La Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI) è una tecnica avanzata di imaging che consente di misurare e visualizzare l'attività 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. 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.
Principi di Funzionamento della fMRI
La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è una tecnica intordotta di recente per studiare nel dettaglio l’attività cerebrale. Essa nasce negli anni novanta ad opera di Thulborn e Ogawa, che intuirono l’importanza dell’ossigenazione sanguigna nel tempo (segnale BOLD, Blood Oxygenation Level Dependent), per acquisire immagini relative a una determinata area cerebrale. La Risonanza Magnetica funzionale si basa sulla tecnica BOLD (Blood oxigen level dependent) cioè sul cambiamento del segnale provocato dall’aumento del flusso cerebrale indotto dalla necessità di ossigeno della area cerebrale attivata.
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.
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. 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. La fMRI permette di rilevare i collegamenti tra l’attivazione del cervello e i compiti che il soggetto esegue durante la scansione.
Come si svolge un esame fMRI
Prima di sottoporsi a uno studio di fMRI, il paziente riceve istruzioni dettagliate sul tipo di attività che verranno svolte durante la scansione. 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).
Durante la scansione, il paziente deve rimanere il più immobile possibile per evitare artefatti nelle immagini. 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.
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.
Applicazioni Cliniche e di Ricerca
Uno degli usi principali della fMRI di attivazione corticale è in ambito di ricerca. Gli scienziati utilizzano questa tecnica per comprendere meglio il funzionamento del cervello, esplorando come diverse aree cerebrali lavorano insieme per supportare funzioni cognitive complesse. Gli studi di attivazione corticale sono essenziali per i ricercatori nel campo delle neuroscienze cognitive. La fMRI ha permesso di localizzare le aree del cervello coinvolte nel linguaggio, come l'area di Broca e l'area di Wernicke.
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.
Nel contesto clinico, la fMRI può essere utilizzata per diagnosticare e trattare condizioni neurologiche e psichiatriche. Ad esempio, nei pazienti con epilessia refrattaria, la fMRI può aiutare a localizzare il focus epilettico per guidare l'intervento chirurgico. Gli studi di attivazione corticale sono utili anche in ambito di neuroriabilitazione. Questi professionisti utilizzano la fMRI per studiare i correlati neurali di vari disturbi psicologici e per testare l'efficacia di nuove terapie.
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 campo neurologico, soprattutto a fini chirurgici, la Risonanza Magnetica funzionale permette di determinare la dominanza emisferica o di mappare in modo preciso nell’ambito delle principali aree funzionali le aree motorie, sensitive, uditive, visive e quelle deputate al linguaggio - conferma la dottoressa Valentini -. Viene fatto eseguire al soggetto, durante l’esame di Risonanza magnetica un movimento delle dita della mano o della bocca o del piede per l’area motoria, o vengono somministrati stimoli visivi in movimento per la corteccia occipitale, stimoli cutanei per la corteccia sensitiva, suoni musicali per la corteccia uditiva. I risultati ottenuti, inviati in sala operatoria al neuro-navigatore consentono così di pianificare e di guidare l’intervento riducendo i rischi di deficit neurologici.
«Da un punto di vista terapeutico è invece affascinante studiare la plasticità cerebrale - riprende la dottoressa Valentini -. A seguito di modificazioni patologiche quali un trauma, una lesione vascolare o altro è possibile con la Risonanza Magnetica funzionale monitorare le modificazioni dell’attività di popolazioni neuronali che, a seconda degli stimoli dell’ambiente esterno, intervengono creando nuove sinapsi per permettere il recupero funzionale».
Vantaggi e Limiti
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. Sebbene la fMRI offra una buona risoluzione spaziale, la risoluzione temporale è limitata.
Come per tutte le tecniche finora adottate per studiare l’attività cerebrale, anche la Risonanza Magnetica funzionale non è esente da critiche: «Le limitazioni intrinseche alla metodica sono la risoluzione temporale che è nell’ordine dei secondi, in quanto misura il flusso ematico e non l’attività elettrica dei neuroni ed è legata al tempo di acquisizione delle immagini (si tratta in sintesi di una misura indiretta del funzionamento cerebrale). I tempi di risposta rilevati sono quindi più lunghi rispetto a quelli che si riscontrano, ad esempio, con l’EEG che misura l’attività elettrica in millisecondi. L’aumento di intensità del campo magnetico migliora la risoluzione temporale e anche spaziale. Per ottenere dei risultati attendibili in Risonanza Magnetica funzionale è quindi molto importante la capacità di progettare e implementare il disegno sperimentale più corretto per ricavare in modo corretto la funzione (sensoriale, motoria, cognitiva, comportamentale) che si vuole analizzare e per poter ottenere la variazione del segnale relativa al fenomeno di interesse.
Il movimento del paziente durante la scansione può introdurre artefatti nelle immagini, complicando l'interpretazione dei dati. L'interpretazione dei dati fMRI richiede una notevole esperienza e competenza. Gli studi di attivazione corticale tramite fMRI rappresentano un potente strumento per esplorare e comprendere il funzionamento del cervello umano.
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. A causa della tecnica usata (RMN), è infatti presente un campo magnetico molto intenso in prossimità dello scanner (1,5 T o più). I pazienti devono prima essere esaminati attentamente per individuare qualsiasi tipo di oggetto ferromagnetico (orologi, occhiali, pacemaker, placche ossee, viti ossee etc.) che renderebbe pericoloso anche solo l'avvicinamento allo scanner.
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