Le basi dell`analisi metabolico-funzionale dell`attività cerebrale

Università degli Studi di Cagliari
"Tecniche e Metodiche di analisi della funzionalità cerebrale"
The EEG/fMRI system: a new non-invasive method to study brain activity:
experimental and clinical applications.
Le basi dell’analisi metabolico-funzionale
dell’attività cerebrale mediante EEG/fMRI
Luigi Barberini
La realtà…odierna!
Il Neuroimaging multimodale
permette di “vedere” la
morfologia e la funzionalità
delle strutture cerebrali.
L’attività cerebrale (spontanea
ed evocata) si evidenzia
attraverso la generazione di
campi elettrici e magnetici
misurabili e le alterazioni del
flusso vascolare indotte
dall’attività di insiemi di
neuroni.
Le tecniche EEG-MEG fMRI per visualizzare l’attività cerebrale.
Presso il Policlinico di Cagliari il sistema per fMRI/
EEG simultaneo (Handy EEG, Micromed) è spesso
usato per il monitoraggio di pazienti con epilessia e
con patologie parkinsoniane durante esami
funzionali per studi di imaging (fMRI 1.5 Tesla
Philips).
Il Policlinico di Monserrato
Questo tipo di misura “simultanea” permette di
monitorare i soggetti durante una ampia classe di
esperimenti per il monitoraggio delle funzioni
cognitive e sensorimotorie (Finger tapping, auditory
task etc).
Possibili studi riguardano anche
il monitoraggio del sonno e gli
effetti indotti da agenti
farmacologici.
La risonanza da 1.5 Tesla Philips del Policlinico
Parte dele sistema EEG fmri compatibile Micromed srl del Policlinico
Genesi dei segnali bioelettromagnetici nel SNC: il
potenziale di azione ed il potenziale postsinaptico.
La Fisica dell’EEG e della MEG
Isopotential distribution for a dipole source in
somatosensory cortex using a subtraction potential
approach in a three compartment (skin, skull and
brain)
http://www.scholarpedia.org/article/Volume_Conduction
Localizzazione 3D delle sorgenti dei campi
elettrici e magnetici.
Misuriamo i campi allo scalpo e determiniamo la posizione e l’intensità
della sorgente (o delle sorgenti) generatori (Problema inverso
elettromagnetico).
Il maggiore impedimento che si trova è che le misurazioni (derivanti dall’
EEG o dalla MEG) non contengono abbastanza informazioni circa i
generatori. Questo determina la cosiddetta NON-UNICITA’ delle soluzioni
inverse.
La soluzione “migliore” si trova ipotizzando struttura e posizione di alcune
sorgenti (Dipolo o Densità di corrente), calcolando i potenziali che esse
generano ( problema diretto e LeadField Matrix), confrontandole con i dati
reali e minimizzando lo scarto.
DALLA RISONANZA MAGNETICA VOLUMETRICA A STRATO SOTTILE SI
RICAVANO LE INFORMAZIONI STRUTTURE ATTRAVERSO CUI SI
PROPAGANO I POTENZIALI ELETTRICI E MAGNETCI GENERATI DALLE
SORGENTI
MODELLO SFERICO
MODELLO REALISTICO
Imaging Multimodale
Programmi dedicati
permettono
l’integrazione dei dati
morfologici (RMN, TC)
con quelli funzionali
(EEG, fMRI) per una
lettura comparata
dell’attività neuronale.
La localizzazione e la
temporizzazione delle
aree cerebrali attivate
fornisce informazioni
sui sistemi neurologici
e sulle loro patologie.
Genesi del segnale bold in fMRI
La desossiemoglobina è paramagnetica, mentre la ossiemoglobina non lo è. Di
conseguenza, la presenza di desossiemoglobina nei capillari produce
microscopiche disomogeneità magnetiche, che aumentano lo sfasamento degli
spin dei protoni degli atomi di idrogeno in una regione di spazio che si estende
approssimativamente per 2 volte il raggio del vaso. Man mano che la quantità
di desossiemoglobina presente nel sangue viene spostata e diluita dal flusso
sanguigno, si manifesta uno sfasamento meno rapido ed il segnale MR decade
in modo più lento.
La Fisica della fMRI
Sostanzialmente si sfruttano le
disomogeneità introdotte dalla
variazione di concentrazione di
ossiemoglobina-deossiemoglobina
(diamagnetica-paramagnetica) che
comporta l’attività neuronale di
popolazioni omogenee di neuroni
(contrasto in T2*).
Abbiamo bisogno di sequenze
veloci, non richiediamo una
elevata risoluzione spaziale
(64x64 128x128).
Esistono vari schemi di impulsi.
GE EPI
SE EPI
L’obbiettivo è diminuire i tempi di acquisizione e massimizzare il SNR. (Gradienti
di campo, bobine). http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/
Il paradigma di “attivazione funzionale”.
Ripetizioni ed analisi statistica: “task” in fMRI.
Attivazione fMRI
Le alterazioni dei toni
di grigio legate alla
dinamica vascolare
accoppiata all’attività
neuronale rivela
l’andamento nel tempo
della attivazione
funzionale.
Ancora una volta si
può ricavare un
segnale, per ogni
singolo voxel,
variabile nel tempo.
Si analizzano le serie temporali: General linearized Model (GLM).
SPM (www.fil.ion.bpmf.ac.uk/ )
…eeg/fmri combinato o simultaneo?
Multimodal neuroimaging vantaggi e
svantaggi.
•  Si possono fare esperimenti EEG ed fMRI e
combinare i risultati.
•  Si può acquisire direttamente
l’elettroencefalogramma in sala magnete
mentre si esegue, in simultanea, la fMRI
secondo lo stesso paradigma di attivazione
(task cognitivo o sensorimotorio).
…svantaggi, attenzione agli artefatti!
EEG/fMRI simultaneo. Variazioni del
segnale in funzione del tempo: serie
temporali.
Intensità del segnale EEG
su un canale in funzione
del tempo
possible with
Intensità del segnale fMRI
dal singolo voxel
Come correlare le variazioni elettromagnetiche e neurovascolari?
Come riportare sul piano neurofisiopatologico tali variazioni?
http://www.centrofermi.it/index.php?pageId=21
: each
point represents intensity of voxel during one 3 second MRI - EPI scan
http://pacs.unica.it/uasb