Approcci e metodi in scienze e neuroscienze cognitive

MAGNETOENCEFALOGRAFIA (MEG)

La Magnetoencefalografia (MEG) è una tecnica che misura i campi magnetici prodotti dall'attività elettrica cerebrale spontanea o evocata (campi magnetici prodotti dal flusso elettrico). È una tecnica correlazionale, diretta, funzionale, con risoluzione temporale alta e spaziale buona. Il problema principale è che ha costi elevati e viene utilizzata in situazioni particolari.

La MEG, rispetto a ERP, ha una risoluzione spaziale più bassa (si passa da 10 cm a 1 cm). È una tecnica recente che si basa sui campi magnetici. La tecnica utilizza i campi magnetici creati dai dipoli elettrici, estrae segnali magnetici dall'EEG: quando la corrente passa in un conduttore (es. cervello) genera un campo magnetico circolare che è misurato con un magnetometro.

Detezione segnale. Qualunque flusso di corrente elettrica produce dei campi magnetici, lo stesso avviene per i neuroni del cervello. I potenziali post-sinaptici si sommano tra loro (soprattutto quelli...

perpendicolari allo scalpo) e rappresentano il segnale per la MEG.

In un dipolo elettrico (potenziale + da un lato e – dall’altro) si formano campi magnetici circolari attorno al flusso elettrico stesso. Ciò accade anche nel nostro cervello; quando ci sono dei flussi di corrente, ci saranno anche dei campi magnetici circolari attorno ad essi, ma sono dei campi magnetici molto deboli e possono essere mascherati dal più forte segnale terrestre. Questi segnali però, possono essere sommati e registrati nonostante la loro debolezza. Per fare ciò, sono necessari sensori sensibili contenuti in un elmetto nonché stanze magneticamente schermate.

Esattamente come per l’EEG, si sfrutta la contemporaneità di tempo e spazio delle cellule piramidali, che sono sorgenti di dipolo per cui si formano campi magnetici che si sommano (soprattutto quelli perpendicolari allo scalpo). La MEG quindi registra la somma di tutti questi campi magnetici.

utilizza come segnali per costruire delle mappature segnale magnetico conseguente alla formazione di corrente. - Come nell'EEG, i segnali della MEG sono oscillatori e si definiscono per la loro frequenza (per cui esistono le stesse bande Alfa, Beta, Gamma, Delta). - I campi Magnetici Evento Correlati (EMRF) equivalgono a ERP. - Come per HDEEG esiste il forward problem e l'inverse problem e si possono localizzare le sorgenti su immagini 3D del cervello (cioè non è descritto in termini di ritmi e onde ma in termini di mappatura del cervello). Utilizzo. - In clinica spesso usata per diagnosi epilessie, nella ricerca è unica tecnica non invasiva per valutare l'attività cerebrale nel feto (FMEG). Tale scan effettuato sul feto può essere utilizzato per fare un'analisi molto precoce dello sviluppo. Ad esempio, sono stati fatti studi stimolo-risposta che hanno mostrato risposte a toni puri con latenze di 200 ms che diminuiscono con.

L'avanzare dell'età e risposte a flash luminosi nell'80% dei feti.

Ricerca "Infant brain responses to felt and observed touch of hands and feet: a MEG study" di Meltzoff et al.

C'è un interesse crescente riguardo ai modi in cui il corpo umano, sia il proprio che quello degli altri, è rappresentato nel cervello umano in via di sviluppo. Questo studio è stato uno tra i primi a cercare di occuparsi della rappresentazione del corpo nello sviluppo iniziale di bambini molto piccoli (entro i 7 mesi di età) utilizzando la MEG. Sono state valutate le attivazioni nel cervello del bambino che corrispondono all'essere toccati e alle attivazioni che corrispondono alle osservazioni del tocco nel corpo di un altro.

Obiettivo: distinzione self-others e le implicazioni del sistema somato-sensoriale. I ricercatori hanno studiato le aree che si attivano quando si viene toccati sulla mano o sul piede e quando lo si vede fare ad un'altra persona.

Esperimento 1: Valutava l'organizzazione spazio-temporale delle risposte cerebrali dei bambini all'essere toccati. Attraverso la MEG si cerca di capire quali sono le aree per la rappresentazione del tocco e come si differenziano. Le aree che si attivano sono il lobo parietale in S1 controlaterale così come in altre aree parietali e frontali, che corrispondono alla mano e al piede. Esperimento 2: Esplorava le risposte del cervello infantile alla percezione visiva toccando la mano o il piede di un'altra persona, mentre il bambino guardava un video. In questo caso sono visibili delle attivazioni visive posteriori. Ma c'è anche un'attivazione anche nelle stesse aree somatosensoriali (parietale controlaterale) sebbene di intensità molto minore rispetto alla prima condizione, inoltre anche attivazione di aree multisensoriali per la distinzione self-other. Risultati: gli esperimenti precedenti confermano che i bambini hanno unarappresentazioneneurale che riesce a mappare le equivalenze tra il corpo del sé e quello degli altri. Lezione 7 fMRI, PET, SPECT, NIRS Risonanza magnetica funzionale (fMRI) Tecnica che misura il livello di ossigenazione del sangue (BOLD) durante un compito oppure a riposo. → risoluzione spaziale alta → risoluzione temporale medio-alta ma dipende dal tipo di disegno sperimentale. È una tecnica correlazionale (può essere usata sia come misura di un task oppure a riposo), indiretta (perché misura ciò che risulta dal metabolismo), funzionale. Si basa su principi fisici dellarisonanza magnetica (MR), quindi viè:

• Un magnete, che genera un campo magnetico statico B0;
• Una bobina, che invia un altro campo magnetico oscillante B1;
• Questa bobina registra le risposte che arrivano dal tessuto corporeo.

- Il corpo è composto soprattutto da acqua (H2O) e contiene molti nuclei di idrogeno (H). (tutti gli elementi hanno un nucleo con protoni e neutroni)

dispari)- I nuclei di H ruotano attorno a sè stessi (spin intrinseco) e ciò genera un campo magneticoMomento magnetico nucleare (ogni carica elettrica in movimento lo produce). L’H viene usatoper creare le immagini di fMRI.

- Normalmente, gli assi dei vettori dei nuclei sono distribuiti a caso per cui il vettore somma ènullo (nessun effetto magnetico)Quando i nuclei di H sono sottoposti ad un campo magnetico statico esterno (magnete), gli assi deivettori si allineano lungo il campo stesso.

Quando i nuclei H magnetizzati (e dunque allineati) sono sottoposti a un campo magneticooscillante (cioè dalla bobina), gli assi dei vettori magnetici deviano dal campo statico di un angoloproporzionale a intensità e durata dell’impulso.

La fine del segnale riporta l’allineamento degli assi allo stato iniziale, il che produce 2 tipi di segnalirilevabili dalla bobina: T2 T1T2 (immagine funzionale) e T1 sono due immagini della risonanza

desossiemoglobina) - Ciò diminuisce il segnale di radiofrequenza atomi H venosi. In attività, aumenta il flusso di H eccede la capacità d'utilizzo del tessuto e, quindi, si crea un aumento di Hb (emoglobina ossigenata) (e diminuzione proporzionale di dHB). Ciò aumenta il segnale di radiofrequenza atomi H venosi. Compito sensoriale, motorio, cognitivo - Aumento dell'attività neurale - Aumento del flusso sanguigno e dell'ossigeno - Eccesso Hb - Diminuzione dHb - Diminuzione delle disomogeneità magnetiche - Aumento del segnale RF - Maggior brillantezza dell'area. LA RISOLUZIONE DEL SEGNALE La risoluzione spaziale (voxel) e temporale (velocità acquisizione volume) influenzano l'accuratezza (grado di concordanza spazio-temporale tra segnale BOLD e attività neurale) e sono tanto maggiori quanto più è minore il rapporto segnale-rumore. Sono inversamente correlate tra loro: maggiori.

Dettagli spaziali richiedono acquisizioni lente, quindi minore risoluzione temporale, mentre maggiori dettagli temporali richiedono acquisizioni veloci, quindi minore risoluzione spaziale.

Bisogna tenere a mente che, essendo una tecnica indiretta, c'è un ritardo rispetto a quando presento il stimolo e quando registro il segnale metabolico: i neuroni richiedono ossigeno, e l'ossigeno per arrivare ci mette un po'. È molto importante avere sia risoluzione spaziale che temporale, perché contribuiscono nella misurazione e nell'accuratezza della misura. Se ho poca risoluzione temporale, non so bene quando l'attivazione sia legata al task.

La risoluzione spaziale e temporale sono inversamente correlate tra loro: per avere dei dettagli spaziali devo fare delle acquisizioni lente e ci perdo in risoluzione temporale che necessita delle acquisizioni veloci, per catturare il momento preciso, per sapere quanto nel tempo l'area attivata sia collegata al task.

IL

DISEGNO SPERIMENTALE- Resting State Functional Connectivity Magnetic Resonance Imaging (rs-fcMRI) Misurazione della connettività funzionale in veglia rilassata (a riposo) per evidenziare ● attività intrinseca dei sistemi funzionali (es. visivo, attenzionale, sensomotorio, default mode network, etc). Assume che l'attività intrinseca dei neuroni sia sincrona tra regioni anatomo-funzionalmente correlate - Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) Stimoli per indurre 2 o più stati cognitivi mentre raccolgo volumi in modo continuo. a) Disegno a blocchi (blocco task con serie di stimoli uguali e blocco rest a riposo) buon segnale e potenza statistica. b) Event related (stimoli random) segnale più debole ma confronto trials. (es. confronto risposte corrette vs. sbagliate) Con qualunque disegno, uso sempre una logica sottrattiva. Consideriamo il fatto