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NEUROSCIENZE AFFETIVE E

COGNITIVE

Lezione 2: Tecniche di brain imaging

tecniche funzionali

Alessio Avenanti – 13 Ottobre 2014 – Dip. di Psicologia, Università di Bologna

Brain Imaging: tecniche funzionali

Tecniche funzionali

• Risonanza magnetica funzionale (fMRI)

• Tomografia ad emissione di positroni (PET)

Le varie metodiche differiscono soprattutto per:

1. Risoluzione spaziale

2. Risoluzione temporale

3. Tipo di informazione (correlazionale, causativa)

fMRI

Risonanza Magnetica Funzionale

La fMRI (come PET) non misura direttamente l’attività cerebrale (come

EEG e MEG), ma le risposte emodinamiche (volume sanguigno, flusso

cerebrale, ossigenazione dei tessuti) che accompagnano l’aumento di

attività neuronale.

In particolare, la fMRI è basata sul contrasto BOLD (Blood Oxygenation

Level Dependent), cioè sul rapporto desossiemoglobina (Hbr) /

ossiemoglobina (HbO2) nei tessuti nervosi.

Il ferro dell’Hbr è una sostanza

paramagnetica, cioè si polarizza

intensamente se immerso in un campo

magnetico. Riduce il segnale fMRI.

Al contrario il ferro della HbO2 non è

suscettibile al campo magnetico

(sostanza diamagnetica) come il resto

del tessuto cerebrale.

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Risonanza Magnetica Funzionale

BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)

1. Aumento attività neurale locale

2. Aumento metabolismo locale: consumo di ossigeno (con relativo aumento di desossiemoglobina)

3. Aumento flusso ematico nella regione attiva.

Poiché l’aumento di flusso ematico eccede lacapacità del tessuto nervoso di utilizzarel’ossigeno ematico fornito all’area (arriva piùsangue di quello richiesto) nell’area attiva si crea:

a) aumento relativo di ossiemoglobina

b) riduzione di desossiemoglobina4. Aumento locale del segnale BOLD in prossimità dei

capillari che irrorano le aree

attive

Il segnale BOLD inizia ad aumentare dopo circa 2-3 sec. dall’inizio dell’attività neuronale, raggiungendo il suo picco dopo 5-10 sec.

Initial negative BOLD signalstimulus

onset

Relazione tra segnale BOLD e extracellular fields potentials (EFPs):

LFPs: Local Field Potentialspotenziali graduati di ampie popolazioni di neuroni; riflettono attività integrative dendridiche (registrate entro una distanza di 0.5-3mm). Alta correlazione con segnale BOLD!

MUA: Multiunit spiking Activity somma pesata di potenziali d’azione extracellulari di centinaia di neuroni (entro una sfera di raggio di 150-300μm)

SDF: Spike Density Functionpotenziali d’azione extracellulari di una o più singole unità. Elettrodo vicinissimo al neurone (entro 50μm)

MUA e SDF mostrano forte

adattamento

LFP rimane elevato per tutta la

durata dello stimolo (area grigia)

Registrazioni elettrofisiologiche e fMRI simultanee

Stimolo visivo

Studi di Nikos K. Logothetis

Local Field Potentials (LFPs):

1) È un segnale registrato usando un microelettrodo a bassa impedenza per registrazione extracellulari posto a distanza sufficientemente lontana da singoli neuroni per evitare il dominio dell’attività di una particolare cellula nel segnale.

2) Si applica un filtro passa-basso a ~300 Hz, per ottenere il LFPs.

3) La bassa impedenza e il posizionamento dell’elettrodo permettono che nel segnale contribuisca l’attività di un numero ampio di neuroni

I LFPs rappresentano (soprattutto) le afferenze sincronizzate all’area target,

al contrario di MUA e SDF (spike) che rappresentano l’output dall’area.

I LFPs sono composto principalmente da potenziali graduati post-sinaptici.

Registrazioni elettrofisiologiche e fMRI simultanee

Logothetis et al., 2001 Nature

Studi di Nikos K. Logothetis

Si possono comunque

trarre delle

informazioni temporali

sull’attivazione

sequenziale di diverse

aree impegnate in un

compito

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SPESSORE

Sezione

6 mm

SEZIONE SAGITTALE

SEZIONE TRASVERSALE 3 mm

VOXEL

( Pixel Volumetrico)

3 mm6 mm

Acquisizione

Matrix

64 x 64

Acquisizione ed analisi dati di fMRI

A. Fase di acquisizione di immagine strutturale

B. Fase di acquisizione di immagini funzionali

C. Appaiamento delle due immagini (coregistrazione)

D. Normalizzazione

E. Analisi statistica

In un tipico esperimento fMRI, il soggetto è sdraiato con la

testa nel magnete e svolge un compito.

A,B

Viene acquisita un’immagine anatomica (T1) del cervello ad

elevata risoluzione, che in seguito sarà usata per sovrapporre

le regioni di attivazione cerebrale.

Esperimento fMRI: 1. Fase AnatomicaA

Esperimento fMRI: 2. Fase Funzionale

primo volume

(2 sec per acquisire))

Vengono prese una serie di immagini funzionali (T2*) a bassa

risoluzione (ad esempio 1 volume di immagini ogni 2 secondi

X 150 volumi = 300 sec = 5 minuti).

BImmagini fMRI: coregistrazione

voxel voxel

C

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Coregistrazione immagine

strutturale (pesata in T1) e

immagine funzionale (pesata

in T2*)

Spatial

normalization

Metodi stereotassici

CNormalizzazione

• Le scansioni MRI di diversi individui variano molto a causa di differenze di orientamento delle scansioni e di strutture anatomiche (forma, grandezza)

• In generale è utile normalizzare le scansioni in base ad un cervello di riferimento (standard template, ad es. il cervello di Talairach o MNI)

• Normalizzare un cervello consiste nel traslare, ruotare, scalare e deformare il cervello in modo da farlo corrispondere al template (in base a volume o solchi)

• Dopo la normalizzazione può essere utile riportare localizzazioni per mezzo di coordinate stereotassiche (Talairach, MNI). Si tratta di 3 numeri (x, y, z) che descrivono la distanza dalla commessura anteriore (l’origine dello spazio di Talairach).

C

Coregistrazione immagine

strutturale (pesata in T1) e

immagine funzionale (pesata

in T2*)

Statistical

analysis

D Metodo Sottrattivo

Il metodo della sottrazione cognitiva si deve agli studi con tempi di reazione (TR).

(F. C. Donders, un fisiologo olandese).

Misura il tempo di un processo psicologico confrontando due tempi di reazione, uno dei quali ha le stesse componenti dell’ altro + il processo che si vuole misurare.

Esempio:

TR1: Premi un pulsante quando vedi una luce;TR2: Premi quando la luce è verde ma non quando è rossa;

TR2 – TR1 = tempo per discriminare due stimoli diversi

D

Mappa statisticaSovrapposta su

immagine anatomica

~2s

Immagini funzionali

Tempo

~ 5 min

Tempo

Segnale

BOLD

Condizione

Analisi Statistica

Regione di interesse

(Region of Interest: ROI)

D

Osservazione del movimento biologico (aumento segnale fMRI)

Osservazione del movimento random (diminuzione segnale fMRI)

Risposta dell’area STS

Grossman & Blake, 2001, Vision Res

D

5

Attivazioni: regioni cerebrali in cui si verifica una

differenza (statisticamente) significativa del segnale

BOLD tra due condizioni.

Sez. orizzontale

Sez. coronale

Sez. sagittale

DUn esempio (“antico” e criticato) di metodologia sottrattiva:

Peterse e coll 1988, 1989 studio PET su attività nervosa durante lettura

di singole parole.

Modello cognitivo di elaborazione lessicale di tipo sequenziale

T1: Baseline (nessuno stimolo)

T2: Presentazione passiva. Presentazione di parola (e.g. torta) senza

alcun compito

T3: Ripetizione. Presentazione di parola (e.g. torta) e richiesta di lettura

ad alta voce

T4: Generazione verbo. Presentazione di parola (e.g. torta) e richiesta di

produzione di un verbo ad essa collegato (e.g. mangiare)

T2 – T1: attivazioni legate a analisi sensoriale

T3 – T2: attivazioni legate a codifica e programmazione articolatoria

T4 – T3: attivazioni legate a elaborazione semantica

- Ok per i primi 2 contrasti.

- Il contrasto T4 - T3 è più problematico sotto diversi punti di vista.

Ad es. esso presuppone che la lettura di una parola non implichi di

per se’ già un’elaborazione semantica della parola stessa.

(Il modello cognitivo di riferimento è toppato!)

Vantaggi e Svantaggi della fMRI

Vantaggi:- Poco invasiva (specialmente se confrontata con PET)- Buona/ottima risoluzione spaziale (1-3 mm)

Svantaggi:- Segnale relativamente debole (il BOLD presenta variazioni dell’ 1-4% rispetto alla condizione di riposo)- Non misura direttamente l’attività neuronale (ma il flusso ematico nella zona attiva)- Povera risoluzione temporale- Sensibile a numerosi artefatti (movimenti della testa)- Non differenzia tra inibizione ed eccitazione- Alto costo (sia per acquistare che per mantenere)

Le varie metodiche differiscono soprattutto per:

1. Risoluzione spaziale

2. Risoluzione temporale

3. Tipo di informazione (correlazionale, causativa)

PET Positrone Emission Tomography

Permette di “fotografare”

il metabolismo delle aree

cerebrali, monitorando le

più attive durante lo

svolgimento di un

determinato compito.

Utilizza un tracciante

radioattivo emittente

positroni (ad es.

glucosio marcato),

iniettato per via

endovenosa (o inalato)

a volontari impegnati in

compiti di cognitivi,

percettivi, motori

PET Positrone Emission Tomography

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La testa è circondata da sensori

che rilevano le emissioni

radioattive (gamma camera o

tomografo-PET); un elaboratore

fornisce l’imaging delle aree che

hanno un incremento metabolico.

Le immagini della scansione

vengono visualizzate su

computer come sezioni sottili

del cervello.

La PET è una metodica di visualizzazione indiretta dell’attività cerebrale

(come la fMRI), in grado di fornire informazioni sul metabolismo del

cervello a riposo o durante vari tipi di compiti. Si basa sull’uso di traccianti

emittenti positroni.

Come si crea un tracciante:

Attraverso un ciclotrone (strumento

che accelera a velocità elevatissima

protoni) si bombardano nuclei stabili

di azoto, carbonio, ossigeno o fluoro.

Questa procedura comporta

l’introduzione nel nucleo di un

ulteriore protone, cioè la creazione di

un isotopo instabile.

L’isotopo instabile viene connesso ad un composto utilizzato dai neuroni

(ad es., glucosio, o l’ossigeno), viene iniettato nel soggetto e raggiunge il

cervello. L’isotopo funge da tracciante del metabolismo del composto

introdotto

Una volta introdotto nel sistema vascolare, il tracciante contenente l’isotopo si diffonde nel cervello e si concentra nelle zone con maggiore attività neurale. L’isotopo (elemento instabile) decade, emettendo un positrone che collide con un elettrone (dopo un aver percorso un tragitto a volte dell’ordine di alcuni millimetri).

La collisione produce la loro reciproca annichilazione, con il rilascio di energia: 2 fotoni (raggi g) che viaggiano a 180 gradi l’uno dall’altro.

15O

TOMOGRAFO A POSITRONI (gamma camera)

I due raggi gamma (fotoni) emessi a seguito dell’annichilazione

raggiungono una coppia di rivelatori del tomografo (posti ai due lati della

testa del soggetto) che registrano eventi solo quando sono simultanei.

Il metodo di detezione simultanea dei fotoni permette la

localizzazione delle sedi in cui avvengono le emissioni g,

con una risoluzione di alcuni millimetri (1-8 mm).

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Il tracciante (isotopo) radioattivo iniettato nel sistema

vascolare si diffonde nel cervello e si concentra nelle zone in

cui il flusso ematico è maggiore, cioè quelle attive durante il

compito.

Per esperimenti di attivazione cerebrale sono utili quegli

isotopi la cui emi-vita (tempo impiegato dal 50% dell’isotopo

per decadere emettendo positroni) sia dell’ordine di minuti o

ore.

Esempi di traccianti PET: ad es.: carbonio-11, azoto-13, ossigeno-15

Ossigeno 15O: EV = 1.5 minInalazione di ossigeno molecolare marcato con 15O (Metabolismo dell’ossigeno); anche

inalazione di anidride carbonica marcata con 15O.

Fluoro (18F-FDG: 18-fluorodesossiglucosio): EV 109 minIl desossiglucosio, somministrato per endovenosa, viene trasportato nel cervello e fosforilato

in modo simile al glucosio ma non viene metabolizzato ulteriormente, e rimane nel tessuto

(Metabolismo del glucosio).

Vantaggi e Svantaggi della PET

Vantaggi:

- Buona risoluzione spaziale (< fMRI, >ERP/MEG)

- È possibile studiare diversi processi biochimici cerebrali,

usandi differenti composti radioattivi (ad esempio studiare il

metabolismo del glucosio, dell’ossigeno etc.).

Svantaggi:

- Invasiva

- Non misura direttamente l’attività neuronale (ma il flusso

ematico nella zona attiva).

- Povera risoluzione temporale.

- A causa del lento decadimento di alcuni isotopi, è difficile

sottoporre il soggetto a molte condizioni sperimentali.

- Alto costo (sia per acquistare che per mantenere).