Neuroscienze - Metodi di indagine funzionali, strutturali, elettroencefalografia e stimolazione transcranica magnetica

BOLD

Tecnica

Il soggetto è sdraiato con la testa nel magnete e svolge un compito.

1. FASE Viene acquisita una serie di immagini strutturali del cervello ad alta

ANATOMICA risoluzione (volumetria) 1 x 1 x 5 mm di voxel (unità di volume)

2. FASE Vengono acquisite immagini a minore risoluzione: 3.4x3.4x5mm

FUNZIONALE in base ad un cervello di riferimento per eliminare le diversità

individuali.

3. NORMALIZ-

ZAZIONE Poi può essere utile riportare delle localizzazioni attraverso 3 valori

di x, y, z (coordinate stereotassiche) che indicano la distanza dalla

commessura anteriore.

Metodo sottrattivo Si sovrappongono l’immagine anatomica e

à

4. ANALISI quella funzionale, acquisite in due diverse condizioni. Dalla

STATISTICA sottrazione si evidenzia quale regione si è attivata nel fare il

compito di interesse.

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi:

1. non invasivo, senza radiazioni ionizzanti

2. risoluzione spaziale 3-6 mm (molto buona)

Svantaggi:

1. risponde in tempi nell’ordine di secondi perché il flusso ha bisogno di

tempo

2. misura indirettamente l’attività neurale e quindi è suscettibile a movimenti

del capo o battiti cardiaci

3. misura le variazioni locali nel cervello mentre molte volte l’attività del

circuito è più vasto.

4. alto costo

T OMOGRAFIA AD EMISSIONE DI POSITRONI

(PET)

E’ “ ”

UNA TECNICA DI MEDICINA NUCLEARE CHE PERMETTE DI FOTOGRAFARE IL

,

METABOLISMO DELLE AREE CEREBRALI MONITORANDO LE PIÙ ATTIVE DURANTE LO

. ( ).

SVOLGIMENTO DI UN DETERMINATO COMPITO MOLTO USATO IN CLINICA

Tecnica

Si somministra (iniezione) un radio farmaco formato da un isotopo tracciante con

emivita breve, legato ad una molecola che spesso è uno zucchero (vettore).

Dopo poco tempo il vettore raggiunge nei tessuti l’adeguata concentrazione e quindi il

soggetto viene posizionato nello scanner.

L’isotopo decade e libera un positrone e in pochissimo tempo questo positrone si

annichila con un elettrone producendo una coppia di fotoni diametralmente opposti.

γ

I fotoni raggiungono un scintillatore (nel dispositivo) e a questo punto vengono

rilevati perché creano un campo luminoso. Lo scanner rileva solo i fotoni che sono in

coppia.

Si può rilevare il punto anatomico in cui sono stati emessi i fotoni e questo permette di

investigare l’attività di questa regione.

Lo scanner quindi mappa la densità dell’isotopo sotto forma di immagini di sezioni di

solito orizzontali separate tra loro da circa 5 min.

Gli isotopi sono di solito Fluorina 18 con il tracciante FDG, e l’ossigeno 15.

Per via del loro basso tempo di dimezzamento devono essere prodotti da un

CICLOTRONE (acceleratore di particelle) in prossimità dello scanner.

Vantaggi e svantaggi

I vantaggi sono:

1. Buona risoluzione spaziale anche se < fRMI

2. Studiare diversi processi biochimici cerebrali usando diversi composti

radioattivi.

Gli svantaggi sono:

1. invasiva

2. povera risoluzione temporale

3. è difficile sottoporre il soggetto a molte condizioni sperimentali

4. alto costo Elettrofisiologia

E (EEG)

LETTROENCEFALOGRAFIA

La tecnica è stata inventata da Hans Berger nel 1929 quando scoprì che venivano

rilevate delle differenze di potenziale tra aghi infissi nello scalpo oppure tra 2 piccoli

dischi di metallo (elettrodi) quando essi vengono posti sulla cute sgrassata del cuoio

capelluto.

L’EEG consiste nel posizionamento di max 256 elettrodi che rilevano i potenziali

piramidali di neuroni che risiedono nella stessa colonna corticale.

à

Applicazione degli elettrodi Sistema internazionale 10-20

Il 10% e 20% si riferiscono al 100% della distanza i punti craniometrici:

- INION (sull’osso occipitale)

- NASION (attaccatura superiore del naso)

La distanza va dai 30 ai 36 cm per differenti individui.

Vengono collocati da 10 a 20 elettrodi lungo cinque linee:

1. P1 longitudinale esterna

à

2. P2 longitudinale interna di dx

à

3. Centrale

4. P1 longitudinale esterna

à

5. P2 longitudinale interna di sx

à

El. frontopolari sono collegati al 10% della distanza I-N, sopra le

• sopracciglia.

Frontale sono sulla stessa linea dei precedenti ma pià sopra del 20 %.

• Centrali (+ 20%)

• Parietali (+ 20%)

• Occipitali (+20%)

•

Tutti gli elettrodi sono collegati ad uno di riferimento che è di solito sopra

l’orecchio, infatti ciascun elettrodo registra la differenza di potenziale tra il

tessuto sottostante e l’elettrodo di riferimento (solitamente va da -100 a +100

μV)

Genesi del segnale

Misura il flusso di corrente extracellulare generato dalla -

SOMMA SPAZIO TEMPORALE

- ( ).

DI POTENZIALI POST SINAPTICI ECCITATORI E INIBITORI

La genesi di questo flusso è soprattutto nel III e V strato corticale (c. piramidali).

Infatti il loro dendriti sono in posizione radiale (perpendicolare) alla sup. della

corteccia.

La depolarizzazione del dendrita fa si che il liquido extracellulare rimanga

leggermente negativo. Se ciò avviene con molti neuroni contemporaneamente, l’EEG

riesce a rilevare una significativa negatività del liquido extracellulare.

Perciò i neuroni piramidali si comportano come un dipolo dove i poli neg. e pos.

à sono rappresentati dal diverso grado di polarizzazione della membrana dei

dendriti e del soma.

1. Attività spontanea (ritmi)

L’analisi dell’EEG permette di riconoscere i ritmi cerebrali (alfa, beta, theta e delta) e

diversi pattern tipici.

attività cerebrale che consiste in onde di certe frequenze ed ampiezza

à

Ritmo (voltaggio)

Analisi quantitativa dell’EEG:

1. si registrano le onde

2. si divide il tracciato in finestre temporali di durata fissa

3. si fa un’analisi di Fourier e quindi si calcola quanto sono presenti certe frequenze

del segnale

4. dalla Trasformata di Fourier si stima lo Spettro di Potenza (misura della potenza

media per una banda di frequenza, ad es. onde beta)

5. La potenza media si può visualizzare anche come mappa spaziale dove i diversi

colori nelle diverse aree cerebrali indicano diverse onde.

2. Potenziali evocati

Sono esami che studiano le risposte del SNC ad un certo stimolo:

- potenziali evocati somatosensoriali

- potenziali evocati visivi

- potenziali evocati acustici

- motori

- cognitivi

Il singolo PE indotto dallo stimolo è un segnale molto piccolo mascherato dall’attività

globale del cervello e deve essere estratto tramite l’AVERAGING dal rumore di

fondo. Averaging: registrazioni multiple dell’attività EEG dopo la presentazione di

uno stimolo (anche centinaia) media aritmetica delle misurazioni la

à à

somma di tutte le onde registrate nel cervello fa sì che l’attività casuale, di

disturbo, venga cancellata, lasciando un’ONDA ERP (Event Related

che time-locked allo stimolo.

Potential)

Gli ERP riflettono processi Sono definiti da:

evocati: invocati: polarità positiva o negativa

•

sensoriale cognitivi (più latenza (misurata dalla comparsa

• • •

(l’onda è precoce, tardivi, per es. a dello stimolo)

per es. a 50 ms) 200/300 ms) ampiezza in Volt

•

legati alla

•

preparazione e

esecuzione motoria

Vantaggi e svantaggi ERP

I vantaggi:

1. ottima risoluzione temporale (1msec)

2. poco costoso e semplice

3. poco invasivo

I svantaggi:

1. risoluzione spaziale molto povera una deflessione registrata da un

à

elettrodo parietale sx non necessariamento è riconducibile all’attività di

neuroni parietali sx)

2. necessità di molte prove

3. numerosi artefatti soprattutto dovuti all’ammiccamento e alla tensione

della mandibola

M (MEG)

AGNETOENCEFALOGRAFIA

Detta tecnica del freddo - richiede basse temperature (casco raffreddato con elio

liquido) - E’ molto sviluppata in Scandinavia.

Potenziali neuronali generati simultaneamente inducono deboli campi magnetici

perpendicolari a quelli elettrici Si presentano 2 problemi per misurarlo:

à

1. debolezza segnale

2. forza del rumore ambientale

Perciò sono stati sviluppati apparecchi molto sensibili:

Superconducting

Quantum

Interference

Devices

E’ un magnetometro formato da superconduttori che per funzionare

devono essere raffreddati a temperatura inferiore a quella critica del

materiale:

- sotto 90 K x N liquido

- sotto 9 K x He liquido

Lo SQUID trasforma il campo magnetico in un segnale elettrico.

Ø Analizzando la distribuzione dei campi magnetici è possibile la localizzazione

Ø della sorgente e sovrapporla ad una MRI.

Vantaggi e svantaggi

I vantaggi sono:

1. Permette una stima della sorgente e dell’intensità dell’attività

2. ottima risoluzione temporale (<1 msec) e buona spaziale (2-3 mm)

3. non invasivo

4. non necessario metodo sottrattivo

I svantaggi sono:

1. Problema inverso conosco campo magnetico (intensità orientamento) e

à

posso calcolare matematicamente dov’è la sorgente ma non ho certezza

2. alto costo

3. movimenti oculari, battito cardiaco etc. possono influenzare il segnale

4. superficiale non profondo

Imaging strutturale

R ADIOGRAFIA CONVENZIONALE

Nasce nel 1895 con la scoperta dei raggi X RONTGEN scoprì che questi raggi prima

di allora sconosciuti (per questo X) erano radiazioni elettromagnetiche con lunghezza

d’onda tra 10 nm e 1/1000 di nanometro.

Il paziente viene posizionato su un apposito tavolo radiologico e viene emesso un

fascio di raggi X che penetrando il corpo viene assorbito in modo diverso dai diversi

tessuti (radio-opachi come le ossa, radio-trasparenti come il liquor).

Dei dispositivi acquisiscono le immagini che sono “in negativo” e bidimensionali.

Molto utile:

per il cranio

Ø per strutture cerebrali come la ghiandola pineale che assorbono calcio e sono

Ø ben visibili

Ma: non distingue la sostanza bianca da quella grigia

Ø trasforma in 2D un ogg che è 3D

Ø

T (TC)

OMOGRAFIA COMPUTERIZZATA

Durante una scansione, un generatore di raggi X viene ruotato intorno al capo del pz

mentre dei rilevatori misurano l’intensità dei raggi trasmessi attraverso il capo da

ciascuna angolazione -- algoritmi computerizzati combinano i dati di opacità

derivanti da queste angolazioni di visualizzazione.

In questo modo