MRI  per le Neuroscienze

Le malattie neurologiche, sebbene caratterizzate da differenti meccanismi fisiopatologici, condividono esigenze comuni come la necessità di appropriati strumenti quantitativi per caratterizzare non invasivamente i meccanismi alla base del danno tissutale, e strumenti diagnostici in grado di identificare tempestivamente la patologia.

Immagine originale di Angiolo Mosso, che a fine ‘800 osservò per la prima volta l’aumento di flusso sanguigno in aree cerebrali attivate studiando la superficie cerebrale di pazienti con fratture craniche. Angiolo Mosso realizzò anche il primo studio di “neuroimaging non invasivo” osservando con una bilancia la ridistribuzione del sangue durante l’attività cerebrale (https://doi.org/10.1093/brain/awt091).  La cosa oggi può far sorridere, ma è coerente con quello che sappiamo (aumento regionale del volume sanguigno fino al 50% nelle aree attivate), e comunque l’esperimento è stato riprodotto di recente (https://doi.org/10.1093/brain/awt352).

In questo ambito, il progetto MRI per le Neuroscienze si propone di sviluppare ed applicare tecnologie biomediche basate su imaging con risonanza magnetica (MRI) e le relative metodiche di analisi per lo studio del sistema nervoso centrale, con il fine di contribuire alla comprensione della funzione fisiologica del cervello umano ed allo sviluppo di strumenti diagnostici avanzati e ottimizzati a livello di singolo paziente.

Il progetto ha una forte connotazione interdisciplinare e coinvolge nelle sue attività ricercatori di diversa formazione (fisici, medici, ingegneri), coinvolti nella caratterizzazione di alcuni aspetti della funzione cerebrale mediante approcci sperimentali quantitativi combinati con modelli biofisici.

Mappa in tempo reale della risposta cerebrale ad una stimolazione luminosa impulsiva al tempo 0. Dati ottenuti dal nostro gruppo.

Le neuroscienze e la ricerca clinica sulle malattie neurologiche e psichiatriche sono solo due dei campi di ricerca in cui la MRI è uno strumento elettivo. Le caratteristiche principali della risonanza magnetica alla base di questo successo includono il fatto che non è invasiva e può produrre un contrasto estremamente versatile sui tessuti molli, anche senza agenti di contrasto esterni. Quest’ultima caratteristica è dovuta alla possibilità di manipolazione del segnale NMR che può essere sensibilizzato a diversi fenomeni biofisici e biologici. In particolare, la risonanza magnetica può essere sensibilizzata all’ossigenazione e al flusso sanguigno, permettendo così lo studio non invasivo della funzione cerebrale (risonanza magnetica funzionale, fMRI).

Simulazione della diffusione dell’acqua durante la scansione fMRI attorno ad un vaso (al centro della figura). La diffusione dell’acqua attorno ai vasi ha un ruolo fondamentale in fMRI, perché i protoni delle molecole d’acqua conservano “memoria” delle perturbazioni al campo magnetico causate dal sangue con diversi gradi di ossigenazione.

Il progetto promuove lo sviluppo tecnologico MRI, come l’ottimizzazione dei processi di acquisizione, e lo sviluppo di nuove metodiche di analisi multimodale. Le tematiche su cui ci focalizziamo sono molteplici. Un punto di particolare importanza è la piena comprensione del contrasto cosiddetto BOLD, che è alla base delle tecniche fMRI. Stiamo studiando i meccanismi biofisici di generazione del contrasto BOLD, ed in particolare le dinamiche di accoppiamento tra attività funzionale e attività metabolica, che ne sono il substrato fisiologico. In effetti, il cervello umano consuma il 20% del budget energetico totale, ma pesa solo il 2% circa del corpo. Stiamo anche studiando come l’imaging fMRI possa essere usato per caratterizzare la dinamica dei network cerebrali, ossia le modulazioni indotte dall’ambiente esterno sull’accoppiamento funzionale tra diverse aree cerebrali che cooperano per l’integrazione cognitiva degli input sensoriali. Questo obiettivo riveste un carattere strategico, perché l’integrazione a livello di network della funzione cerebrale ha importanti ricadute sulla comprensione della mente umane e di molte patologie, fra cui quelle neurodegenerative. Ci occupiamo infine di sviluppare le tecniche MRI, per esempio per rendere l’imaging fMRI più adatto a studiare la funzione del midollo spinale nella sclerosi multipla, oppure per caratterizzare meglio i meccanismi di demielinazione a livello cerebrale.

Mappe di connettività (A) e correlazione (B) tra i diversi network correlati al diametro pupillare. La dinamica di questi network consente di avere informazioni sull’integrazione dell’informazione nel cervello umano (https://www.doi.org/10.3389/fnins.2019.00965).

Pubblicazioni: http://www.marbilab.eu/it/publications-menu-it

Informazioni sul progetto europeo H2020 691110 MICROBRADAM : http://microbradam.marbilab.eu/

International School on Magnetic Resonanace and Brain Function: http://ismrbf.marbilab.eu/

Ulteriori informazioni sulla ricerca e sul gruppo: http://www.marbilab.it