Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello

Tecniche di esplorazione funzionale in
vivo del cervello
Ing. Lorenzo Sani
E-mail: [email protected]
Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica
Facoltà di Medicina, Università di Pisa
Materiale didattico:
www.bioclinica.unipi.it/lezioni/bioingegneria
[email protected]
www.ing.unipi.it
“Prenotazione Esami”
Esplorazione funzionale in vivo del cervello
•
•
•
•
I metodi di neuroimaging attualmente sviluppati non
solo forniscono informazioni sulla struttura e
sull’anatomia cerebrale, ma consentono anche di
investigare lo stato funzionale in vivo del cervello umano
Distinzione generale tra le metodiche di esplorazione
funzionale in vivo del cervello:
Tecniche elettriche - magnetiche: rilevano direttamente
la funzionalità cerebrale attraverso la misurazione dei
correlati elettrici o magnetici dell’attività neuronale
(EEG; MEG)
Metodiche emodinamiche - metaboliciche: rilevano
indirettamente la funzionalità cerebrale attraverso la
misurazione degli eventi vascolari o metabolicici che
accompagnano l’attività neuronale (PET, fMRI)
Tecniche di esplorazione funzionale in
vivo del cervello
La risonanza magnetica funzionale
fMRI
•
Principi fisici dell'imaging
funzionale mediante
risonanza magnetica
•
Segnale BOLD e suo legame
con l'attività neurale
•
Tecniche di analisi dei dati fMRI
•
Principi fisici dell'imaging
funzionale mediante
risonanza magnetica
•
Segnale BOLD e suo legame
con l'attività neurale
•
Tecniche di analisi dei dati fMRI
Atomo di idrogeno 1H
-
ELETTRONE
PROTONE
+
NUCLEO
Proprietà di una particella subatomica
• Massa
• Spin
• Carica elettrica
Rapporto
giromagnetico
γ
1H
= 42.58 MHz/T
N
S
µ
γ =
p
Momento magnetico
(dovuto alla rotazione di
una carica elettrica)
Momento angolare
(dovuto alla rotazione di
una massa)
Orientazione degli spin
In assenza di B0
In presenza di B0
B0
µ può assumere 2I+1 orientamenti in un campo magnetico
esterno, corrispondenti a 2I+1 livelli energetici permessi
Atomo di idrogeno 1H: spin I=1/2 → 2 orientamenti possibili → µ
può allinearsi al campo magnetico esterno B0 in posizione parallela
(livello basso di energia) o antiparallela (livello alto di energia)
Frequenza di precessione
B0
B0
Equazione di Larmor:
Frequenza di
precessione
ω = γ Βο
Campo magnetico statico
Rapporto giromagnetico
ω = 42.58 x 1.5 = 63.87 MHz
: siamo nella banda delle radiofrequenze (RF)
Risonanza Magnetica
Se i protoni posti nel campo magnetico statico B0 vengono eccitati
con un impulso e.m. a frequenza ω (frequenza di precessione) si
ha il fenomeno della risonanza magnetica nucleare
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
Impulso di
eccitazione
Risonanza
U
U
Risonanza Magnetica: l’impulso
di
l’
eccitazione a radiofrequenza (RF)
B0
Impulso di
eccitazione RF
EX. 90°
Antenna (bobina) RF
Risonanza Magnetica: l’impulso
di
l’
eccitazione a radiofrequenza (RF)
Impulso di
eccitazione RF
B0
Spettro elettromagnetico (EM)
RX
TAC
fMRI
B0
(ω = 0)
B1
NON ionizzanti
Gli Ultrasuoni NON sono onde EM!!!
PET
ionizzanti
Risonanza Magnetica: il segnale
B0
Bobina RF ricevente
Segnale RF
ricevuto
Segnale FID: Free Induction Decay
B0
Bobina RF ricevente
Segnale RF
ricevuto
(FID)
Magnetizzazione netta M
E’ la somma vettoriale di
tutti gli spins coinvolti nel
fenomeno
…
…
z B
0
x
y
mn
z
M
…
m3
m2
m1
Parametri relativi ai tessuti
Tempo di rilassamento trasversale T2
Tempo di rilassamento longitudinale T1
Densità Protonica PD
Rilassamento T2
Rilassamento T2, tempo di rilassamento trasversale,
effetto spin-spin : scambio di energia tra uno spin e l’altro
I momenti magnetici dei singoli spin precessano a velocità differenti e
quindi si sfasano tra loro
La componente trasversale MXY perpendicolare al campo B0 tende ad
annullarsi
Tempo di rilassamento T2
T2 = costante di tempo del rilassamento trasversale
B0
Mxy(t) ∝ exp(-t/T2)
T2 = tempo che impiegano i protoni a defasare tra loro (e quindi ad
attenuare il segnale), cioè tempo necessario affinché lo sfasamento dei
nuclei determini la riduzione della componente trasversale Mxy del 63%
Tempo di rilassamento T2
Segnale
Sangue
(T2≈362ms.)
Rene
(T2≈124ms.)
grasso
(T2≈108ms.)
1
2
Tempo
3
4
5
Pseudo – rilassamento, tempo T2*
• La presenza di disomogeneità del campo magnetico statico B0 all’interno
del campione causa inevitabilmente un ulteriore defasamento relativo dei
nuclei tra loro
• Si definisce un altro tempo di rilassamento, T2*, esprimendo la velocità di
decadimento trasversale osservata, 1/T2*, come la somma di due contributi:
1) il contributo del rilassamento dovuto all’effetto spin-spin: 1/T2
2) il contributo del rilassamento dovuto alle disomogeneità del campo
magnetico statico: 1/T2disom
1
1
1
=
+ disom
*
T2 T2 T2
1
disom
2
T
= γ ∆ B0
T2disom = costante di tempo di rilassamento dovuto alle disomogeneità
del campo magnetico statico B0
ΔB0: ampiezza della variazione (disomogeneità) del campo magnetico
statico B0 nella regione considerata
Mxy(t) ∝ exp(-t / T2*)
Rilassamento T1
Rilassamento T1, rilassamento longitudinale, effetto
spin-lattice: scambio di energia tra uno spin e
l’ambiente circostante
M
M
I momenti magnetici dei singoli spin tendono gradualmente a riallinearsi
con B0
La componente longitudinale MZ lungo il campo B0 torna verso il suo
valore iniziale M0
Tempo di rilassamento T1
T1 = costante di tempo del rilassamento longitudinale
B0
T1 = tempo che impiega il vettore M a riallinearsi lungo la direzione di B0 (e
quindi ad attenuare il segnale), cioè tempo necessario affinché la
componente longitudinale Mz riacquisti il 63% del valore di equilibrio M0
parallelo a B0
Densità protonica PD
numero di protoni presenti nella zona di interesse
B0
Segnale RF
ricevuto
(FID)
M0
B0
My
Segnale RF
ricevuto
(FID)
M0
Maggiore densità protonica -> più grande M0 -> più alto segnale (FID)
Perché T2, T1, PD?
Immagini “pesate”
T2W
T1W
PDW
Parametri di acquisizione: FA TR TE
⇒FA - Flip angle: angolo tra B0 e M; è
proporzionale alla durata ed all’intensità
dell’impulso RF
⇒TR - Tempo di ripetizione: tempo tra un impulso
RF ed il successivo
⇒TE - Tempo di Eco: tempo tra l’emissione di un
impulso RF e la ricezione del segnale
Variando opportunamente i valori dei parametri di
acquisizione FA, TR e TE si possono ottenere immagini
pesate T2, T2*, T1 o PD
I gradienti di campo magnetico
Cosa sono?
Campi magnetici che si sommano a B0 e le cui intensità
variano linearmente con la posizione lungo i tre assi
(direzioni dello spazio): x, y, z
B0
Gradiente
-2
-1
ω = γB
0
1
2
3
4
x, y, z
A cosa servono?
Per selezionare una regione di interesse e codificare
la zona sorgente del segnale ricevuto
Gradiente di selezione fetta
Gradiente lungo B0 – z (Gz: eccitazione selettiva)
ω = γB
Gradiente attivo durante la
trasmissione dell’Impulso di
eccitazione a radiofrequenza (RF)
Z
Bz(z)
B0
Bz = B0 + z·Gz
Bz = B0
Bz < B0
0
Bz > B0
1
z
Gradiente di selezione fetta
Gradiente lungo B0 – z (Gz: eccitazione selettiva)
ωz = γBz
Bz = B0 + z·Gz
ωz = γBz = γ (B0 + z·Gz)
ωz(z)
B0
ωz = γ (B0 + z·Gz)
ωz = ω0
ωz < ω0
0
ωz > ω0
1
z
Gradiente di fase
Codifica di fase
GRADIENTE ATTIVO:
gli spin si defasano man mano
che il gradiente è attivo
GRADIENTE SPENTO:
gli spin tornano a precedere tutti
alla stessa frequenza ω, ma
rimangono sfasati tra loro
La fase delle componenti del segnale ricevuto è
funzione della posizione lungo la direzione del
gradiente di fase
Gradiente di lettura
Codifica di frequenza
Gradiente attivo
durante la fase di
acquisizione del
segnale RM
La frequenza delle componenti del segnale
ricevuto è funzione della posizione lungo la
direzione del gradiente di lettura
I tre gradienti
Z
Y
X
Y
X
Le sequenze di acquisizione
Successione temporale di attivazione disattivazione:
• di impulsi di eccitazione a radiofrequenza RF
• di gradienti di campo magnetico
• di acquisizione (ricezione e memorizzazione)
del segnale FID
Le sequenze di acquisizione
Gradiente di selezione fetta:
attivo durante la trasmissione
dell’Impulso di eccitazione a
radiofrequenza (RF)
Gradiente di fase: attivo
dopo lo spegnimento
del gradiente di
selezione fetta e prima
dell’accensione del
gradiente di lettura
Gradiente di lettura:
attivo durante la fase di
acquisizione del segnale
RM
Il K-spazio
Memorizzazione dei segnali acquisiti dopo l’attivazione dei tre gradienti
La sequenza di acquisizione viene ripetuta più volte, ogni volta con una diversa
ampiezza del gradiente di fase: vengono acquisiti molti segnali RM
K sta per: n. d’onda = ω/c i valori lungo gli assi sono frequenze
SIAMO NEL PIANO DI FOURIER
Come “riempire” il k-spazio
Sequenza EPI
Y
GX
GZ
GY
Sequenza Spiral
I metodi di riempimento dipendono dal disegno della sequenza
Dal K-spazio all’immagine
K-spazio
Spazio reale
Trasformata di Fourier
(IFFT) bidimensionale
Immagini 2D
Selezione fetta
Codifica di Fase
y
Fette 2D
z
x
Codifica di lettura
Immagini 2D “multipiano”
1 2 3 4 5
Acquisizione MultiPlanare
Tutte le 5 fette sono acquisite
durante lo stesso TR
Più fette sono acquisite durante un singolo
intervallo TR
•
Principi fisici dell'imaging
funzionale mediante
risonanza magnetica
•
Segnale BOLD e suo legame
con l'attività neurale
•
Tecniche di analisi dei dati fMRI
Esplorazione funzionale in vivo dei correlati
neurometabolici dell’attività cerebrale
Riposo
mV
+50
Blood Flow
0
= Hb
Hemoglobin
-70
EEG
1
2
MEG
attività
neuronale
sinaptica
3
attività
della
pompa
Na+/K+
Attivazione
Oxygen
15
H
O-PET
msec 2
fMRI
richiesta
di ATP
richiesta di
ossigeno e
glucosio
= HbO2
FDG-PET
sMRI
flusso
ematico
cerebrale
metabolismo
ossidativo del
glucosio e
produzione di
ATP
fMRI - Segnale BOLD
BOLD: Blood Oxygenation Level Dependent
Segnale BOLD: la sua intensità dipende dal livello di ossigenazione del
sangue
• Negli studi fMRI il segnale BOLD viene registrato utilizzando
opportune sequenze chiamate EPI (echo planar imaging) che
permettono di acquisire immagini funzionali del cervello T2*-pesate
• L’accurata interpretazione del segnale BOLD dipende dalla completa
caratterizzazione dell’attività neuronale che dà origine alla risposta
emodinamica: “neurovascular coupling”
Fisiologia della Correlazione: Attività Neuronale - Flusso
Ematico - Metabolismo Cerebrale
• Nonostante i numerosi sforzi per risolvere il quesito del “neurovascular coupling”,
non è ancora chiaro il meccanismo fisiologico legato al controllo della richiesta, da
parte dei neuroni, di un maggiore flusso sanguigno. Sono stati suggeriti differenti
modelli di regolazione dinamica cerebrovascolare e le ipotesi più probabili sono:
• il rilascio, da parte dei neuroni, di vari fattori chimici che agiscono come mediatori
di tipo biometabolico come per esempio l’ossido nitrico, l’adenosina, gli ioni
idrogeno o potassio;
• il rilascio, da parte dei neuroni, di opportuni neurotrasmettitori;
• una innervazione diretta che parte dai neuroni e raggiunge la muscolatura vascolare
fMRI - Segnale BOLD
fMRI: functional Magnetic Resonance Imaging
Tecnica che utilizza il segnale BOLD per visualizzare il
metabolismo cerebrale mediante MRI
• Il
segnale BOLD permette l’individuazione dei cambiamenti
locali cerebrali di ossigenazione ematica durante una
stimolazione fisiologica
• Il
segnale BOLD si basa sui cambiamenti fisiologici delle
proprietà magnetiche del sangue, in particolare dell’emoglobina:
OSSIEMOGLOBINA
DIAMAGNETICA
DEOSSIEMOGLOBINA
PARAMAGNETICA
PROPRIETA’ MAGNETICHE DEI MATERIALI
Se immersi in un campo magnetico B0:
• FERROMAGNETICI: interazione violenta (attrattiva o
repulsiva) con B0
• DIAMAGNETICI: interazione debole repulsiva con B0
• PARAMAGNETICI: interazione debole attrattiva con B0
Il nostro corpo è prevalentemente diamagnetico
PROPRIETA’ MAGNETICHE DEI MATERIALI
Se un materiale si trasforma da diamagnetico a paramagnetico (es.
ossiemoglobina-deossiemoglobina) si ha una variazione della sua suscettività
magnetica ∆χ (grandezza che misura il grado di magnetizzazione di un
materiale immerso in un campo magnetico), cioè si ha una variazione
dell’interazione del materiale stesso con il campo magnetico statico B0. In
particolare:
• le sostanze diamagnetiche tendono a ridurre le disomogeneità di B0, cioè ad
aumentarne l’uniformità
• le sostanze paramagnetiche tendono ad aumentare le disomogeneità di B0,
cioè a ridurne l’uniformità
variazione di
suscettività
magnetica
∆χ
Variazione del
tempo di
rilassamento T2*
∆T2*
PROPRIETA’ MAGNETICHE
DELL’EMOGLOBINA
• Emoglobina: proteina globulare
solubile di colore rosso presente
nei globuli rossi del sangue,
responsabile
del
trasporto
dell'ossigeno molecolare
• Il gruppo emoglobinico che
influenza
il
rilassamento
protonico è il gruppo eme: ospita
uno ione ferroso Fe2+ che è il
diretto
responsabile
delle
interazioni paramagnetiche con i
protoni acquosi (nonostante si
trovi in una tasca idrofobica
apolare proteica)
ANDAMENTO TEMPORALE DEL SEGNALE BOLD
Segnale BOLD e potenziale d’azione
mV
+50
•
Il segnale BOLD (risposta
emodinamica) ha una durata temporale
dell’ordine dei secondi
0
-70
1
2
3
msec
• Il potenziale d’azione dei singoli
neuroni ha una durata temporale
dell’ordine dei millisecondi
Segnale BOLD e potenziale d’azione
• Uguali unità di misura sui due assi delle
ascisse (tempi misurati in secondi)
• Il potenziale d’azione dei singoli neuroni è
un
evento
estremamente più
rapido
(istantaneo) del segnale BOLD (risposta
emodinamica)
CAUSE di VARIAZIONE del SEGNALE BOLD
•
•
•
•
•
Variazione, rispetto ai livelli basali, dei parametri metabolici e di risonanza
magnetica causati da un aumento dell’attivazione corticale in una determinata
regione del cervello rispetto alla condizione di riposo:
aumento dell’attività neuronale sinaptica
aumento della richiesta di ossigeno e glucosio
aumento del flusso ematico cerebrale
aumento della concentrazione di ossiemoglobina
aumento dell’uniformità del campo magnetico statico B0
• diminuzione della disomogeneità del campo magnetico statico B0
• diminuzione della dispersione di fase degli spin
• decadimento trasversale più lento della magnetizzazione
• diminuzione della velocità di decadimento trasversale dovuta alle
disomogeneità del campo magnetico statico: 1/T2disom
• diminuzione della velocità di decadimento trasversale complessiva: 1/T2*
• aumento del tempo di rilassamento trasversale complessivo: T2*
• aumento dell’intensità del segnale BOLD (cioè dell’intensità delle immagini
T2* pesate), ricevuto dalla macchina di RM: ∝ Mxy(t) = M0 exp (-t / T2*)
CAUSE di VARIAZIONE del SEGNALE BOLD
Acquisizione delle immagini funzionali e strutturali del cervello
• Il segnale BOLD non fornisce una misurazione diretta dell’attività neurale
perché misura un effetto indiretto (la risposta emodinamica) di tale attività
• Durante una sessione fMRI vengono acquisite immagini funzionali in assenza
di stimoli, che serviranno come immagini di controllo (livello basale, di riposo
del segnale BOLD)
• Durante il periodo di acquisizione, vengono presentati degli stimoli che possono
essere: sensoriali, task motori o cognitivi
• Lo stesso task viene ripetuto periodicamente in modo da poter fare una media
statistica di tutti i valori delle immagini relativi all’attivazione
• L’immagine finale si ottiene facendo una sottrazione mediata tra l’immagine
acquisita durante la presentazione dello stimolo e l’immagine acquisita durante
l’assenza di stimoli in modo da ottenere un’immagine statistica parametrica, che
viene poi sovrapposta all’immagine anatomica
Acquisizione delle immagini funzionali e strutturali del cervello
Acquisizione delle immagini funzionali e strutturali del cervello
• Negli studi fMRI le immagini funzionali del cervello (T2*-pesate) vengono
acquisite usando sequenze gradient echo, del tipo echo planar (EPI)
• Ogni TR vengono acquisite tutte le immagini tomografiche 2D (fette) relative
ad un intero volume cerebrale: immagini funzionali a bassa risoluzione spaziale
• Per avere una dettagliata anatomia del cervello: acquisite immagini strutturali
ad alta risoluzione spaziale T1-pesate del tipo spoiled gradient recall (SPGR)
• La struttura dati fondamentale (dataset): insieme di array 3D di valori numerici;
ciascun array 3D: un volume cerebrale. Tutti i volumi cerebrali funzionali
vengono acquisiti in successione temporale in un intero run di scansione
• Ogni elemento di un array 3D: un voxel del volume cerebrale, con le sue
coordinate di posizione (x,y,z); il suo valore numerico: intensità del segnale
BOLD nel voxel corrispondente
• I valori di uno stesso voxel in tutti i volumi cerebrali costituiscono una serie
temporale (time series)
• I dataset che si riferiscono alle immagini anatomiche di localizzazione sono
formati da un unico volume cerebrale
reconstruction registration
Interpretazione dei
risultati, correlazione con
dati comportamentali e
verifica dell’ipotesi
smoothing
Analisi dei dati: postprocessing
Organizzazione degli
esperimenti fMRI
Rationale: ipotesi
sperimentale
Selezione, screening,
test psicologici e
comportamentali
Preprocessing e sessione
sperimentale
Paradigma sperimentale