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La misura dell’attività neuronale nella corteccia è legata ai campi elettromagnetici (EEG e MEG) e alla risposta emodinamica (fMRI). Il primo effetto è una conseguenza diretta dell’attività elettrica dei neuroni; mentre il secondo è un effetto indiretto che misura il consumo energetico della popolazione neuronale. Recenti sviluppi hanno dimostrato che combinando questi due tipi di misure è possibile aumentare e migliorare le informazioni riguardanti l’attività neuronale. Gli studi fatti finora prevedono di effettuare gli esperimenti separatamente (cioè le registrazioni di EEG e fMRI avvengono in tempi diversi), i risultati vengono poi elaborati con varie tecniche di analisi dei dati. Con il presente esperimento, invece, si vuole dimostrare che è possibile effettuare una registrazione contemporanea di EEG e fMRI, anche se sono stati rilevati delicati problemi tecnici (applicazione dei gradienti durante uno scan di fMRI che induce un voltaggio maggiore rispetto alla risposta cerebrale, artefatti dovuti all’interazione dei campi magnetici ed elettrici e per ultimo il basso valore di SNR) che disturbano la corretta misurazione dell’attività neuronale.
V.1 Stimolazione
Per studiare la correlazione tra i segnali acquisiti (EEG e fMRI) è stato utilizzato uno stimolo visivo preparato con Presentation (versione 0.7).
Descrizione stimolo: si invia su uno schermo una sequenza periodica
costituita da ventuno secondi di “off” (immagine completamente nera che costituisce l’immagine di confronto), e ventuno secondi di “on” in cui si vede un’immagine bianca alla frequenza di 10 Hz. Questa sequenza periodica ha una durata complessiva di 192 sec (figura 1):
Figura 1
Il suddetto stimolo è stato sottoposto al soggetto solo per una volta durante una registrazione contemporanea di EEG e fMRI.
Sono stati necessari due tipi di sincronizzazione:
Software: realizzata all’interno del programma stesso, per la sincronizzazione tra lo stimolo e la sequenza di risonanza;
Hardware: per la sincronizzazione con l’EEG. A tale scopo è stato realizzato un semplice circuito di sincronizzazione, composto da una resistenza (R=1.2 kΩ) in parallelo ad una capacità (C=68 nF) applicati sulla base di un transistor NPN.
V.2 EEG recording
L’ EEG, utilizzato per la registrazione, è un Mizard portatile della EB-NEURO, con 18/40 canali con ampia banda (DC- 20 KHz) espandibile a 124 canali (figura 2).
Figura 2
E’ possibile registrare e visualizzare contemporaneamente sul monitor i seguenti segnali: EEG e segnali EPS. I segnali in uscita hanno un basso rumore, un’alta sensitività e un ottimo CMRR. L’amplificatore usato è un amplificatore commerciale di tipo sigma–delta. Gli elettrodi sono stati collegati alla macchina tramite delle fibre ottiche, questo fa si che si possa muovere l’amplificatore fino a 500 metri dalla stanza di controllo, dove è posizionato il computer per la registrazione. Questa è la soluzione ideale per registrazioni di EEG contemporanee alla fMRI e per registrazioni durante il sonno.
E’ stato necessario attuare delle modifiche al Mizard portatile per renderlo compatibile con la macchina di risonanza, queste modifiche sono:
l’amplificatore, che è stato realizzato con dispositivi diamagnetici ed è posizionato in una “gabbia di Faraday” per consentire un’ ottima schermatura per le camere di risonanza magnetica;
l’alimentazione:si usa un’alimentazione a batterie.
Inoltre è stato installato su questo dispositivo un particolare software per la localizzazione delle sorgenti e per la co-registrazione di fMRI.
V.3 fMRI Scanning
La Signa Horizon 1.5 T, realizzata dalla General Electric, è utilizzata per varie applicazioni cliniche: neurologiche, cardio-vascolari e ortopediche. Le immagini anatomiche registrate durante l’esperimento sono del tipo spgr (spoiled grass), sono state registrate 120 fette sagittali di spessore 1.2 mm con risoluzione di 256×256, con fov (campo di vista) di 24 cm.
Le immagini funzionali, invece, sono state acquisite con una sequenza Gradient Echo EPI, con un TE= 40 ms, un Flip Angle= 90o ed un TR=3 sec.
Sono state registrate 22 fette assiali di spessore 5mm, con una risoluzione 64 × 64, fov di 24 cm e con voxel di dimensioni pari a 3,75 mm × 3,75 mm (5 mm).
Magnete
Il magnete usato è il CX 150 super-conduttivo, realizzato con la tecnologia criogenica e con un bassissimo consumo di elio, questo garantisce il mantenimento di un’alta omogeneità di campo lungo tutto il volume dell’immagine. Il magnete è ricoperto da un involucro disegnato per massimizzare il confort del paziente.
Gradienti
I gradienti usati garantiscono sia un’alta risoluzione spaziale che temporale; inoltre l’alto slew-rate e il duty cycle danno un basso valore per il TR, TE e l’Echo-spacing (ESP), in modo da massimizzare la risoluzione temporale. Nella tabella 1 sono riportate le specifiche dei gradienti:
Specifiche gradienti Smart speed Hi speed
Ampiezza massima del gradiente 23 mT/m 33 mT/m Tempo di salita del gradiente 460 µsec 428 µsec Slew rate massimo 50 T/m/s 77 T/m/s Ampiezza effettiva 39 mT/m 57 mT/m Slew rate effettivo 86 T/m/s 133 T/m/s
Nella tabella 2 sono, invece, riportati i parametri relativi alla risoluzione spaziale e rappresentano i valori clinici limite per ottenere una buona risoluzione spaziale e un alto SNR.
Risoluzione spaziale
Slice minima in 2D 0,7 mm Slice minima in 3D 0,1 mm
Tabella 2: Risoluzione spaziale
Radio Frequenza
Il sistema di radio frequenza è composto da una bobina birdcage in trasmissione (body coil), caratterizzata da un elevato fov, e da una bobina birdcage in ricezione di dimensioni adatte all’imaging della testa.
La birdcage è una bobina a simmetria cilindrica che è capace di generare un campo magnetico altamente omogeneo quando è impiegata in trasmissione, ed un segnale RF ad alto SNR in ricezione.
L’architettura del sistema di RF è riportata in tabella 3, questi parametri soddisfano i requisiti per applicazioni cliniche:
Requisiti clinici
Frequenza di risonanza 63.86 MHZ
Potenza massima di uscita 16 kW Demodulazione in quadratura Digitale Filtraggio RF Digitale
Larghezza di banda in trasmissione > 0.6 MHz (con controllo automatico)
Ampiezza in trasmissione >100 dB range dinamico (risoluzione 50 nsec)
Risoluzione in frequenza < 0.6 Hz/step Risoluzione in fase < 0.1 degree/step Risoluzione in ampiezza 16 bit
Guadagno di pre-amplificazione 36 dB
Rumore < 0.5 dB
Range dinamico in ricezione > 135 dB (con controllo automatico)
Tabella 3: Caratteristiche tecniche del sistema RF
Architettura hardware
L’architettura hardware del dispositivo di ricostruzione delle immagini è composta da tredici processori separati per il processing; è possibile effettuare più operazioni, in contemporanea, sulle immagini come: scan, acquisizione, ricostruzione, processing e archiviazione. Il processore degli array, insieme al software di ricostruzione, garantisce una ricostruzione “ultra veloce” di 100 immagini/secondo. I processori utilizzano un format per i dati a 32 bit (floating point) e sono collegati all’ host computer tramite un’interfaccia (bus-to-bus) a 3 bit, con una velocità di
trasmissione, dei dati, verso la CPU di 16 MB/sec. Nella tabella 4 sono riportate le specifiche tecniche dell’ host:
Specifiche dell’ host
Main CPU Silicon Graphics Inc. Octane workstation
MIPS R12000, Reduced Instruction Set Architecture (RISC)
Word size 64 Bit Microprocessor Tecnology Host memory 512 MB RAM SGI CPU Memory
Host image processor Silicon Graphics, Inc. Octane; 4 MB texture memory;
>di 60 milioni di interpolazioni tri-lineari per secondo
Tabella 4: Specifiche dell’host
Nella tabella 5 sono riportati le prestazioni tipiche di questi processori:
Prestazioni del processore
Velocità di ricostruzione (256 ×256) 100 immagini/sec Tempo di ricostruzione (256 ×256) 100 msec/immagini
fMRI software packages
Sono disponibili diversi software per l’analisi statistica; i principali sono:
AFNI (Medical College of Wisconsin); FIASCO (Carnegie Mellon University); MED-X (Sensor System, Inc);
SPM (Wellcome Neurological Institue); Stimulate (University of Minnesota).
Il software di elaborazione utilizzato nelle prove è AFNI.
V.4 Lo spazio delle soluzioni e spazio delle misure
Lo spazio delle soluzioni (la corteccia cerebrale) è costituito da 2394 voxel. Questi voxel formano una griglia regolare, cubica, di dimensione pari a 7 mm. Le coordinate sono state fornite dall’ MNI (Montreal Neurologic Institute) e sono state mappate sull’Atlante di Talairach, il quale definisce un sistema di riferimento x,y,z su un’immagine standard del cervello. Per valutare l’appartenenza di un voxel alla corteccia cerebrale è stato usato un metodo probabilistico basato su alcune considerazioni:
la probabilità di un voxel di essere materia grigia è maggiore rispetto a quella di essere materia bianca;
la probabilità di un voxel di essere materia grigia è maggiore rispetto a quella di essere liquido cerebrospinale;
la probabilità di un voxel di essere materia grigia è maggiore del 33%.
Note le coordinate dei voxel e le coordinate degli elettrodi (mappate anche queste sull’Atlante di Talairach) è possibile ricavare la matrice di trasformazione
A
che ha dimensione n×3m (con n=numero di elettrodi e m=numero di voxel). Il prodotto scalare tra l’i-esima riga della matriceA
con il vettore dei potenziali registrati sullo scalpo fornisce l’ampiezza delle componenti (x,y,z) del dipolo sorgente relativo ad ogni voxel della griglia. Per la visualizzazione dei voxel attivati sulle immagini funzionali è stata valutata l’ampiezza di ogni dipolo sorgente come:
2 2
2
y
z
x
S
=
+
+
quindi si avrà ampiezza massima in corrispondenza dei voxel più attivati ed ampiezza nulla dove non si ha attivazione.
