Contenuti e metodi

Sviluppo di tecnologie MRI per misure quantitative di consumo di ossigeno e reattività vascolare; applicazioni allo studio dell’energetica cerebrale 

Il metabolismo energetico è al contempo un prerequisito ed un vincolo per l’evoluzione ed il mantenimento della funzione cerebrale. Malfunzionamenti anche parziali della catena di rifornimento di energia determinano immediate alterazioni della funzione cerebrale, e se protratti anche per pochi minuti determinano danni permanenti o la morte.

Stiamo implementando il modello di Davis per la calibrazione del BOLD. Il segnale BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) è prodotto da variazioni di concentrazione di deossiemoglobina che possono avere origine vascolare o neuronale. La componente neuronale riflette il rateo di consumo di ossigeno (CMRO2 ) e, pur non potendo essere misurata direttamente con tecniche fMRI non invasive, può essere isolata calibrando il segnale BOLD. Il segnale BOLD può essere descritto in termini di CBF (Cerebral Blood Flow), CBV (Cerebral Blood Volume) e CMRO2 , introducendo un fattore di calibrazione M. Dato che il CBV può essere approssimativamente ricavato dal CBF, e CBF e BOLD possono essere misurati direttamente, il fattore di calibrazione M può essere derivato eseguendo due misure, di cui una introducendo una manipolazione che varia la relazione tra CBF e BOLD. Svilupperemo pertanto una tecnica basata sulla somministrazione di piccole dosi di CO2 (5% in aria), di cui sfrutteremo le proprietà vasodilatatorie. Oltre che per derivare misure di CMRO2 , useremo la somministrazione di CO2 anche per quantificare la CerebroVAscular Reactivity (CVR), un indice di vascular compliance (capacità dei vasi venosi di dilatarsi in modo reversibile). La CVR sarà semplicemente determinata come variazione relativa del segnale BOLD e CBF durante la somministrazione di CO2 .

Le misure di CMRO2 saranno associate a misure di spettroscopia per caratterizzare l’energetica della percezione. Abbiamo recentemente mostrato che la percezione visiva induce un disaccoppiamento tra risposta funzionale e risposta metabolica; ci proponiamo di verificare se tale disaccoppiamento sia associabile ad una diversa regolazione del metabolismo aerobico (CMRO2 ), il che avrebbe importanti conseguenze sull’interpretazione dei dati funzionali e sulla comprensione di patologie o condizioni che impattano sulla percezione (per esempio, stati allucinatori).

Questa sezione è parzialmente finanziata dalla Regione Lazio (progetti NBP e FISASMEM) 

Sviluppo dell’imaging eteronucleare con 23Na per l’investigazione di alterazioni funzionali precoci nella malattia di Alzheimer (AD) 

L’AD è il tipo più diffuso di demenza (80% del totale). Si verifica comunemente nella popolazione anziana causando un progressivo declino dei domini cognitivi, tra cui l’attenzione, l’apprendimento, la memoria e le capacità di pianificazione. L’AD ha costi umani e sociali elevati e crescenti. L’eziologia dell’AD rimane sconosciuta. La diagnosi di demenza viene effettuata principalmente su base clinica, in assenza di biomarcatori appropriati che possano fornire una diagnosi inequivocabile e caratterizzare in vivo gli eventi metabolici e microstrutturali associati allo sviluppo precoce della malattia.

Figura 1: Mappa del contenuto mielinico (ottenuta mediante tecnica T1/T2); si tratta di uno dei dati quantitativi MRI che saranno inseriti dello studio multiparametrico su AD

Svilupperemo e sfrutteremo nuove tecniche di risonanza magnetica basate sull’imaging 23Na in combinazione con la risonanza magnetica quantitativa per identificare potenziali biomarcatori della malattia ed esplorare i processi fisiopatologici alla base del danno tissutale microstrutturale e del deterioramento cognitivo. Il sodio ha un ruolo fondamentale in molte funzioni fisiologiche e biochimiche. In particolare, l’omeostasi del sodio è associata a neuroinfiammazione, con potenziale sensibilità ad alterazioni vascolari e metaboliche. Attualmente, non sono disponibili strumenti di imaging RM non invasivi per rilevare in modo affidabile la neuroinfiammazione. Pertanto, svilupperemo la risonanza magnetica eteronucleare come strumento per studiare la neuroinfiammazione associata all’AD e come componente di un protocollo MRI quantitativo multiparametrico per districare, in vivo e in modo non invasivo, le alterazioni neurofisiologiche alla base della neuroinfiammazione. 

Figura 2: Prima immagine quantitativa di 23Na ottenuta come dato preliminare e relativa curva di calibrazione (ottenuta col metodo dei fantocci nel FOV, tre dei quali sono visibili attorno al cranio del volontario) 

Caratterizzazione della dinamica delle reti cerebrali e identificazione delle componenti di origine non neuronale.

Lo studio della connettività cerebrale, basata sulla caratterizzazione spazio-temporale della sincronia delle fluttuazioni del segnale BOLD, sta continuamente espandendo i propri campi di applicazione, per esempio verso l’identificazione precoce di patologie neurologiche o psichiatriche. L’analisi connettomica si basa sulla caratterizzazione di differenze rispetto ad un riferimento, si tratti di cambiamenti indotti da una patologia, o semplicemente del confronto statistico con una condizione cognitivamente differente. Si tratta di una procedura complessa e soggetta a falsi positivi. Occorre ricordare infatti che le tecniche di analisi connettomica, essendo basate sull’apprezzamento della struttura di covarianza dei dati, sono assi sensibili a segnali spuri coerenti, fra i quali il cosiddetto “rumore fisiologico” (ossia le variazioni indotte da ritmi fisiologici come la respirazione, il movimento o il battito cardiaco). Una questione della massima importanza a livello di conoscenza di base della funzione cerebrale e delle implicazioni per la comprensione delle principali patologie neurologiche e psichiatriche è la relazione tra modulazione plastica delle reti e comportamento. Il nostro gruppo è fra i primi ad aver affrontato il tema della modulazione dinamica delle reti cerebrali indotta dalla funzione cerebrale. Abbiamo in particolare confermato che la topologia dei network cerebrali a riposo è globalmente conservata durante l’esecuzione di una task cognitivo continuo. Continueremo ad applicare le tecniche da noi sviluppare per identificare i correlati comportamentali della dinamica delle reti, ed in particolare estenderemo i nostri studi (eseguiti usando la memoria di lavoro come modello) ad altri domini cognitivi (memoria autobiografica, sistema sensorimotorio).

Inoltre, associando anche le misure CVR parallelamente messe a punto (vedi sopra), proseguiremo nello sviluppo di tecniche di denoising miranti a separare il segnale non neuronale. Tale separazione è importante anzitutto per focalizzare gli studi di network sulla vera componente funzionale; tuttavia (come sottoprodotto) riteniamo che le fluttuazioni di origine vascolare possano fornire informazioni utili, in particolare sulla funzione del sistema simpatico. Nel triennio ci proponiamo anche di eseguire uno studio sulla variabilità del segnale vascolare associato all’aging, un importante confound negli studi sull’evoluzione delle reti cerebrali durante l’invecchiamento. 

Questa sezione è parzialmente finanziata dalla Regione Lazio (progetto FISASMEM) 

Investigazione del ruolo del glicogeno nel mantenimento dell’omeostasi energetica

Il nostro gruppo ha tradizionalmente associato lo studio sperimentale dell’energetica cerebrale con il suo inquadramento in modelli computazionali che, integrando misure di diversa origine, permettono una più rigorosa interpretazione dei risultati. 

In collaborazione con le Università di Yale e del Minnesota, abbiamo formalizzato dettagliatamente l’ipotesi che il glicogeno sia fondamentale per assicurare ai neuroni la disponibilità di glucosio. Il glucosio è un substrato necessario per alcuni processi critici, come la modulazione dei potenziali d’azione, il trasporto assonale, il riempimento delle vescicole sinaptiche per la neurotrasmissione. Il glicogeno è una riserva di glucosio presente solo negli estorciti. Nello specifico, abbiamo introdotto un’ipotesi (GSG, Glucose sparing by Glycogenolysis), secondo la quale la glicogenolisi astrocitaria svolge un ruolo cruciale per aumentare la disponibilità di glucosio per i neuroni. La nostra modellistica ha mostrato che il modello GSG è in grado di spiegare tutti i principali risultati sperimentali in materia, che in assenza di GSG risultano difficilmente riconciliabili. Il modello GSG ha il potenziale di fornire un meccanismo di accoppiamento tra l’attività elettrica dei neuroni e il supporto metabolico degli astrociti. I processi associati sono importanti per la formazione ed il consolidamento della memoria e vengono alterati durante invecchiamento. Prevediamo di estendere la modellistica del GSG per incorporare i meccanismi omeostatici di pO2 , pCO2 , pH, con evidenti sinergie con misure CVR e metabolismo nelle demenze di origine vascolare.

Figura 3: Accordo tra misure sperimentali e previsioni dal modello GSG su pH, pCO2 e CMRO2