Il neuroimaging, o imaging cerebrale, oppure neuroimmagine, è l'uso di varie tecniche per la mappatura diretta o indiretta della struttura, della funzione o della farmacologia del sistema nervoso.
I medici specializzati nelle prestazioni e nell'interpretazione del neuroimaging in ambito clinico sono i neuroradiologi per le tecniche di imaging di competenza della radiologia diagnostica; le tecniche SPECT e PET sono invece competenza del medico nucleare.
Il Neuroimaging rientra in due grandi categorie:
Neuroimaging strutturale, che si occupa della struttura del sistema nervoso e della diagnosi di malattie intracraniche gravi (su larga scala), come un tumore o una lesione. Neuroimaging funzionale, che viene utilizzato per diagnosticare malattie e lesioni metaboliche su scala più fine (come la malattia di Alzheimer) e anche per la ricerca psicologica, neurologica e cognitiva e la costruzione di interfacce cervello-computer.
Il neuroimaging funzionale consente, ad esempio, la visualizzazione diretta dell'elaborazione delle informazioni da parte dei centri del cervello. Tale elaborazione fa sì che l'area interessata del cervello aumenti il metabolismo e "si illumini" durante la scansione.
Il neuroimaging ha permesso grandi progressi nella diagnostica medica e nella ricerca scientifica, ma alcuni suoi utilizzi non sono esenti da critiche: uno dei suoi usi più controversi è stato ad esempio la ricerca dell'"identificazione del pensiero", o "lettura della mente".
Storia Il primo capitolo della storia del neuroimaging risale al neuroscienziato italiano Angelo Mosso, che inventò la "bilancia della circolazione umana", che poteva misurare in modo non invasivo la ridistribuzione del sangue durante l'attività emotiva e intellettuale. Tuttavia, sebbene brevemente menzionati da William James nel 1890, i dettagli e i meccanismi precisi di questa bilancia e gli esperimenti eseguiti da Mosso sono rimasti in gran parte sconosciuti, fino alla recente scoperta dello strumento originale, nonché dei rapporti di Mosso da parte di Stefano Sandrone e colleghi.
Nel 1918 il neurochirurgo americano Walter Dandy introdusse la tecnica della ventricolografia. Le immagini radiografiche del sistema ventricolare all'interno del cervello erano ottenute mediante iniezione di aria filtrata direttamente in uno o entrambi i ventricoli laterali del cervello, tramite un foro praticato nel cranio. Dandy osservò anche che l'aria introdotta nello spazio subaracnoideo attraverso la puntura spinale lombare potesse entrare nei ventricoli cerebrali e mostrare anche i compartimenti del liquido cerebrospinale attorno alla base del cervello e sulla sua superficie. Questo fu alla base della creazione di una tecnica più evoluta, la pneumoencefalografia, che permetteva quindi di evitare di forare il cranio per iniettare l'aria nel cervello.
Nel 1927 Egas Moniz introdusse l'angiografia cerebrale, per cui i vasi sanguigni normali e anormali all'interno e intorno al cervello potevano essere visualizzati con grande precisione.
All'inizio degli anni '70, Allan McLeod Cormack e Godfrey Newbold Hounsfield introdussero la tomografia assiale computerizzata (TAC) e immagini anatomiche del cervello sempre più dettagliate divennero disponibili per scopi diagnostici e di ricerca. Cormack e Hounsfield vinsero il premio Nobel per la medicina nel 1979 per il loro lavoro. Poco dopo l'introduzione della TAC nei primi anni '80, lo sviluppo di radioligandi ha permesso la tomografia a emissione di fotone singolo (SPECT) e la tomografia ad emissione di positroni (PET).
Più o meno contemporaneamente, l'imaging a risonanza magnetica (MRI) è stato sviluppato da ricercatori tra cui Peter Mansfield e Paul Lauterbur, che nel 2003 ricevettero il premio Nobel per la medicina. All'inizio degli anni '80 la risonanza magnetica è stata introdotta clinicamente e durante gli anni '80 si verificò una vera esplosione di perfezionamenti tecnici e applicazioni diagnostiche della RM. Gli scienziati hanno presto scoperto che i grandi cambiamenti del flusso sanguigno misurati dalla PET potevano anche essere ripresi dal tipo corretto di risonanza magnetica. La risonanza magnetica funzionale (fMRI) dagli anni '90 ha dominato il campo della mappatura cerebrale grazie alla ridotta invasività e disponibilità relativamente ampia.
All'inizio degli anni 2000, il campo del neuroimaging ha raggiunto lo stadio in cui sono diventate possibili alcune applicazioni pratiche dell'imaging cerebrale funzionale. L'area di applicazione principale è rappresentata da alcune forme di interfaccia neurale.
Tecniche di neuroimaging Tomografia assiale computerizzata La tomografia computerizzata (TC) o tomografia assiale computerizzata (TAC) utilizza una serie di raggi X al cranio prelevati da molte direzioni diverse. Tipicamente utilizzata per visualizzare rapidamente lesioni cerebrali, la scansione TC utilizza un programma per computer che esegue un calcolo numerico integrale (la trasformata inversa di Radon) sulla serie di raggi X misurata per stimare la quantità di raggi X assorbita in un piccolo volume di il cervello. In genere le informazioni sono presentate come sezioni trasversali del cervello.
Imaging ottico diffuso L'imaging ottico diffuso (DOI) o tomografia ottica diffusa (DOT) è una modalità di imaging medico che utilizza luce vicina agli infrarossi per generare immagini del corpo. La tecnica misura l'assorbimento ottico dell'emoglobina e si basa sullo spettro di assorbimento dell'emoglobina che varia con il suo stato di ossigenazione. La tomografia ottica diffusa ad alta densità (HD-DOT) è stata confrontata direttamente con la fMRI utilizzando la risposta alla stimolazione visiva in soggetti studiati con entrambe le tecniche, con risultati simili. L'HD-DOT è stato anche confrontato con la risonanza magnetica in termini di compiti linguistici e connettività funzionale a riposo.
Segnale ottico evento correlato Il segnale ottico evento correlato (EROS) è una tecnica di scansione del cervello che utilizza la luce infrarossa attraverso le fibre ottiche per misurare i cambiamenti nelle proprietà ottiche delle aree attive della corteccia cerebrale. Considerando che tecniche come l'imaging ottico diffuso (DOT) e la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) misurano l'assorbimento ottico dell'emoglobina e quindi si basano sul flusso sanguigno, l'EROS sfrutta le proprietà di dispersione dei neuroni stessi e fornisce quindi una misura dell'attività cellulare. L'EROS può individuare l'attività nel cervello in millimetri (spazialmente) e in millisecondi (nel tempo). Il suo più grande svantaggio è l'incapacità di rilevare l'attività a una profondità superiore a qualche centimetro. EROS è una nuova tecnica relativamente economica che non è invasiva per il soggetto in esame. È stata sviluppata all'Università dell'Illinois - Urbana-Champaign, dove ora è utilizzato nel laboratorio di Neuroimaging cognitivo del Dr. Gabriele Gratton e della Dott.ssa Monica Fabiani.
Imaging a risonanza magnetica
La risonanza magnetica (RM) utilizza campi magnetici e onde radio per produrre immagini bidimensionali o tridimensionali di alta qualità di strutture cerebrali. È una tecnica non-invasiva, che non prevede dunque l'uso di radiazioni ionizzanti (raggi X) o traccianti radioattivi.
Imaging a risonanza magnetica funzionale La risonanza magnetica funzionale (fMRI) e l'etichettatura degli spin arteriosi (ASL) si basano sulle proprietà paramagnetiche dell'emoglobina ossigenata e deossigenata per vedere le immagini del cambiamento del flusso sanguigno nel cervello associato all'attività neurale. Ciò consente di generare immagini che riflettono quali strutture cerebrali sono attivate (e come) durante l'esecuzione di diversi compiti o allo stato di riposo. Secondo l'ipotesi dell'ossigenazione, i cambiamenti nel consumo dell'ossigeno nel flusso sanguigno cerebrale regionale durante l'attività cognitiva o comportamentale possono essere associati a regioni neuronali, in quanto direttamente correlati ai compiti cognitivi o comportamentali a cui partecipano.
La maggior parte degli scanner fMRI consente allo sperimentatore di presentare immagini visive, suoni e stimoli tattili diversi e ai soggetti di compiere diverse azioni come la pressione di un pulsante o lo spostamento di un joystick. Di conseguenza, la risonanza magnetica può essere utilizzata per rivelare strutture e processi cerebrali associati a percezione, pensiero e azione. La risoluzione della fMRI è attualmente di circa 2-3 millimetri, limitata dalla diffusione spaziale della risposta emodinamica all'attività neurale. Ha ampiamente sostituito la PET per lo studio dei modelli di attivazione cerebrale. La PET, tuttavia, conserva il vantaggio significativo di essere in grado di identificare specifici recettori cerebrali (o trasportatori) associati a particolari neurotrasmettitori attraverso la sua capacità di visualizzare i "ligandi" dei recettori radiomarcati (i ligandi dei recettori sono sostanze chimiche che si attaccano ai recettori).
Oltre alla ricerca su soggetti sani, la fMRI viene sempre più utilizzata per la diagnosi medica della malattia. Poiché la risonanza magnetica è squisitamente sensibile all'uso di ossigeno nel flusso sanguigno, è estremamente sensibile ai primi cambiamenti nel cervello derivanti da ischemia (flusso sanguigno anormalmente basso), come i cambiamenti che seguono l'ictus. La diagnosi precoce di alcuni tipi di ictus è sempre più importante in neurologia, poiché le sostanze che dissolvono i coaguli di sangue possono essere utilizzate nelle prime ore dopo che si verificano determinati tipi di ictus, ma sono pericolose da utilizzare in seguito. I cambiamenti cerebrali osservati con la risonanza magnetica possono aiutare a prendere la decisione di trattare con questi agenti. Con una precisione compresa tra il 72% e il 90%, in cui la probabilità casuale raggiungerebbe lo 0,8%, le tecniche di fMRI possono decidere quale di una serie di immagini conosciute il soggetto sta visualizzando.
La risonanza magnetica è una tecnica estremamente flessibile che offre una vasta gamma di sequenze avanzate per lo studio della struttura e della funzione cerebrale. Recentemente ha avuto un ruolo predominante nello sviluppo della connettomica su macroscala che si propone di studiare l'architettura cerebrale mappando le unità fondamentali dell'encefalo e le loro connessioni.
Magnetoencefalografia