'EEG. La bassa risoluzione temporale è però dovuta al fenomeno rilevato, non alla tecnica in sé: l'EEG misura l'attività elettrica dei neuroni, mentre la RMF misura l'attitività sanguigna, che ha tempi di risposta più lunghi.

Tecniche Avanzate di Imaging Cerebrale

Oltre alla fMRI, esistono altre tecniche di imaging cerebrale che forniscono informazioni complementari sull'attività e la struttura del cervello:

Imaging Spettroscopico a Risonanza Magnetica: Valuta le specie chimiche presenti in piccole regioni del cervello, fornendo informazioni sul metabolismo neuronale.
Imaging con Tensore di Diffusione (DTI): Misura la connettività anatomica tra le aree cerebrali, rivelando informazioni sulla posizione e la morfologia dei fasci di sostanza bianca.
Arterial Spin Labeling (ASL): Marca magneticamente l'afflusso di sangue a una determinata area di tessuto, fornendo una misura di perfusione.
Tomografia ad Emissione di Positroni (PET): Fornisce informazioni sul metabolismo cerebrale e la perfusione delle varie aree cerebrali.

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. Malgrado questa limitazione, le tecniche di imaging hanno contribuito in modo determinante alla comprensione del funzionamento del cervello umano, svelandomeccanismi legati a processi sensoriali e motori, ma anche a processi più complessi quali funzioni esecutive, memoria e linguaggio.