Risonanza magnetica funzionale

Il risonanza magnetica funzionale (fMRI) è un metodo di tomografia a risonanza magnetica per la rappresentazione visiva dei cambiamenti fisiologici nel corpo. Si basa sui principi fisici della risonanza magnetica nucleare. In senso stretto, il termine è usato in relazione all'esame delle aree attivate del cervello.

Che cos'è la risonanza magnetica funzionale?

Con la risonanza magnetica classica, vengono visualizzate immagini statiche di organi e tessuti corrispondenti, mentre la risonanza magnetica mostra i cambiamenti nell'attività nel cervello attraverso immagini tridimensionali quando vengono svolte determinate attività.

Sulla base della tomografia a risonanza magnetica (MRT), il fisico Kenneth Kwong ha sviluppato la tomografia a risonanza magnetica funzionale (fMRI) per visualizzare i cambiamenti nell'attività nelle diverse aree del cervello. Questo metodo misura i cambiamenti nel flusso sanguigno cerebrale che sono collegati ai cambiamenti nell'attività nelle aree corrispondenti del cervello tramite l'accoppiamento neurovascolare.

Questo metodo utilizza il diverso ambiente chimico dei nuclei di idrogeno misurati nell'emoglobina del sangue povero di ossigeno e ricco di ossigeno. L'emoglobina ossigenata (ossiemoglobina) è diamagnetica, mentre l'emoglobina priva di ossigeno (deossiemoglobina) ha proprietà paramagnetiche. Le differenze nelle proprietà magnetiche del sangue sono anche note come effetto BOLD (effetto dipendente dal livello di ossigenazione del sangue). I processi funzionali nel cervello sono registrati sotto forma di una serie di immagini in sezione.

In questo modo, i cambiamenti di attività nelle singole aree cerebrali possono essere esaminati attraverso compiti specifici sul soggetto del test. Questo metodo viene inizialmente utilizzato per la ricerca di base per confrontare i modelli di attività in soggetti sani di controllo con le attività cerebrali di persone con disturbi mentali. In senso più ampio, tuttavia, il termine tomografia a risonanza magnetica funzionale include anche la tomografia a risonanza magnetica cinematica, che descrive la rappresentazione in movimento di vari organi.

Funzione, effetto e obiettivi

La risonanza magnetica funzionale è un ulteriore sviluppo della risonanza magnetica (MRT). Con la risonanza magnetica classica, vengono visualizzate immagini statiche di organi e tessuti corrispondenti, mentre la risonanza magnetica mostra i cambiamenti nell'attività nel cervello attraverso immagini tridimensionali quando vengono svolte determinate attività.

Con l'aiuto di questa procedura non invasiva, il cervello può essere osservato in diverse situazioni. Come con la risonanza magnetica classica, la base fisica della misurazione è inizialmente basata sulla risonanza magnetica nucleare. Applicando un campo magnetico statico, gli spin dei protoni dell'emoglobina sono allineati longitudinalmente. Un campo alternato ad alta frequenza applicato trasversalmente a questa direzione di magnetizzazione assicura la deflessione trasversale della magnetizzazione al campo statico fino alla risonanza (frequenza di Lamor). Se il campo ad alta frequenza è disattivato, è necessario un certo tempo durante il rilascio di energia finché la magnetizzazione si riallinea lungo il campo statico.

Questo tempo di rilassamento viene misurato. Nella fMRI viene sfruttato il fatto che la deossiemoglobina e l'ossiemoglobina siano magnetizzate in modo diverso. Ciò si traduce in valori misurati diversi per entrambe le forme, che possono essere attribuiti all'influenza dell'ossigeno. Tuttavia, poiché il rapporto tra ossiemoglobina e deossiemoglobina cambia costantemente durante i processi fisiologici nel cervello, le registrazioni seriali vengono eseguite come parte della fMRI, che registra i cambiamenti in qualsiasi momento. In questo modo, le attività delle cellule nervose possono essere visualizzate con precisione millimetrica in una finestra temporale di pochi secondi. La posizione dell'attività neurale viene determinata sperimentalmente misurando il segnale di risonanza magnetica in due diversi punti nel tempo.

In primo luogo, la misurazione avviene nello stato di riposo e poi in uno stato eccitato. Quindi il confronto delle registrazioni viene effettuato in una procedura di test statistico e le differenze statisticamente significative vengono assegnate spazialmente. A scopo sperimentale, lo stimolo può essere presentato più volte alla persona del test. Questo di solito significa che un'attività viene ripetuta molte volte. Le differenze dal confronto dei dati della fase di stimolo con i risultati della misurazione della fase di riposo vengono calcolate e quindi rappresentate graficamente. Con questa procedura è stato possibile determinare quali aree del cervello sono attive in quale attività. Inoltre, è possibile determinare le differenze tra alcune aree del cervello nelle malattie psicologiche e nel cervello sano.

Oltre alla ricerca di base, che fornisce importanti spunti per la diagnosi delle malattie psicologiche, il metodo viene utilizzato anche direttamente nella pratica clinica. La principale area clinica di applicazione della fMRI è la localizzazione di aree del cervello rilevanti per la lingua durante la preparazione di operazioni per tumori cerebrali. Questo per garantire che quest'area venga ampiamente risparmiata durante l'operazione. Ulteriori aree cliniche di applicazione della risonanza magnetica funzionale riguardano la valutazione di pazienti con ridotta coscienza, come coma, stato vegetativo o MCS (stato minimo di coscienza).

Rischi, effetti collaterali e pericoli

Nonostante il grande successo della tomografia a risonanza magnetica funzionale, questo metodo dovrebbe essere considerato in modo critico anche in termini di valore informativo. È stato possibile determinare le connessioni essenziali tra determinate attività e l'attivazione delle corrispondenti aree cerebrali. Anche l'importanza di alcune aree del cervello per le malattie psicologiche è diventata più chiara.

Tuttavia, qui vengono misurati solo i cambiamenti nella concentrazione di ossigeno dell'emoglobina. Poiché questi processi possono essere localizzati in determinate aree del cervello, si presume che anche queste aree del cervello siano attivate a causa dell'accoppiamento neurovascolare. Quindi il cervello non può essere osservato direttamente mentre si pensa. Va notato che la variazione del flusso sanguigno si verifica solo dopo un periodo di latenza di pochi secondi dopo l'attività neurale. Pertanto, un incarico diretto a volte è difficile. Il vantaggio della fMRI rispetto ad altri metodi di esame neurologico non invasivo è la migliore localizzazione spaziale delle attività.

Tuttavia, la risoluzione temporale è molto inferiore. Anche la determinazione indiretta delle attività neuronali attraverso misurazioni del flusso sanguigno e ossigenazione dell'emoglobina crea una certa incertezza. Si presume un periodo di latenza di oltre quattro secondi. Resta da indagare se è possibile assumere attività neurali affidabili con stimoli più brevi. Tuttavia, esistono anche limiti tecnici di applicazione della tomografia a risonanza magnetica funzionale, che si basano, tra l'altro, sul fatto che l'effetto BOLD non è generato solo dai vasi sanguigni, ma anche dal tessuto cellulare adiacente ai vasi.