4 Awesome Brain Imaging Techniques
La scienza del cervello ha fatto enormi progressi negli ultimi decenni, e la nostra comprensione del cervello, lungi dall’essere completa, è aumentata enormemente. Questi progressi sono stati resi possibili grazie alle diverse tecniche di imaging cerebrale scoperte durante quest’ultimo secolo. In questo post passeremo in rassegna le 4 più impressionanti di queste tecniche
Elettroencefalografia (EEG)
EEG potrebbe essere considerato il padre delle tecniche di neuroimaging, poiché è la prima tecnica utilizzata per misurare l’attività (elettrica) del cervello vivente. Hans Berger ha registrato il primo EEG di un essere umano nel 1924. I dispositivi EEG hanno fatto grandi progressi da allora, rendendoli più affidabili, più portatili, con più elettrodi e persino wireless. Anche l’interpretazione dell’EEG e le tecniche di analisi dei dati hanno fatto passi da gigante. Sono state sviluppate complesse tecniche di analisi dei dati EEG (una breve panoramica può essere trovata qui), come la cosiddetta EEG-tomografia. Con questa tecnica possiamo fare una mappa 3D dell’interno del cervello, semplicemente misurando i potenziali elettrici nel cuoio capelluto del cervello.
L’EEG è economico, non invasivo, relativamente facile da impostare e la risoluzione temporale è eccellente: fino a meno di 1 ms o, in altre parole, inferiore al tempo necessario per avere un potenziale d’azione. D’altra parte, la risoluzione spaziale dell’EEG è più alta di altre tecniche di imaging cerebrale (circa 1-2 cm).
Risonanza magnetica (MRI)
Presenta il Santo Graal nelle tecniche di imaging cerebrale e per l’imaging medico in generale. La MRI è una tecnica relativamente nuova (la prima immagine MRI è stata pubblicata nel 1973). Paul Lauterbur e Peter Mansfield, pionieri delle tecniche MRI hanno ricevuto il premio Nobel per la medicina nel 2003. Molto brevemente, la risonanza magnetica utilizza forti campi magnetici e impulsi elettromagnetici per eccitare i protoni che poi generano un fotone prima di decadere al loro stato normale. Questi fotoni sono poi misurati dalla risonanza magnetica e si può generare una mappa di un tessuto vivente. La risonanza magnetica ha una grande risoluzione spaziale (2-3 mm), che la rende molto adatta sia alla ricerca che alle applicazioni cliniche. Lo svantaggio è la risoluzione temporale, che è piuttosto bassa (superiore a 1 secondo). Inoltre, l’attrezzatura MRI è molto costosa, ingombrante e quindi non portatile e inadatta all’uso fuori dal laboratorio.
Spettroscopia a infrarossi vicini (NIRS)
Questa è una tecnica relativamente recente: le applicazioni mediche e fisiologiche sono state sviluppate solo negli ultimi decenni. L’idea è di attaccare una fonte di luce NIR al cuoio capelluto e un rilevatore di luce NIR. In questo modo si può ottenere il tasso di trasmissione e assorbimento della luce NIR nei tessuti umani, che contiene informazioni sui cambiamenti nella concentrazione di emoglobina. Succede che quando una particolare area del cervello è attiva, la sua richiesta di ossigeno aumenta e quindi aumenta anche la concentrazione di emoglobina. NIRS può ottenere informazioni solo dai tessuti corticali, poiché la luce NIR è completamente assorbita nelle regioni più profonde del cervello. Inoltre, la risoluzione temporale di NIRS è simile a quella della risonanza magnetica, dato che stiamo ottenendo informazioni simili, cioè i cambiamenti nel flusso sanguigno. I vantaggi del NIRS sono la portabilità, la facilità d’uso e l’economicità. Per queste ragioni, il NIRS è stato applicato in molte applicazioni Brain Computer Interface (BCI).
Tomografia a emissione di positroni (PET)
Questa è una tecnica molto cool in cui vengono applicati diversi concetti fisici per estrarre informazioni dal cervello: dalla fisica delle particelle alla fisica quantistica. In breve, al soggetto in studio viene iniettato un marcatore radioattivo che contiene isotopi che decadranno in particelle di energia inferiore, e in questo processo creeranno positroni che si scontreranno con gli elettroni e poi si trasformeranno in fotoni che possono essere rilevati dalla PET. Tuttavia, questa tecnica di imaging cerebrale è invasiva (il soggetto viene iniettato con una sostanza radioattiva), costosa (per creare l’isotopo radioattivo, è necessario un sincrotrone) e non portatile (la PET è piuttosto grande). D’altra parte, la qualità delle immagini PET è abbastanza alta ed è ampiamente utilizzata per la rilevazione dei tumori cerebrali, tra le altre applicazioni (cliniche).
Ci sono alcune altre tecniche di neuroimaging interessanti, ma al fine di mantenere questo post abbastanza breve, mi limiterò a elencarle brevemente:
- Elettrocorticogramma (EcoG): richiede l’apertura del cranio e il posizionamento di una serie di elettrodi nella superficie della corteccia. Registra segnali elettrici, ma di qualità superiore all’EEG.
- Magnetoencefalogramma (MEG): Come l’EEG, ma in questo caso registra i campi magnetici prodotti dai neuroni mentre si accendono.
- Tomografia assistita dal computer (CAT): Vengono fatte molte radiografie da diverse angolazioni. Con queste informazioni può essere prodotta un’immagine 3D del cervello. Attenzione: L’esposizione alla radioattività dei pazienti è considerevole.
- Micro Electrode Arrays (MEAs): Usato per colture di neuroni in vitro, permette di misurare i singoli potenziali d’azione, ottenendo l’accesso ai meccanismi di comunicazione più basilari tra i neuroni.