NEUROSCIENZE AFFETTIVE E
Tecniche di Visualizzazione cerebrale
COGNITIVE
Lezione 1: Metodi nelle Neuroscienze
tecniche strutturali
TECNICA:
1) Cosa di misura? -> Elementi di fisiologia
2) Come funziona? -> Elementi di fisica
3) Come è usata? -> Paradigmi sperimentali
Alessio Avenanti – 13 Ottobre 2014 – Dip. di Psicologia, Università di Bologna
Alessio Avenanti – 11 Maggio 2007 – Facoltà di Psicologia, Università di Bologna
Le varie metodiche utilizzate dalle neuroscienze
differiscono soprattutto per:
1. Risoluzione spaziale
2. Risoluzione temporale
3. Tipo di informazione fornita
(correlazionale, causativa)
Il progresso della nostra conoscenza delle basi neurali
delle funzioni nervose richiede la convergenza e
l’integrazione delle diverse modalità di studio.
Le varie metodiche differiscono soprattutto per:
Visualizzazione cerebrale
1. Risoluzione spaziale
2. Risoluzione temporale
Le diverse tecniche di visualizzazione cerebrale si dividono
in 2 grandi categorie:
3. Tipo di informazione (correlazionale, causativa)
1) Tecniche di visualizzazione strutturale:
Studiano l’anatomia, le caratteristiche dei tessuti (ad es.
quantità di sostanza grigia o bianca) e la presenza di
condizioni patologiche (tumori, emorragie, infarti)
2) Tecniche di visualizzazione funzionale:
Servono ad individuare le aree cerebrali coinvolte in una
determinata funzione, la sequenza di attivazione delle aree
coinvolte in un compito, e l’effetto su queste aree di varie
patologie neurologiche (lesioni) e psichiatriche (autismo,
schizofrenia).
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Tecniche strutturali
Brain Imaging:
tecniche strutturali
• Radiografia convenzionale
• Tomografia computerizzata (CT)
• Risonanza magnetica per immagini (MRI)
Spettro elettromagnetico
Radiografia convenzionale
Radiografia convenzionale
Radiografia convenzionale
La radiografia nasce nel 1895 con
la scoperta dei raggi X (anche detti
Röntgen dal nome del primo
ricercatore che descrisse le loro
proprietà).
Röntgen scoprì che questi raggi
prima di allora sconosciuti (da qui la
X) rappresentavano una forma di
radiazione elettromagnetica.
È nota come raggi X quella porzione dello spettro elettromagnetico con una lunghezza
d'onda compresa approssimativamente tra 10 nanometri (nm) e 1/1000 di nanometro.
I raggi X a minori lunghezze d’onda si affiancano ai raggi gamma, più energetici, ma
vengono distinti da essi a seconda della loro origine: i fotoni X sono prodotti da
elettroni atomici (origine elettronica), mentre quelli gamma da transizioni all'interno di
un nucleo atomico (origine nucleare).
•
Una radiografia convenzionale
del capo fornisce un quadro
statico del cranio e suo
contenuto
•
Per ottenerla, un ampio fascio
di raggi x raggiunge una
pellicola sensibile ai raggi x
dopo aver attraversato le ossa
del cranio.
fotoni
tungsteno
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Radiografia convenzionale
•
Una radiografia convenzionale
del capo fornisce un quadro
statico del cranio e suo
contenuto
•
Per ottenerla, un ampio fascio
di raggi x raggiunge una
pellicola sensibile ai raggi x
dopo aver attraversato le ossa
del cranio.
•
Le ossa assorbono parte dei
raggi x (sono radio-opache)
mentre altri tessuti (radiotrasparenti) lasciano passare i
raggi x che impressionano
(scuriscono) la pellicola.
•
Oggi si usano detettori e sistemi
digitali, non pellicole.
Radiografia convenzionale
•
È una rappresentazione bidimensionale di
un oggetto tridimensionale e ciò costituisce
una delle sue principali limitazioni.
•
È in grado di mostrare nei dettagli la
struttura del cranio ed eventuali fratture o
tumori delle ossa craniche, ma non riesce a
visualizzare e a distinguere l’una dall’altra la
sostanza grigia e bianca.
•
Alcune strutture cerebrali che accumulano
calcio con l’andar degli anni, come la
ghiandola pineale, assorbono anch’esse i
raggi x e possono essere riconosciute nelle
radiografie convenzionali del cranio.
Tomografia computerizzata
Tomografia computerizzata
• È simile alla radiografia convenzionale in quanto la produzione delle
immagini è basata sul diverso grado di assorbimento dei raggi x.
•
La scansione mediante TC proietta l’immagine di un singolo piano o
sezione di tessuto, da cui il termine tomografia (tomos). La sezione di un
tomogramma è una vera rappresentazione bidimensionale di un oggetto
bidimensionale (piano di sezione).
•
Con la tomografia computerizzata è possibile analizzare l’anatomia
regionale del cervello nei soggetti normali e pazienti.
•
Con la TC si possono ottenere immagini di ossa, tessuto cerebrale, liquido
cerebrospinale. È possibile anche riconoscere strutture intracerebrali: ad
es. talamo, nuclei della base, sostanza grigia e bianca della corteccia
cerebrale, i ventricoli.
•
Però, fornisce un’immagine statica del cervello: può esplorare solo le
strutture e non le funzioni cerebrali.
Tomografia computerizzata
•
La formazione dell’immagine TC del cervello è basata sul fatto che i diversi
tessuti contenuti all’interno della scatola cranica hanno differenti coefficienti
di assorbimento dei raggi x. Questo determina un quadro di attenuazione
del fascio di raggi x, che viene registrato mediante appositi sensori.
•
Per ciascuna sezione del cervello presa in esame, la rilevazione viene
ripetuta per diversi punti di entrata del fascio di radiazioni, e a diverse
angolazioni.
•
I dati relativi all’assorbimento della
radiazione vengono elaborati
mediante computer e trasformati in
immagini bidimensionali (sessioni
assiali o coronali), disponibili sotto
forma di lastra radiografica.
Tomografia computerizzata
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Tomografia computerizzata
Ricostruzione
volumetrica
Sezione
trasversale
Sezione
saggittale
Sezione
coronale
Risonanza magnetica (RMI)
Brain Imaging:
tecniche strutturali
Risonanza Magnetica
La risonanza magnetica nucleare (MRI) è una tecnica
entrata in uso negli anni ’70 allo scopo di ottenere
immagini dettagliate dell’anatomia cerebrale sfruttando le
proprietà nucleari di certi atomi in presenza di campi
magnetici.
Attraverso tecniche di rilevamento ultrarapido dei dati, è
divenuta possibile l’acquisizione di immagini in tempi
talmente ridotti (dell’ordine del centesimo di secondo) da
permettere di seguire nel loro svolgimento alcuni fenomeni
metabolici: si parla in questo caso di MRI funzionale
(fMRI).
Principi di Risonanza magnetica
Principi di Risonanza magnetica
La RM sfrutta la proprietà di alcuni elementi (con peso atomico
dispari) come l’idrogeno, dotati di spin intrinseco (ruotano intorno a
se stessi
2) Tale allineamento degli assi di rotazione è perturbato da una
segnale radio ad una frequenza specifica per l’atomo (frequenza di
risonanza).
B
3) L’energia del segnale radio è assorbita dall’atomo (Eccitazione)
1) Se posti un campo magnetico statico forte ed omogeneo, i nuclei
di questi atomi allineano i loro assi di rotazione con l’asse del
campo magnetico (B).
4) Gli atomi in seguito iniziano a tornare al loro equilibrio iniziale
(Rilassamento). Riemettono parte della energia assorbita sotto forma
di segnale radio che viene registrato da una bobina ricevente.
4
Principi di Risonanza magnetica
Ricetta per la buona riuscita di una MRI
5) Formazione delle immagini di risonanza:
Si basa sull’applicazione di un ulteriore campo magnetico graduato.
Il segnale di risonanza emesso dai nuclei dipende dalla posizione che
essi occupano rispetto al campo graduato.
1) Metti il soggetto in un forte campo magnetico (e lascialo li)
2) Trasmetti onde radio nel soggetto [circa 3 ms]
3) Interrompi la trasmissione di onde radio
4) Ricevi le onde radio ritrasmesse dal soggetto
– Manipola la ritrasmissione con campi magnetici opportuni durante
questo intervallo [circa 10-100 ms: MRI non è istantanea]
5) Salva le onde radio ritramesse (dati)
– ora torna indietro al punto 2 per ottenere altri dati
6) Processa i dati grezzi per la ricostruzione dell’immagine 3D
7) Consenti al soggetto di uscire dallo scanner (optional)
Su questo principio di basa la formazione delle immagini anatomiche
(strutturali)
fMRI: Strumentazione necessaria
Metodi Strutturali
4T magnet
RF Coil
Esempi di applicazioni avanzate:
gradient coil
(inside)
1) Lesion mapping
Magnete
per campo statico
Magnete a gradiente
Magnete per
Radio frequenza
2) Voxel-based morphometry
3) Diffusion Tensor Imaging
Lesion mapping methods
Lesion mapping methods
• Si sovrappongono le scansioni TC/MRI di
pazienti con certi disturbi neuropsicologici
(dopo averle normalizzate)
• Si sovrappongono le scansioni TC/MRI di
pazienti con certi disturbi neuropsicologici
(dopo averle normalizzate)
• Si costruiscono delle mappe lesionali che
permettono una valutazione quantitativa.
• Si costruiscono delle mappe lesionali che
permettono una valutazione quantitativa.
– È possibile applicare ad es. la logica sottrattiva tipica
del brain imaging
– È possibile inoltre calcolare la relazione tra
percentuale di “voxel” lesionati in una certa area e il
deficit cognitivo (prestazione ad un compito)
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Lesion mapping methods
Lesion mapping methods
È possibile applicare ad es. la logica sottrattiva tipica
È possibile inoltre calcolare la relazione tra
del brain imaging
percentuale di “voxel” lesionati in una certa area
e un deficit cognitivo (prestazione ad un compito)
contrasto tra mappe lesionali di
pazienti che presentano un
sintomo (e.g. anosognosia per
l’emiplegia) e pazienti che non
presentano quel sintomo
(emiplegici non anosognosici).
Pazzaglia et al., 2008 J Neurosci
Berti et al., 2005 Science
VBM = voxel-based
morphometry
Diffusion Tensor Imaging (DTI)
Diffusion MRI is a specific MRI modality
that produces in vivo images of biological
tissues weighted with the local
microstructural characteristics of water
diffusion.
Permette di quantificare il volume della materia grigia.
Può essere usata per misurare:
With diffusion tensor imaging (DTI)
scans is possible to infer the whitematter connectivity of the brain: i.e.
tractography
1) Differenze anatomiche inter-individuali (e.g. ippocampo dx tassisti di
Londra; cervelletto nei giocolieri)
2) Effetti di un trattamento (e.g. terapia del comportamento)
Diffusion Tensor Imaging (DTI)
Tractography
It is MRI procedure to
demonstrate the neural tracts
and represent them in 2- and 3dimensional images.
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