Risonanza Magnetica Cerebrale - Risonanza magnetica cellulare cerebrale

Quanto maggiore è l'attività funzionale di un tessuto cerebrale, tanto maggiore sarà il suo metabolismo e, conseguentemente, le richieste energetiche (prevalentemente sotto forma di ossigeno e glucosio) aumenteranno. I neuroni, più delle altre cellule del corpo umano, hanno bisogno di un continuo apporto energetico fornito attraverso il sangue, e le aree attivate del cervello mostrano aumenti localizzati del flusso flusso ematico con conseguente maggior apporto di ossigeno e glucosio. Si sono sviluppate diverse tecniche di misurazione del flusso sanguigno e del metabolismo cerebrale.

Come spesso accade, l'avanzamento nelle conoscenze scientifiche va di pari passo con i progressi tecnologici, e la neurobiologia, in particolare, ne è un esempio eclatante. Difatti, negli ultimi 20 anni, si è assistito allo sviluppo di tecniche molto sofisticate che, sfruttando le variazioni emodinamiche prodotte dall'attività neuronale, sono in grado di identificare le aree attivate del cervello umano. Queste tecniche sono la risonanza magnetica funzionale (o fMRI) e la tomografia ad emissione di positroni (PET). Verranno ora descritte queste tecniche, cercando di comprendere le basi biologiche dei segnali di fMRI e PET.

La risonanza magnetica funzionale (fMRI)
Il corpo umano è composto prevalentemente da acqua e grassi. Il grasso e l'acqua sono a loro volta composti da molti atomi di idrogeno, che rendono il corpo umano composto per il 63% da atomi di idrogeno. L'atomo di idrogeno è costituito da un nucleo, un protone, circondato da un elettrone che gli orbita intorno. Il fenomeno di risonanza magnetica nucleare (RMN) o nuclear magnetic resonance (NMR) si basa sul comportamento del protone immerso in un campo magnetico. Il fenomeno che si basa sul comportamento di un elettrone all'interno di un campo magnetico si chiama risonanza degli spin dell'elettrone (RSE) o electron spin resonance (ESR). Il fenomeno che viene sfruttato per ottenere immagini anatomiche dei tessuti biologici è la RMN. Come si vedrà più avanti, lo stesso fenomeno può essere utilizzato per monitorare l'attività neuronale, osservandole le variazioni emodinamiche che si associano alla elaborazione di informazioni sensoriali o ad attività cognitive del nostro cervello.

Formazione del segnale di risonanza magnetica nucleare
Ciascun protone possiede una carica e inoltre ha la caratteristica particolare di ruotare attorno al proprio asse, cioè possiede uno "spin". Lo spin è il moto di rotazione su se stesso; come conseguenza, visto che il protone ha una carica elettrica, questa rotazione produce un dipolo magnetico con orientamento parallelo all'asse del nucleo e caratterizzato da un momento magnetico. Si può immaginare il protone come una particella che ruota intorno al suo asse e che, ruotando, produce un campo magnetico rendendolo simile ad un piccolissimo magnete. In assenza di campo magnetico esterno, i dipoli sono disposti casualmente nello spazio. Ogni qual volta un protone è immerso in un campo magnetico, il vettore che descrive il momento magnetico si allinea parallelo o opposto al campo magnetico esterno. Più precisamente, a causa dello spin, piuttosto che semplicemente allineati, o opposti al campo magnetico, i singoli protoni hanno un movimento di precessione rispetto ad esso. La frequenza di precessione è caratteristica del nucleo atomico (ad esempio per il protone è di 43 MHz) ed è proporzionale alla forza del campo magnetico applicato. Maggiore è il campo magnetico esterno, maggiore è la frequenza di precessione.


Protoni in assenza di campo magnetico esterno	Protoni allineati in modo parallelo o opposto rispetto ad un campo magnetico esterno.

Quando un tessuto viene posizionato all'interno di un campo magnetico, i protoni sono disposti in modo parallelo e opposto in maniera casuale. Nel giro di pochi secondi, il tessuto cerca di raggiungere un equilibrio magnetico passando da un orientamento opposto ad uno parallelo. Per raggiungere l'equilibrio magnetico, i protoni devono passare a livelli energetici minori (quelli paralleli al campo esterno) e possono farlo rilasciando energia e interagendo con gli altri atomi e molecole del tessuto. Le interazioni tra i protoni e l'ambiente fanno passare alcuni protoni dall'orientamento opposto a quello parallelo al campo. La velocità con la quale un tessuto raggiunge l'equilibrio magnetico dipende dal numero di interazioni con l'ambiente e quindi dal tipo di tessuto. La velocità con la quale i protoni si orientano rispetto al campo magnetico esterno viene definita come tempo di rilassamento T1. Una volta raggiunto l'equilibrio magnetico, vi saranno più protoni orientati parallelamente al campo magnetico, cosicché il tessuto avrà una netta magnetizzazione M0. Come detto, T1 è una proprietà dei protoni e dipende dal tipo di tessuto nel quale si trovano. Misurando quindi i valori di T1 si è in grado di capire le proprietà di un tessuto e comprendere se è prevalentemente composto da acqua, grassi, ecc..
Nella risonanza magnetica nucleare, l'allineamento degli assi di rotazione viene perturbato con un secondo campo magnetico perpendicolare al campo magnetico originale. Questo secondo campo magnetico, per poter aver effetto sui protoni e deviare i nuclei, deve oscillare alla stessa frequenza di precessione dei protoni (43 MHz). Questo secondo campo magnetico ha quindi la forma di un onda elettromagnetica e oscillerà perpendicolare al campo magnetico originale nell'ordine delle radiofrequenze (RF). Le radiofrequenze sono onde elettromagnetiche con frequenze che vanno da 100 KHz a 300 MHz. Questo secondo campo magnetico oscillatorio viene quindi fornito sotto forma di un'onda RF di durata necessaria per perturbare l'allineamento degli assi di rotazione dei protoni. L'impulso RF ha due funzioni: (1) fornisce l'energia necessaria ai protoni per allinearsi perpendicolari al campo originale e (2) riallinea le fasi di oscillazione di precessione dei singoli protoni. Quando gli impulsi RF vengono interrotti, i nuclei, interagendo con la materia circostante, tendono ad assumere il loro orientamento primitivo e nel fare ciò liberano energia sotto forma di onde radio. La frequenza delle onde radio emesse varia con la specie atomica e, per un dato nucleo atomico, con l'ambiente chimico e fisico che lo circonda. I nuclei diventano quindi dei trasmettitori di radiofrequenze, poiché risuonano a frequenze caratteristiche e rivelano la loro presenza con l'emissione di segnali. Specie nucleari diverse assorbono energia da radio onde di particolare frequenza. Questo processo viene detto risonanza magnetica nucleare.