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fMRI: Risonanza Magnetica Funzionale

Overview

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è una tecnica di neuroimaging non invasiva utilizzata per studiare la funzione e la cognizione del cervello umano sia in individui sani che in popolazioni con stati cerebrali anormali. La risonanza magnetica funzionale utilizza un segnale di risonanza magnetica per rilevare i cambiamenti nel flusso sanguigno che sono accoppiati all'attivazione neuronale quando viene eseguita un'attività specifica. Ciò è possibile perché l'emoglobina all'interno del sangue ha proprietà magnetiche diverse a seconda che sia legata o meno all'ossigeno. Quando viene eseguito un determinato compito, c'è un afflusso di sangue ossigenato alle regioni del cervello responsabili di quella funzione, e questo afflusso può quindi essere rilevato con specifici parametri di scansione MRI. Questo fenomeno è chiamato effetto dipendente dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) e può essere utilizzato per creare mappe dell'attività cerebrale.

Questo video inizia con una breve panoramica di come si ottiene il segnale MRI e fMRI. Quindi, viene rivisto il design sperimentale di base, che comporta prima l'impostazione di una presentazione dello stimolo specificamente progettata per testare la funzione che verrà mappata. Successivamente, vengono introdotti i passaggi chiave coinvolti nell'esecuzione della scansione fMRI, tra cui la sicurezza del soggetto e la configurazione dello scanner. Vengono quindi presentati i passaggi comunemente utilizzati per l'elaborazione dei dati, tra cui la pre-elaborazione e l'analisi statistica con il modello lineare generale. Infine, vengono esaminate alcune applicazioni specifiche della fMRI, come le indagini sulla funzione anormale nei disturbi psicologici e la combinazione di fMRI con modalità di imaging complementari, come l'imaging del tensore di diffusione (DTI).

Procedure

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La risonanza magnetica funzionale, o fMRI, è un metodo di neuroimaging ora ampiamente utilizzato per studiare la funzione e la cognizione del cervello umano. La fMRI può essere utilizzata per studiare sia la normale funzione cerebrale che gli stati cerebrali anormali o malati.

Questo metodo fa uso di forti magneti per creare mappe dell'attività cerebrale rilevando i cambiamenti nel flusso sanguigno che sono accoppiati all'attivazione neuronale. Questa tecnica di imaging ha un'eccellente risoluzione spaziale e temporale e non è invasiva, poiché non richiede iniezioni o comporta l'esposizione di soggetti a radiazioni ionizzanti.

Questo video coprirà come si ottiene il segnale fMRI, la progettazione sperimentale di base, l'acquisizione fMRI e l'elaborazione dei dati di base.

Per prima cosa, diamo un'occhiata a come funziona la risonanza magnetica. Essenzialmente, le macchine MRI, o "scanner" sono elettromagneti molto forti, in genere 1,5 - 3 tesla (T), che utilizzano le proprietà magnetiche del tessuto nel corpo per creare immagini.

Quando un paziente o un partecipante allo studio è al di fuori dello scanner, i nuclei di idrogeno appartenenti alle molecole d'acqua nei tessuti ruotano in modo disordinato. Quando viene applicato un campo magnetico, diventano più ordinati. Quando il soggetto all'interno del campo magnetico è esposto a impulsi oscillanti a radiofrequenza, l'angolo di rotazione dei nuclei passa da uno stato all'altro ed emette un segnale letto dallo scanner per produrre un'immagine.

La risonanza magnetica funzionale è possibile perché l'emoglobina all'interno del nostro sangue ha proprietà magnetiche diverse a seconda che sia legata o meno all'ossigeno. Quando deossigenato, è "paramagnetico", il che significa che provoca una disomogeneità del campo, o una leggera interruzione del campo magnetico locale, che diminuisce il segnale di risonanza magnetica ottenuto dal tessuto circostante.

Sfruttando questo fenomeno, l'attivazione cerebrale può essere misurata in base a come il flusso sanguigno risponde all'attivazione neuronale. Quando i neuroni si attivano, il loro aumento del metabolismo provoca un afflusso di sangue ossigenato, con conseguente diminuzione della quantità di emoglobina deossigenata nella regione.

Ciò si traduce in più segnale nell'area circostante i neuroni attivi a causa della diminuzione della disomogeneità e viene indicato come segnale Blood Oxygenated Level Dependent, o BOLD.

Il grafico del segnale MRI, chiamato funzione di risposta emodinamica, si presenta così, con l'intensità del segnale in una regione che aumenta dopo l'attivazione neuronale.

Lo scanner può essere impostato per l'immagine per questo fenomeno utilizzando una sequenza di immagini sensibile all'ossigenazione del sangue. L'intero volume del cervello deve essere ripreso ogni pochi secondi, per catturare i tempi dell'effetto BOLD.

Come tutti gli esperimenti scientifici, quelli che coinvolgono la fMRI iniziano stabilendo un'ipotesi. Quindi, un modello di presentazione dello stimolo, o paradigma, dovrebbe essere progettato per testare la funzione cerebrale di interesse. I progetti possono variare da un paradigma di blocco di base, contenente periodi prolungati di esposizione agli stimoli, a un design più complesso correlato agli eventi, in cui gli stimoli sono presentati brevemente e distanziati nel corso dello studio.

È inoltre necessario selezionare i parametri di scansione appropriati che funzioneranno per il progetto sperimentale, utilizzando una sequenza MRI sensibile al segnale BOLD.

Prima di eseguire qualsiasi esperimento su soggetti umani, è necessaria l'approvazione di un comitato di revisione etica o istituzionale. Quindi, è possibile reclutare partecipanti allo studio appropriati.

Prima della scansione, i soggetti devono prima essere sottoposti a screening per la sicurezza della risonanza magnetica e tutti i partecipanti con controindicazioni MRI, come la presenza di un dispositivo di pacemaking cardiaco, devono essere esclusi. Deve essere ottenuto anche il consenso scritto e informato e tutti gli oggetti metallici devono essere rimossi dal corpo del soggetto.

Successivamente, la natura dell'esperimento e le direzioni funzionali delle attività dovrebbero essere riviste, poiché le prestazioni del soggetto sono fondamentali per risultati solidi.

Nella sala scanner, la protezione dell'udito deve essere fornita prima di posizionare la bobina della testa con imbottitura intorno alla testa per ridurre il movimento. Anche l'attrezzatura per la presentazione degli stimoli deve essere allestita. I sistemi di occhiali o proiettori sono spesso utilizzati per la presentazione visiva, ma esistono altri tipi di apparecchiature per la consegna degli stimoli.

Una volta che il soggetto è a suo agio, il letto dello scanner viene inviato nel foro del magnete. Quindi, vengono impostate le sequenze di imaging, inclusa una scansione anatomica ad alta risoluzione per riregistrarsi alle scansioni funzionali.

Al soggetto dovrebbero essere ricordate le istruzioni del compito e l'acquisizione funzionale deve essere sincronizzata con l'inizio del paradigma del compito. Questo è fondamentale, in quanto la tempistica dell'attività deve essere abbinata alla tempistica di acquisizione dell'immagine per misurazioni BOLD accurate.

Il soggetto deve essere monitorato durante la scansione e, se necessario, devono essere eseguite ulteriori esecuzioni funzionali. Infine, il soggetto viene aiutato fuori dallo scanner e fuori dal letto dello scanner.

Il metodo di elaborazione delle immagini specifico e il pacchetto software utilizzato variano a seconda dell'esperimento. In questo video, esamineremo i comuni metodi di elaborazione basati su attività BOLD.

In primo luogo, i dati fMR dovrebbero essere pre-elaborati per rimuovere gli artefatti dell'immagine e prepararli per l'analisi statistica. Ciò comporta la correzione del tempo di slice e la correzione del movimento, nonché la co-registrazione all'immagine anatomica.

Per gli studi di gruppo, viene spesso eseguita anche la normalizzazione in uno spazio modello standard, quindi le aree cerebrali e le coordinate spaziali possono essere confrontate tra i soggetti.

Una volta preparati i dati, viene eseguita un'analisi statistica per individuare le regioni con segnale MR significativo correlato allo stimolo o alla funzione cognitiva che è stata testata. Il modello lineare generale viene in genere utilizzato per analizzare esperimenti basati su attività. Questo modello presuppone che sia stato ottenuto un segnale BOLD che corrisponde alla funzione di risposta emodinamica prevista e convola questa funzione con il design dello stimolo.

Infine, viene selezionata una soglia statistica per rivedere i risultati, che vengono in genere visualizzati come una mappa parametrica statistica, utilizzando una scala codificata a colori per indicare unità statisticamente significative dell'immagine chiamate "voxel", che possono essere considerate pixel 3D. Ulteriori analisi possono essere eseguite secondo necessità.

Ora che abbiamo introdotto come viene progettato, eseguito e analizzato un esperimento fMRI, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni specifiche di questo metodo. La fMRI viene utilizzata per comprendere la funzione e la cognizione del cervello umano "normali", come l'elaborazione motoria, visiva e del linguaggio, per citarne alcuni. Sebbene queste siano apparentemente funzioni di base, c'è ancora molto da imparare su questi e molti altri processi cognitivi.

Inoltre, la fMRI può essere utilizzata per studiare la funzione cerebrale negli stati cerebrali patologici e nei disturbi psicologici. Ci sono molte aree attive di ricerca come disturbi d'ansia, disturbo da stress post-traumatico, autismo e demenza.

La fMRI può anche essere combinata con altre tecniche di risonanza magnetica o altri tipi di imaging per studiare ulteriormente le funzioni cerebrali, come l'imaging del tensore di diffusione, l'elettroencefalografia o "EEG" e persino la stimolazione magnetica transcranica o "TMS".

Esistono anche tecniche di analisi fMRI a riposo che possono essere utilizzate per indagare la connettività funzionale, come l'analisi dei componenti indipendenti e l'analisi della correlazione incrociata.

Hai appena visto il video di JoVE sulla risonanza magnetica funzionale. Questo video ha illustrato come si ottiene il segnale fMRI, la progettazione dello studio fMRI di base, l'acquisizione fMRI, l'elaborazione dei dati BOLD fMR e le applicazioni.

Abbiamo imparato che la fMRI è una tecnica di imaging robusta e non invasiva che può essere utilizzata per indagare molti aspetti della funzione cerebrale umana e della cognizione.

Grazie per aver guardato, buona fortuna con i tuoi esperimenti e ricorda che la sicurezza della risonanza magnetica viene sempre prima di tutto!

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