Task-based fMRI nello Human Connectome Project

Si focalizza l’attenzione sui dati di tipo task-based fMRI, la tipologia utilizzata per lo studio della tesi. Gli scopi primari per cui i dati fMRI di tipo task-based sono stati inclusi nel dataset HCP 1200 sono i seguenti:

- fornire elementi sulle attivazioni in risposta ai task, da utilizzare nelle analisi sulla struttura di rete del cervello;

- identificare aree cerebrali con funzioni specifiche per confermare, guidare, o aiutare a interpretare le analisi sulla connettività del cervello condotte su dati strutturali e di connettività funzionale (dMRI, resting state fMRI); - delineare le relazioni tra le differenze individuali nel comportamento e nella genetica, e la connettività strutturale e funzionale delle regioni cerebrali addette a specifici processi cognitivi.

Per realizzare questi obiettivi sono stati sviluppati dei task volti a localizzare i centri funzionali del cervello nel più ampio raggio di sistemi neurali consentito dai vincoli di durata delle sessioni di scansione (circa 60 minuti), che ottimizzano l’attendibilità e la sensibilità delle misure di attivazione. I task spaziano tra sette maggiori domini, che rappresentano la diversità dei sistemi neurali: la memoria, il gioco d’azzardo, il dominio motorio, l’elaborazione del linguaggio, la cognizione sociale, i processi relazionali ed emotivi.

A fronte di queste osservazioni, con particolare attenzione al fatto che gli scopi citati sono in linea con quanto si vuole perseguire in questa tesi, riteniamo che i dati fMRI task-based in HCP 1200 siano adeguati per lo studio. Analiz- ziamo dati fMRI task-based di ambito motorio perché coinvolgono stimolazioni di natura semplice. Per comporre il dataset, selezioniamo i dati relativi a 20 soggetti, individuati in modo casuale tra i 1200 disponibili.

Di seguito sono riportati i principali aspetti della struttura dell’esperimento fMRI task-based di ambito motorio nello Human Connectome Project.

CAPITOLO 3. ANALISI DI SERIE TEMPORALI FMRI 52 Il macchinario per la Risonanza Magnetica utilizzato per l’acquisizione dei dati fMRI task-based è uno scanner Siemens 3T Skyra opportunamente studiato e migliorato dall’HCP. Per ulteriori informazioni [36]. L’esperimento prevede due run: una in cui la scansione procede da destra verso sinistra e una in cui procede da sinistra verso destra. Ciascuna ha una durata di 3 minuti e 24 secondi, du- rante i quali sono acquisiti 284 frame (il TR è 720 ms) i cui voxel sono isotropi di lato 2 mm.

I Preprocessing pipeline

Le preprocessing pipeline utilizzate dallo Human Connectome Project sono sta- te sviluppate utilizzando FLS e FreeSurfer, software specifici per processare e analizzare immagini di Risonanza Magnetica del cervello umano. I dati fMRI task-based sono preprocessati secondo la HCP fMRIVolume pipeline, che in par- ticolare include Quality Assurance, Head Motion Correction e la registrazione nello spazio MNI [18]. La procedura genera serie temporali 4D minimamente preprocessate di dimensione 91 × 109 × 91 × 284, dove le prime tre dimensioni definiscono le coordinate spaziali x, y e z nel sistema di riferimento MNI e la quarta dimensione rappresenta gli istanti temporali.

Per ciascun individuo, eliminiamo le serie temporali dei voxel facenti parte dello sfondo dell’immagine e riorganizziamo i dati in una matrice tempo × spazio, che contiene per colonna le serie temporali dei voxel del cervello del soggetto. I Design dell’esperimento task-based fMRI motorio

La prova fMRI task-based motoria adottata dall’HCP è un riadattamento di quella sviluppata in [38], che ha dimostrato avere un elevato potere nel rilevare attivazioni specifiche nei singoli soggetti.

La scansione è organizzata secondo un design di tipo a blocchi e prevede cinque stimolazioni motorie diverse: tamburellare le dita della mano destra e sinistra, contrarre le dita del piede destro e sinistro, e muovere la lingua. Ai partecipanti vengono date istruzioni sullo svolgimento della prova e sui tipi di compito motorio da eseguire prima dell’inizio della scansione. Nello specifico, vengono mostrate loro delle immagini raffiguranti i movimenti di interesse e che poi sono di nuovo presentate nel corso dell’esperimento come promemoria. La scansione inizia con un conto alla rovescia della durata di 8 secondi, a cui seguono i blocchi di attività e condizione di controllo. La prova consiste di 13 blocchi: 2 per i movimenti della lingua, 4 per i movimenti delle dita delle mani (2 per la mano destra e 2 per la mano sinistra), 4 per i movimenti delle dita dei piedi (2 per il piede destro e due per il piede sinistro) e 3 blocchi di stasi (fixation block o condizione di controllo). Ciascun blocco relativo ad uno dei 5 tipi di movimento (task block) ha una durata pari a 12 secondi ed è preceduto da un intervallo della durata di 3 secondi, in cui al soggetto è ricordata rapidamente l’attività che deve eseguire (task cue). I blocchi a riposo hanno una durata di 15 secondi.

Nella Tabella 3.1 sono riportati i parametri fondamentali che descrivono la struttura della prova fMRI task-based motoria.

CAPITOLO 3. ANALISI DI SERIE TEMPORALI FMRI 53

Frames Durata Numero Durata Durata Numero Durata run task task task fix. fix. (min:sec) block block cue block block

(sec) (sec) (sec)

284 3 : 24 10 12 3 3 15

Tabella 3.1: Parametri della fMRI task-based di tipo motorio.

Il seguente grafico (Figura 3.1) mostra la serie temporale dello stimolo associata al design a blocchi dell’esperimento, distingue gli istanti temporali dei task block da quelli della condizione di controllo.

Osservazione 3.1. Il periodo di 3 secondi che precede l’inizio di ogni task block, per semplicità, è considerato come tempo a riposo. Per una costruzione più precisa è necessario trattare separatamente i tempi dei task cue, per tenere conto delle attivazioni cerebrali connesse alla visione delle immagini raffiguranti il compito da svolgere, prima dell’inizio di ciascun task block.

Figura 3.1: Funzione dello stimolo della prova task-based di tipo motorio (l’asse X rappresenta gli istanti temporali in termini di numero di frame). I colori identificano i cinque tipi di task motorio.