RICERCA ITALIANA     

TEBAM: studio, sviluppo e validazione fisiologica-clinica di una metodica multimodale per una mappatura realistica 3D dell'attività elettrica cerebrale in soggetti normali e patologici

Università degli Studi di Trieste

Abstract

Con questo Progetto di Ricerca si intende procedere allo studio e allo sviluppo di uno strumento avanzato, TEBAM (True Electrical Brain Activity Mapping), basato sull'integrazione multimodale di metodiche di neuroimaging di Risonanza Magnetica(RM)con dati neurofisiologici, in particolare dati elettroencefalografici, per consentire la mappatura realistica 3D dell'attività elettrica cerebrale su una scala spazio-temporale estremamente fine. Questo strumento sarà utilizzabile sia in condizioni normali (su soggetti sani) che in condizioni critiche quali la presenza di patologie morfologiche a carico dell'encefalo (lesioni morfologiche espansive che alterano funzionalmente ed anatomicamente l'encefalo).
La ricerca verrà condotta da tre Unità di Ricerca caratterizzate da competenze scientifiche complementari in campo bioingegneristico e radiologico, la cui fusione è indispensabile per il raggiungimento dell'obiettivo della ricerca. Le tre Unità collaboreranno alla messa a punto di modelli tridimensionali anatomo-funzionali basati su nuove metodiche RM multimodali, in particolare DT-MRI e metodiche RM alternative a quelle attualmente in uso per l'Imaging Funzionale, integrabili con i dati tridimensionali neurofisiologici per realizzare lo strumento sopra citato. Questi modelli saranno in grado di incorporare al loro interno le caratteristiche individuali di conducibilità dei tessuti con la loro anisotropia elettrica e con le imprevedibili variazioni aggiuntive causate dalla presenza di un'eventuale patologia. Questo Progetto si pone infatti tra i suoi obiettivi quello di mettere a punto una metodica originale che permetta di ricavare i dati individuali di conducibilità dei tessuti a partire da misure di imaging di Risonanza Magnetica (DT-MRI), basandosi sulla deduzione quantitativa del tensore di conducibilità elettrica dal tensore di autodiffusione dell'acqua. L'innovazione rispetto allo stato dell'arte attuale consiste da un lato nell'introduzione della patologia nei sistemi di analisi e ricostruzione delle sorgenti di attività elettrica cerebrale e dall'altro nell'introduzione della metodica originale sopra citata, che permetta di utilizzare dati individuali di conducibilità valutati da misure di imaging anziché valori medi desunti dalla letteratura, come correntemente effettuato nella comunità scientifica ed implementato nelle realizzazioni commerciali per l'analisi delle sorgenti di attività cerebrale.
Lo strumento che si intende realizzare in questo Progetto prevede l'integrazione dei modelli così ottenuti con dati elettroencefalografici per ottenere la mappatura 3D delle sorgenti di attività elettrica cerebrale utilizzando un approccio capace anche di incorporare "constraints" anatomiche sulla locazione dei siti di attivazione. Si determineranno a tale scopo, attraverso la collaborazione di tutte le Unità di Ricerca, le condizioni più favorevoli per un'integrazione "costruttiva" delle potenzialità delle singole metodiche di imaging di Risonanza Magnetica, adattando l'apporto di ciascuna di esse alle diverse condizioni sperimentali ed alle specifiche caratteristiche dell'anatomia regionale del cervello. Si otterrà così uno strumento preciso, potente e flessibile per la mappatura realistica 3D delle sorgenti di attività cerebrale, basato su una struttura cross-platform eseguibile anche sui supercomputers del Consorzio Interuniversitario CINECA. L'uso di supercomputers multiprocessore si rende necessario a fronte del notevole carico computazionale che viene a crearsi nel caso di situazioni anatomo-fisiologiche complesse con richieste elevate in termini di risoluzione spazio-temporale. Questo strumento potrà essere utilizzato anche per fornire, tramite il Consorzio CINECA, servizi innovativi in ambito sanitario per la mappatura realistica 3D dell'attività cerebrale.
Si prevede di concludere il progetto con la preparazione e il deposito di un brevetto nazionale e internazionale, a cura dell'Unità di Ricerca di Bioingegneria. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Paolo INCHINGOLO Università degli Studi di TRIESTE

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo del presente Progetto di Ricerca è quello di sviluppare uno strumento avanzato, TEBAM (True Electrical Brain Activity Mapping), per un approccio di indagine con metodiche multimodali non invasive che integri dati neurofisiologici e di neuroimaging di diverso tipo, per consentire la mappatura realistica 3D dell'attività elettrica cerebrale su una scala spazio-temporale estremamente fine. Questo strumento sarà utilizzabile sia in condizioni normali (su soggetti sani) che in condizioni critiche quali la presenza di patologie morfologiche a carico dell'encefalo (lesioni morfologiche espansive che alterano funzionalmente ed anatomicamente l'encefalo). Tale strumento si fonderà su un modello tridimensionale anatomo-funzionale della testa basato sull'integrazione multimodale di metodiche di Risonanza Magnetica. Tale modello sarà in grado di incorporare al suo interno le caratteristiche individuali di conducibilità dei tessuti con la loro anisotropia elettrica e con le imprevedibili variazioni aggiuntive causate dalla presenza di un'eventuale patologia morfologica a carico dell'encefalo. Questa esigenza si fonda sul fatto che la conoscenza delle proprietà di conducibilità elettrica dei tessuti è essenziale per mettere in relazione i campi elettromagnetici generati da un tessuto, come la misura dei potenziali elettroencefalografici, con le sorgenti neuronali la cui attivazione genera i segnali elettroencefalografici misurati, in quanto l'accuratezza della mappatura della sorgente dipende sensibilmente dall'accuratezza nei valori di conducibilità assegnati ai tessuti nel modello conduttivo della testa. Il tentativo di caratterizzare le zone di attivazione cerebrale a partire da misure dei potenziali elettroencefalografici associati trarrebbe significativamente beneficio dall'abilità di misurare le proprietà di conducibilità elettrica del tessuto in maniera non invasiva, anziché basarsi su valori medi di conducibilità desunti dalla letteratura, prassi attualmente seguita nella comunità scientifica ed implementata nelle realizzazioni commerciali per l'analisi delle sorgenti di attività cerebrale. Per questo motivo, tra gli obiettivi di questo Progetto va annoverato lo sviluppo di una metodica originale che permetta di ricavare i dati individuali di conducibilità dei tessuti valutati a partire da misure di imaging di Risonanza Magnetica (DT-MRI), attraverso la deduzione quantitativa del tensore di conducibilità elettrica dei tessuti a partire dal tensore di autodiffusione dell'acqua. Va inoltre rilevato che nel contesto della patologia si manifestano delle alterazioni nelle proprietà elettriche dei tessuti "sani" dovute alla presenza di una lesione a carico dell'encefalo. Una lesione espansiva inoltre, occupando spazio, deforma e comprime le strutture molli dell'encefalo, alterando i valori di conducibilità anche dei tessuti sani circostanti e rendendo non omogenea la conducibilità all'interno di una certa struttura cerebrale. L'innovazione rispetto allo stato dell'arte attuale consiste da un lato nell'introduzione della patologia nei sistemi di analisi e ricostruzione delle sorgenti di attività elettrica cerebrale e dall'altro nell'introduzione della metodica originale sopra citata, che permetta di utilizzare dati individuali di conducibilità valutati da misure di imaging anziché valori medi disponibili in letteratura. Lo strumento di cui si ha come obiettivo la realizzazione in questo Progetto prevede di integrare il modello così ottenuto con dati tridimensionali neurofisiologici ed in particolare con dati elettroencefalografici per giungere in tal modo alla mappatura 3D delle sorgenti di attività cerebrale utilizzando un approccio capace anche di incorporare "constraints" anatomiche sulla locazione dei siti di attivazione. Si determineranno infine, attraverso la collaborazione di tutte le Unità di Ricerca, le condizioni più favorevoli per un'integrazione "costruttiva" delle potenzialità delle singole metodiche di imaging di Risonanza Magnetica, adattando l'apporto di ciascuna di esse alle diverse condizioni sperimentali ed alle specifiche caratteristiche dell'anatomia regionale del cervello. Si otterrà in tale modo uno strumento preciso, potente e flessibile per la mappatura realistica 3D delle sorgenti di attività cerebrale. Tale supporto risolverà i problemi bioelettrici con algoritmi alle differenze finite (FDM), consentendo una flessibilità nella definizione delle caratteristiche del modello superiore a qualunque altro approccio. A fronte di un carico computazionale notevole, risultano particolarmente qualificanti ed innovative la facilità con cui si possono implementare la modellizzazione delle strutture anisotrope, i gradienti di variazione di conducibilità all'interno delle medesime strutture ed aumentare, ovvero ridurre, la complessità e la risoluzione spaziale del modello conduttivo della testa impiegato dai solutori. Questo approccio consentirà inoltre di rendere virtualmente non necessaria la segmentazione delle bioimmagini nelle procedure di mappatura dell'attività cerebrale, con notevoli vantaggi in particolare nell'utilizzo di modelli della testa di elevata complessità. L'Unità di Bioingegneria di Trieste integrerà inoltre in questo strumento una serie di strumenti per la visualizzazione integrata di dati e strutture (molti dei quali già realizzati), atti a fornire un adeguato "feedback" informativo nell'analisi dei risultati della mappatura 3D dell'attività elettrica cerebrale, oltre ad un software specifico per la visualizzazione delle informazioni relative al tensore di diffusione e di conducibilità dei tessuti. Tali strumenti si baseranno su potenti e flessibili strumenti freeware ed open-source per lo sviluppo di pipeline grafiche, quali VTK (Visualization Toolkit) e OpenGL.
Lo strumento software che verrà realizzato per la mappatura 3D dell'attività elettrica cerebrale sarà basato su una struttura cross-platform eseguibile su PC mono o multi processore Windows e Linux nonché su supercomputers Unix-like del Consorzio Interuniversitario CINECA. L'uso di supercomputers multiprocessore si rende necessario a fronte del notevole carico computazionale che viene a crearsi nel caso di situazioni anatomo-fisiologiche di elevata complessità con richieste elevate in termini di risoluzione spazio-temporale. Questo strumento potrà in tal modo essere utilizzato anche per fornire, tramite il Consorzio Interuniversitario CINECA, servizi innovativi in ambito sanitario per la mappatura realistica 3D dell'attività cerebrale.
Le ricadute di questo studio sono previste sia nel campo delle conoscenze di base che in quelli delle applicazioni cliniche, in particolar modo per applicazioni neurochirurgiche o per quanto concerne la possibilità di pilotare arti prostetici da
parte di soggetti amputati o mielolesi.
Si prevede di concludere la ricerca con la preparazione e il deposito di un brevetto nazionale e internazionale, a cura dell'Unità di Ricerca di Bioingegneria. <<<

Risultati parziali attesi

Sulla base dei risultati ottenuti durante la prima Fase del Progetto dall'Unità U-RADIOL-PI relativi alle nuove soluzioni sperimentali riguardo le tecnologie del tensore di diffusione, l'Unità U-RADIO-FISIO-TS in collaborazione con l'Unità U-BIOING-TS svilupperà una metodica originale che renda possibile ricavare i dati individuali di conducibilità dei tessuti a partire da misure di imaging DT-MRI. Questa metodica innovativa permetterà di dedurre quantitativamente il tensore di conducibilità elettrica dei tessuti a partire dal tensore di autodiffusione dell'acqua, come ricavato dalle misure di imaging di Risonanza Magnetica DT-MRI. L'Unità U-BIOING-TS, dopo averne definite attraverso un'analisi per via simulativa le caratteristiche necessarie e gli eventuali limiti di validità, costruirà sulla base di questo risultato un fantoccio numerico 3D della testa (denominato "modello del volume conduttore della testa") che mimi la forma reale della testa e delle sue strutture, la reale conducibilità e l'eventuale anisotropia dei suoi tessuti, anche in presenza di patologie morfologiche a carico dell'encefalo.
La fusione dei risultati che saranno ottenuti durante la Fase 1 del Progetto dalle tre Unità di Ricerca permetterà di giungere ad un modello del volume conduttore della testa estremamente preciso e raffinato per la mappatura 3D delle sorgenti di attività cerebrale condotta a partire da misure elettroencefalografiche.Al termine della seconda Fase di attività si prevede la realizzazione di uno strumento avanzato per la mappatura realistica 3D dell'attività elettrica cerebrale denominato "TEBAM"-True Electrical Brain Activity Mapping, utilizzabile sia in condizioni normali che in condizioni critiche quali la presenza di patologie morfologiche (lesioni morfologiche espansive che alterano funzionalmente ed anatomicamente l'encefalo). Tale strumento si fonda su un modello tridimensionale anatomo-funzionale della testa basato sull'integrazione multimodale di metodiche di Risonanza Magnetica. Tale modello del volume conduttore della testa sarà in grado di incorporare le caratteristiche individuali di conducibilità dei tessuti con la loro anisotropia elettrica e con le variazioni aggiuntive causate dalla presenza della patologia morfologica. L'innovazione rispetto allo stato dell'arte attuale consiste da un lato nell'introduzione della patologia nei sistemi di analisi e ricostruzione delle sorgenti di attività elettrica cerebrale e dall'altro nell'introduzione di una metodica originale che permetta di utilizzare dati individuali di conducibilità valutati da misure di imaging anziché valori medi disponibili in letteratura. L'integrazione con dati tridimensionali neurofisiologici ed in particolare con dati elettroencefalografici, consente la mappatura delle sorgenti di attività cerebrale utilizzando un approccio capace anche di incorporare "constraints" anatomiche sulla locazione dei siti di attivazione. L'Unità U-BIOING-TS integrerà inoltre in questo strumento una serie di strumenti per la visualizzazione integrata di dati e strutture, atta a fornire un adeguato "feedback" informativo nell'analisi dei risultati. Tali strumenti si baseranno su potenti e flessibili strumenti freeware ed open-source per lo sviluppo di pipeline grafiche, quali VTK (Visualization Toolkit) e OpenGL. Verrà inoltre messo a punto un software specifico per la visualizzazione delle informazioni relative al tensore di diffusione.
Lo strumento software che verrà realizzato per la mappatura dell'attività cerebrale sarà basato su una struttura cross-platform eseguibile su PC mono o multi processore Windows e Linux nonché, a fronte di un carico computazionale notevole come si ha nel caso di situazioni anatomo-fisiologiche di elevata complessità con richieste elevate in termini di risoluzione spazio-temporale, su supercomputers Unix-like del Consorzio Interuniversitario CINECA. Questo strumento potrà essere utilizzato anche per fornire, tramite il Consorzio CINECA, servizi innovativi in ambito sanitario per la mappatura realistica 3D dell'attività cerebrale.
servizi innovativi in ambito sanitario per la mappatura realistica dell'attività cerebrale.
Si prevede di concludere la ricerca con la preparazione e il deposito di un brevetto nazionale e internazionale, a cura dell'Unità U-BIOING-TS. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Nell'ultimo decennio sono stati compiuti grandi passi avanti nello sviluppo di tecniche e metodi per riuscire a produrre immagini macroscopiche dell'attività cerebrale umana. La tecnologia ideale per lo studio della funzionalità cerebrale nell'uomo dovrebbe essere caratterizzata da un'alta risoluzione spazio-temporale per riuscire a rivelare e a localizzare anche le rapide variazioni dell'attività cerebrale (1). Lo stato dell'arte della tecnologia impone tuttavia i seguenti limiti: a) l'alta risoluzione temporale è una proprietà tipica solo di alcuni esami funzionali, quali l'elettroencefalografia (EEG) e la magnetoencefalografia (MEG); b) l'alta risoluzione spaziale è invece una proprietà degli esami strutturali: è elevata per le classiche tecniche di neuroimaging strutturale quali la Tomografia Computerizzata (CT) e la Risonanza Magnetica (MRI); c) le tecniche di neuroimaging funzionale che esplorano perfusione ematica e metabolismo cerebrale, come la Tomografia ad Emissione di Positroni (PET), la Tomografia Computerizzata ad Emissione di Singolo Fotone (SPECT) e la Risonanza Magnetica funzionale (fMRI), garantiscono solo una modesta risoluzione spaziale ed una ridotta risoluzione temporale (1). Solo combinando diverse metodiche strutturali (anatomiche) e funzionali per l'esplorazione dell'encefalo è quindi possibile ottenere al contempo un'alta risoluzione spaziale ed un'alta risoluzione temporale.
Va inoltre osservato che le tecniche di neuroimaging funzionale permettono di visualizzare indirettamente l'attività di gruppi di neuroni tramite le variazioni correlate di flusso di sangue nel cervello, di metabolismo e di ossigenazione; possono perciò essere utilizzate per localizzare le zone attive del cervello e sono dunque funzionali secondo un correlato attivazione-funzione. Sebbene la loro risoluzione spaziale sia superiore rispetto all'EEG (almeno nelle modalità standard), queste metodiche mal si prestano a seguire l'evoluzione di tale attività a causa di un pesante sottocampionamento temporale.
Lo studio delle funzioni cerebrali basato sugli esami funzionali, riconducibili alla misura delle alterazioni di campo elettrico e/o magnetico associate alla generazione di segnali elettrici da parte di gruppi di neuroni, legate cioè direttamente all'estrinsecazione della loro funzione, non è invece limitato dalla grande costante di tempo associata alle variazioni di flusso sanguigno (1). Questi esami forniscono importanti informazioni sul funzionamento del cervello, come le sequenze delle attività neurali, permettendo di studiare le origini di taluni disordini neurologici come l'epilessia ed i tumori al cervello o le locazioni delle attività focali (2-6). Sussiste dunque un'interessante complementarità tra le tecniche elettrofisiologiche usate negli esami funzionali, che consentono una misurazione diretta dell'attività neurale e sono caratterizzate da un'ottima risoluzione temporale, e le tecniche di neuroimaging, che sono invece caratterizzate da una buona risoluzione spaziale.
L'integrazione di esami strutturali (neuroimmagini) e funzionali (elettrofisiologici), specialmente se ottenuti con un elevato numero di elettrodi, permette di localizzare e ricostruire con elevata precisione spaziale i singoli processi funzionali cerebrali con una risoluzione temporale insuperata.
In questo progetto di ricerca si è scelto un approccio basato sull'integrazione anatomo-funzionale che prevede di co-elaborare le informazioni anatomiche (bioimmagini) ed i dati funzionali (misure EEG multicanale) registrati sullo scalpo per ricostruire e visualizzare con la migliore risoluzione spaziale e temporale l'attività del cervello "in vivo" all'interno della specifica struttura anatomica del paziente, e di approfondire quindi la conoscenza dei meccanismi che sottendono le funzioni cerebrali sia in condizioni fisiologiche che patologiche.
Questo procedimento di ricostruzione delle sorgenti di attività cerebrale prende il nome di "soluzione del problema bioelettrico inverso", così denominato in contrapposizione alla "soluzione del problema bioelettrico diretto" che riguarda invece la simulazione dei segnali EEG generati dalle sorgenti neuronali. La localizzazione e le caratteristiche della sorgente sono di grande interesse sia per applicazioni di ricerca di base che cliniche (2-8). In quest'ultimo caso un'accurata informazione sulla localizzazione delle sorgenti può aiutare la pianificazione pre-operatoria per la rimozione di lesioni al cervello, evitando di danneggiare la funzionalità di importanti regioni cerebrali (quelle contenenti le sorgenti) vicino alla lesione (9).
Il procedimento di ricostruzione delle sorgenti neuronali che generano i potenziali EEG registrati sullo scalpo richiede che vengano postulati un modello per la sorgente ed un modello per il volume conduttore della testa che consenta di approssimare al meglio le reali proprietà elettriche e geometriche della testa in esame.
L'accuratezza della ricostruzione della sorgente, quantificabile con parametri come gli errori di localizzazione e di stima della sua intensità, è affetta da varie fonti di errore: allo stato attuale molti studi sono stati condotti sugli effetti prodotti da varie cause quali errori commessi nella modellizzazione della testa, nella modellizzazione della sorgente, nel posizionamento degli elettrodi di misura, oltre alla presenza di rumore nell'EEG registrato (10-26).
Gli errori commessi nella modellizzazione del volume conduttore della testa sono causati dalle differenze tra la testa reale ed il suo modello. Quest'ultimo è formato da comparti, corrispondenti alle varie strutture anatomiche, che differiscono per il valore di conducibilità elettrica del tessuto che rappresentano. L'approssimazione del modello rispetto alla testa reale dipende dal numero di comparti di cui si considera costituito il modello, dalla morfologia e dai valori di conducibilità che vengono loro assegnati. Da tali fattori dipende pertanto l'accuratezza nella ricostruzione della sorgente. Gli studi effettuati sinora nella comunità scientifica hanno riguardato il problema della forma geometrica e della conducibilità dei modelli realistici della testa, limitando però lo studio a modelli della testa in condizioni normali, in cui cioè la caratterizzazione volumetrica ed elettrica dei comparti è altamente predicibile (27-31). Nel contesto della patologia va osservato che le lesioni al cervello hanno una conducibilità elettrica molto diversa da quella dei tessuti del cervello sano, costituendo pertanto un possibile comparto del modello della testa (32-33). Le ricerche sinora condotte dall'unita' di Trieste hanno consentito di evidenziare le caratteristiche di un modello del volume conduttore della testa con riferimento alla caratterizzazione elettrica e geometrica di eventuali lesioni morfologiche a carico dell'encefalo. I risultati ottenuti considerando sia dati (segnali EEG multicanale) "ideali" che dati affetti da rumore indicano chiaramente che in presenza di malformazioni patologiche risulta necessario ricorrere a modelli di elevata complessità, contrariamente alla prassi in voga nella comunità scientifica ed implementata nelle realizzazioni commerciali che riducono il modello conduttivo della testa ad uno schema a tre soli comparti (scalpo-osso-cervello) (34-43).
Data l'evidente maggiore difficoltà presentata dalla situazione patologica, solo pochi gruppi di ricerca hanno affrontato i problemi specifici connessi alla mappatura funzionale in presenza di patologia, preferendo tematiche più generali quale l'efficienza algoritmica.
In particolare va sottolineata l'assenza o quasi di letteratura in merito alla modellizzazione di strutture anisotropiche, si pensi alla struttura anatomica muscolare (fibre), a quella della materia bianca cerebrale (44) e a quella dell'osso (45-46), ed in merito alla modellizzazione di strutture non omogenee, si pensi a lesioni infiltranti e alla compressione che i tumori calcificati esercitano sui tessuti molli e sani ad essi vicini. Il tentativo di caratterizzare le zone di attivazione cerebrale a partire da misure dei potenziali elettroencefalografici associati trarrebbe significativamente beneficio dall'abilità di misurare le proprietà di conducibilità elettrica del tessuto in maniera non invasiva, anziché basarsi su valori medi di conducibilità desunti dalla letteratura, prassi attualmente seguita nella comunità scientifica ed implementata nelle realizzazioni commerciali per l'analisi delle sorgenti di attività cerebrale.
A questo proposito va osservato come il panorama delle metodiche di studio del cervello con Risonanza Magnetica (RM) si è arricchito nell'ultimo decennio di potenti strumenti di analisi della struttura e delle funzioni cerebrali. Tra i metodi di analisi strutturale recentemente perfezionati, appare particolarmente interessante lo studio della diffusione delle molecole d'acqua all'interno dei tessuti cerebrali.
La diffusione dell'acqua nel cervello è influenzata da una serie di fattori di tipo sia strutturale che funzionale ed il suo studio può produrre informazioni analitiche sulla struttura fine del tessuto cerebrale e sulle dinamiche funzionali neuronali.
Le informazioni strutturali innovative ottenibili mediante lo studio della diffusione, riguardano la possibilità di valutare analiticamente la direzionalità di diffusione mediante il "tensore di diffusione" (47). Dato che la diffusione dell'acqua tende ad essere omnidirezionale ed isotropa nei tessuti interstiziali cerebrali, e tende invece a seguire il maggior asse dei prolungamenti neuronali, il principale determinante della direzionalità di diffusione è costituito dalla presenza di assoni all'interno di fasci di fibre nervose. E' facile comprendere quindi come lo studio accurato del tensore di diffusione mediante algoritmi di "fiber tracking" dia poi la possibilità di ricostruire il percorso delle fibre nervose all'interno della sostanza bianca cerebrale (44). Come tutte le metodiche RM, anche lo studio del tensore di diffusione ed il fiber tracking possono essere realizzati nell'intero volume del cervello, producendo informazioni tridimensionali che possono essere congiunte con dati volumetrici dell'anatomia cerebrale RM ad alta risoluzione. In questo progetto si intende tra l'altro sviluppare una metodica originale che permetta di ricavare dati individuali di conducibilità valutati da misure di imaging con Risonanza Magnetica deducendo quantitativamente il tensore di conducibilità elettrica dei tessuti a partire dal tensore di autodiffusione dell'acqua.
In questo modo sarà possibile produrre modelli cerebrali tridimensionali che contengano contemporaneamente informazioni analitiche sulla superficie corticale cerebrale e sui fasci di fibre associative e proiettive nel contesto della sostanza bianca. Questo apre alla RM funzionale una nuova prospettiva "connettivistica", nella quale il "tensore di diffusione" rende possibile associare alle valutazioni funzionali anche uno studio delle connessioni tra le singole regioni funzionalmente attive.
Per quanto riguarda le informazioni funzionali, lo studio della diffusione analizza l'omeostasi idroelettrolitica tissutale cerebrale ed è utilizzato in diagnostica neuroradiologica, particolarmente per la valutazione delle patologie vascolari ischemiche in fase acuta (48). Ma indicazioni recenti (49) suggeriscono che la sensibilità del metodo sia sufficiente ad evidenziare anche le variazioni del microambiente idroelettrolitico neuronale ed interstiziale che si verificano in relazione con l'attività funzionale neuronale. L'interesse suscitato dall'applicazione funzionale della diffusione deriva dalla possibilità di rendere visibili alla RM nuove classi di fenomeni funzionali, potenziando notevolmente la risoluzione spaziale e temporale della metodica, e migliorandone la precisione grazie alla natura strettamente monoparametrica dei fenomeni di diffusione.
Lo studio delle variazioni funzionali della diffusione si configura pertanto come un possibile candidato ad affiancare la strategia di gran lunga più diffusa per l'acquisizione delle informazioni funzionali, basata sul contrasto BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) (50), in cui le variazioni del segnale in immagini pesate in T2* sono legate alle variazioni locali del contenuto di deossiemoglobina.
Il segnale BOLD dipende contemporaneamente da molti parametri loco-regionali, come il flusso ematico, il volume ematico ed il consumo di ossigeno. Per questi motivi il contrasto BOLD, sebbene sia estremamente utile nell'identificare le regioni cerebrali sede di attivazione funzionale, presenta importanti limitazioni intrinseche alla comprensione ed alla completa caratterizzazione quantitativa del segnale ottenuto. Al contrario, è possibile ricavare informazioni "monoparametriche", e quindi caratterizzabili analiticamente, adoperando tecniche avanzate di Risonanza Magnetica (RM) che consentono lo studio selettivo delle variazioni funzionali di flusso e volume ematico regionale cerebrale e prendono il nome di "perfusion MRI". Queste metodiche offrono anche vantaggi in termini di precisione della localizzazione, in quanto non soffrono degli errori indotti dall'artefatto venoso. L'utilizzazione di metodiche funzionali basate sulla perfusione e diffusione piuttosto che sui fenomeni BOLD richiede però anche una riformulazione delle strategie di elaborazione dei dati e di analisi statistica delle serie temporali funzionali.
Le informazioni funzionali basate sulla diffusione, così come tutte le metodiche funzionali RM, possono produrre modelli tridimensionali dell'attività cerebrale integrabili con modelli anatomici RM e con altre metodiche neurofisiologiche come l'elettroencefalografia (EEG). L'integrazione con l'elettroencefalografia è estremamente auspicabile in quanto consente di facilitare notevolmente la risoluzione del "problema inverso" attraverso "costraints" spaziali alla localizzazione delle sorgenti di attività neuronale.
L'associazione prospettabile delle metodiche RM con la neurofisiologia è molteplice e si avvale della creazione di modelli multimodali del cervello: è possibile creare modelli tridimensionali anatomici della superficie corticale, è possibile arricchirli associando modelli tridimensionali delle connessioni bianche e dei fasci di fibre associativi e proiettivi mediante la "trattografia", ed è anche possibile abbinare informazioni funzionali contenute in modelli tridimensionali di attività cerebrale. <<<