la malattia di alzheimer - Padis - Sapienza
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DOTTORATO DI RICERCA IN<br />
NEUROSCIENZE CLINICO-SPERIMENTALI E<br />
PSICHIATRIA<br />
VALUTAZIONE DEI FENOMENI<br />
NEURODEGENERATIVI CEREBRALI NELLA<br />
MALATTIA DI ALZHEIMER<br />
ATTRAVERSO METODICHE COMBINATE DI<br />
RISONANZA MAGNETICA NON<br />
CONVENZIONALE<br />
RELATORE DOTTORANDO<br />
CHIAR.MO DOTT. GIUSEPPE BOMBOI<br />
PROF. FRAN CO GIUBILEI MATR. N. 936783<br />
ANNO ACCADEMICO 2011 - 2012
A Letizia<br />
e al<strong>la</strong> mia famiglia
La vita non è quel<strong>la</strong> che si è vissuta,<br />
ma quel<strong>la</strong> che si ricorda<br />
e come <strong>la</strong> si ricorda per raccontar<strong>la</strong>.<br />
Gabriel García Márquez<br />
L'uomo <strong>di</strong> scienza non è nient'altro che un misero filosofo.<br />
Albert Einstein<br />
Il ricordo è poesia, e <strong>la</strong> poesia non è se non ricordo.<br />
Giovanni Pascoli<br />
… Come <strong>la</strong> cosmologia si chiede quale sia <strong>la</strong> struttura dell'universo, le neuroscienze cognitive si domandano<br />
quale sia <strong>la</strong> struttura del<strong>la</strong> mente.<br />
Eric Kandel<br />
Che cosa fanno i bambini tutto il giorno? Fabbricano ricor<strong>di</strong>.<br />
Dino Risi<br />
Meglio aggiungere vita ai giorni che non giorni al<strong>la</strong> vita.<br />
Rita Levi Montalcini
“Alcuni esseri umani credono che l’anima viva dopo <strong>la</strong> morte del corpo;<br />
altri credono, invece, che muoia con esso...<br />
Altri ancora pensano che, in alcuni casi, l’anima muoia prima del corpo:<br />
e questo chiamano demenza”.<br />
Jay
Ringraziamenti<br />
Questo stu<strong>di</strong>o rappresenta un ulteriore gra<strong>di</strong>no <strong>di</strong> quel<strong>la</strong> sca<strong>la</strong> che ho iniziato a<br />
salire nel 2001 quando, poco più che ventenne, ho deciso <strong>di</strong> occuparmi degli uomini<br />
“senza memoria”, cioè dei pazienti affetti da ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer e da altre forme<br />
<strong>di</strong> demenza.<br />
E, dopo avergli de<strong>di</strong>cato <strong>la</strong> quasi totalità delle mie ricerche e tutte le mie tesi<br />
universitarie, de<strong>di</strong>co loro anche questo <strong>la</strong>voro come uomo e come me<strong>di</strong>co. Già,<br />
perché questo stu<strong>di</strong>o vorrebbe essere un altro piccolo “pezzo <strong>di</strong> luce” nelle tenebre<br />
che avvolgono le circonvoluzioni cerebrali <strong>di</strong> chi è affetto da un processo<br />
neurodegenerativo.<br />
In questa ricerca ci sono momenti trascorsi a Roma dentro un vecchio<br />
policlinico e momenti passati dentro uno stretto e più moderno ospedale, momenti<br />
trascorsi ad ovest, dal<strong>la</strong> parte americana dell’oceano, momenti spesi ad est, dentro un<br />
<strong>la</strong>boratorio ungherese e, infine, momenti passati in reparti ed ambu<strong>la</strong>tori del<strong>la</strong><br />
regione Lazio e nel<strong>la</strong> mia casa. E nei miei sogni.<br />
Questo stu<strong>di</strong>o è <strong>la</strong> sintesi del<strong>la</strong> mia esperienza clinica e del<strong>la</strong> mia ricerca<br />
scientifica, tratti che hanno profondamente segnato <strong>la</strong> mia esistenza dai vent’anni al<br />
“mezzo del cammin <strong>di</strong> nostra vita”: nell’arco <strong>di</strong> questo tempo spero <strong>di</strong> essere<br />
“cresciuto”, <strong>di</strong> aver sempre prestato fede al Giuramento d’Ippocrate, <strong>di</strong> aver meritato
il recente titolo <strong>di</strong> Neurologo e <strong>di</strong> meritare adesso il titolo <strong>di</strong> Dottore <strong>di</strong> Ricerca in<br />
Neuroscienze.<br />
Questo <strong>la</strong>voro è stato realizzato grazie a persone che soffrono e che non<br />
smetterò mai <strong>di</strong> ringraziare.<br />
Un grazie partico<strong>la</strong>re va al Prof. Franco Giubilei perché mi ha accompagnato<br />
nel corso <strong>di</strong> tutti questi anni.<br />
Ringrazio sentitamente il Prof. Francesco Orzi soprattutto perché, due anni<br />
circa or sono, mi consigliò <strong>di</strong> partecipare al Department to Department Programme<br />
realizzato dalle European Federation of Neurological Societies. Mi sono così<br />
ritrovato al<strong>la</strong> "corte" del Professor László Vécsei, nel<strong>la</strong> Neurológiai Klinika<br />
dell’Albert Szent-Györgyi Me<strong>di</strong>cal and Pharmaceutical Center Faculty of General<br />
Me<strong>di</strong>cine del<strong>la</strong> University of Szeged, dove, grazie al<strong>la</strong> col<strong>la</strong>borazione con il Dr.<br />
Zsigmond Tamás Kincses e con i ragazzi del<strong>la</strong> Sezione <strong>di</strong> Neuroimmagini,<br />
soprattutto quel<strong>la</strong> del<strong>la</strong> Dr. Nikoletta Szabó, ho appreso meto<strong>di</strong>che fondamentali per<br />
analizzare immagini <strong>di</strong> Risonanza Magnetica.<br />
Questa esperienza, sommata a quel<strong>la</strong> maturata, durante un periodo del mio<br />
percorso <strong>di</strong> specializzazione in Neurologia, presso i National Institutes of Health <strong>di</strong><br />
Bethesda, negli Stati Uniti d’America, nel gruppo del Dr. Henry McFar<strong>la</strong>nd, mi ha<br />
permesso <strong>di</strong> conoscere varie interessanti meto<strong>di</strong>che <strong>di</strong> analisi <strong>di</strong> neuroimmagini<br />
cerebrali.<br />
Tutto questo ha portato al<strong>la</strong> realizzazione del protocollo base <strong>di</strong> questo<br />
progetto, già premiato nel 2010 dal Prof. Cesare Fieschi con il Premio Aleth Barbot<br />
Patrassi per le Neuroscienze.
Ringrazio, quin<strong>di</strong>, più <strong>di</strong> tutti <strong>la</strong> Dott.ssa Elisabetta Giugni, il Prof. Stefano<br />
Bastianello, il Dott. Giacomo Luccichenti e il Dott. Stefano Galletti del<strong>la</strong> Fondazione<br />
Biome<strong>di</strong>ca Europea, <strong>la</strong> Dott.ssa Francesca Romana Pezzel<strong>la</strong> dell’Azienda<br />
Ospedaliera San Camillo For<strong>la</strong>nini, <strong>la</strong> Dott.ssa Rita Vadalà dell’IRCCS Fondazione<br />
Santa Lucia e <strong>la</strong> Dott.ssa Orietta Picconi <strong>di</strong> Opera S.r.l. Genova per aver attivamente<br />
col<strong>la</strong>borato con me al<strong>la</strong> realizzazione <strong>di</strong> questo <strong>la</strong>voro.<br />
Ringrazio anche i colleghi del “Centro Demenze” dell’Ospedale Sant’Andrea,<br />
con cui ha trascorso costruttivi momenti <strong>di</strong> <strong>la</strong>voro e sono molto riconoscente al Prof.<br />
Cesare Fieschi che, nel 2001, mi ha accolto nel Dipartimento <strong>di</strong> Scienze<br />
Neurologiche.<br />
Sono poi immensamente grato alle strutture del San Raffaele Pisana <strong>di</strong> Roma,<br />
dell’Istituto Santo Volto e dell'Unità Operativa <strong>di</strong> Geriatria e Me<strong>di</strong>cina <strong>di</strong><br />
Montefiascone (AUSL Viterbo) presso cui ho <strong>la</strong>vorato nel corso <strong>di</strong> questi ultimi anni<br />
e dell’Ars Me<strong>di</strong>ca <strong>di</strong> Santa Marinel<strong>la</strong> e del<strong>la</strong> Unità Operativa <strong>di</strong> Me<strong>di</strong>cina Generale<br />
<strong>di</strong> Tarquinia (AUSL Viterbo) presso cui <strong>la</strong>voro attualmente poiché mi hanno<br />
permesso <strong>di</strong> mantenermi economicamente durante questo percorso <strong>di</strong> Dottorato <strong>di</strong><br />
Ricerca senza borsa. E voglio ringraziare tutto il personale <strong>di</strong> tutte queste strutture.<br />
Un grazie partico<strong>la</strong>re va a tutti i miei gran<strong>di</strong> amici, soprattutto a Marco,<br />
Stefano, Daniele, Beto, Francesco, Diego, Antonel<strong>la</strong> e Alina perché mi sono sempre<br />
rimasti vicini anche quando <strong>la</strong> <strong>di</strong>stanza sembrava un problema e i capelli iniziavano a<br />
cadere o a farsi bianchi.<br />
Sono molto riconoscente al<strong>la</strong> mia famiglia che mi ha insegnato a non mol<strong>la</strong>re<br />
mai e a non perdere mai <strong>la</strong> speranza.
Infine, un immenso ringraziamento è per Letizia con cui ho con<strong>di</strong>viso tutte le<br />
<strong>di</strong>fficoltà e tutti i successi <strong>di</strong> questi anni perché mi ha supportato e sopportato con <strong>la</strong><br />
sua tenacia, <strong>la</strong> sua comprensione ed il suo amore.
INDICE<br />
INTRODUZIONE ................................................................................... 1<br />
VALUTAZIONE NEUROANATOMICA E<br />
NEUROMETABOLICA DEI DISTURBI COGNITIVI ..................... 3<br />
I <strong>di</strong>sturbi cognitivi .................................................................................................. 3<br />
I marcatori anatomici e metabolici nelle neuroscienze cognitive ...................... 7<br />
LA MALATTIA DI ALZHEIMER ....................................................... 9<br />
Epidemiologia ....................................................................................................... 11<br />
Ipotesi eziopatogenetiche ..................................................................................... 15<br />
Problematiche <strong>di</strong>agnostiche e terapeutiche ....................................................... 21<br />
LA RISONANZA MAGNETICA NON CONVENZIONALE ......... 25<br />
Le tecniche <strong>di</strong> RM non convenzionale utilizzate in questo stu<strong>di</strong>o ................... 30<br />
Analisi postprocessamento <strong>di</strong> immagini <strong>di</strong> RM in <strong>di</strong>ffusione ........................... 30<br />
Analisi postprocessamento <strong>di</strong> immagini <strong>di</strong> RM strutturale ............................... 49<br />
Analisi postprocessamento <strong>di</strong> immagini <strong>di</strong> spettroscopia in RM ...................... 60<br />
IL NOSTRO STUDIO .......................................................................... 66<br />
Disegno dello stu<strong>di</strong>o ............................................................................................. 66<br />
Popo<strong>la</strong>zione ........................................................................................................... 67<br />
Meto<strong>di</strong> ................................................................................................................... 69<br />
Visita neurologica .............................................................................................. 70<br />
Valutazione Neuropsicologica ........................................................................... 71<br />
Risonanza Magnetica ......................................................................................... 72<br />
Analisi statistica ................................................................................................. 79<br />
Risultati ................................................................................................................. 81<br />
Discussione ............................................................................................................ 86<br />
BIBLIOGRAFIA ................................................................................ XCI
INTRODUZIONE<br />
1<br />
Introduzione<br />
Negli ultimi anni, in conseguenza dell'aumento dell'aspettativa <strong>di</strong> vita me<strong>di</strong>a,<br />
partico<strong>la</strong>rmente in Italia, si sta assistendo ad una crescita esponenziale <strong>di</strong> tutte le<br />
patologie croniche e corre<strong>la</strong>te all’età. Tra queste patologie, le demenze stanno<br />
acquisendo, sempre <strong>di</strong> più, un ruolo <strong>di</strong> primo piano. La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer (MA),<br />
in partico<strong>la</strong>re, rappresentando <strong>la</strong> causa più comune <strong>di</strong> demenza, è <strong>di</strong>ventata un vero e<br />
proprio problema <strong>di</strong> sanità pubblica con risvolti socio-economici dall’impatto<br />
devastante.<br />
Nonostante le recenti scoperte sui meccanismi fisiopatogenetici, <strong>la</strong> <strong>di</strong>agnosi<br />
<strong>di</strong> MA resta un problema <strong>di</strong> notevole rilevanza pratica: attualmente, infatti, le<br />
meto<strong>di</strong>che <strong>di</strong>agnostiche a <strong>di</strong>sposizione non permettono <strong>di</strong> arrivare ad una <strong>di</strong>agnosi <strong>di</strong><br />
certezza, con conseguenti ed inevitabili problemi <strong>di</strong> scelta terapeutica per il<br />
neurologo.<br />
Il ruolo delle neuroimmagini è stato, fino ad oggi, principalmente rivolto ad<br />
escludere altre patologie che, clinicamente, entrano nel<strong>la</strong> <strong>di</strong>agnosi <strong>di</strong>fferenziale con<br />
<strong>la</strong> MA.<br />
Infatti, le tecniche <strong>di</strong> Risonanza Magnetica (RM) convenzionale non<br />
permettono <strong>di</strong> <strong>di</strong>stinguere, in base ai soli dati morfologici, le <strong>di</strong>fferenti ma<strong>la</strong>ttie<br />
neurodegenerative primitive, se non in rari casi, e non forniscono informazioni<br />
quantitative sui processi degenerativi.
2<br />
Introduzione<br />
Lo scopo del presente stu<strong>di</strong>o è stato quello <strong>di</strong> in<strong>di</strong>viduare tecniche valide ed<br />
efficaci per <strong>la</strong> quantificazione del<strong>la</strong> degenerazione neuronale me<strong>di</strong>ante meto<strong>di</strong>che<br />
non convenzionali <strong>di</strong> RM e attraverso aggregati <strong>di</strong> valori derivati da queste stesse<br />
meto<strong>di</strong>che per permettere <strong>di</strong> ottenere in<strong>di</strong>ci maggiormente sensibili<br />
nell’in<strong>di</strong>viduazione del<strong>la</strong> degenerazione precoce con importanti risvolti terapeutici.
Valutazione neuroanatomica e neurometabolica dei <strong>di</strong>sturbi cognitivi<br />
VALUTAZIONE NEUROANATOMICA<br />
E NEUROMETABOLICA DEI<br />
I <strong>di</strong>sturbi cognitivi<br />
DISTURBI COGNITIVI<br />
“Se il cervello umano fosse così semplice da permetterci <strong>di</strong> sondarlo, allora<br />
saremmo noi gli stupi<strong>di</strong> a non capirci nul<strong>la</strong> lo stesso.”<br />
In questa frase dello scrittore e filosofo contemporaneo Jostein Gaarder 1 viene<br />
espressa con un paradosso <strong>la</strong> complessità del<strong>la</strong> cognizione umana.<br />
Il termine “cognizione” (dal greco e dal <strong>la</strong>tino cognoscere,<br />
“conoscere”, “sapere”) è utilizzato in <strong>di</strong>verse accezioni da <strong>di</strong>fferenti <strong>di</strong>scipline ed è,<br />
generalmente, accettato con riferimento al pensiero ed al modo con cui si raggiunge<br />
<strong>la</strong> consapevolezza. Nelle neuroscienze, il vocabolo viene usato per riferirsi al<strong>la</strong><br />
capacità, caratteristica degli organismi viventi avanzati e, in partico<strong>la</strong>re dell’uomo, <strong>di</strong><br />
possedere processi mentali coinvolti nel<strong>la</strong> conoscenza e nel<strong>la</strong> comprensione. Tali<br />
processi o funzioni cognitive includono il pensiero astratto, il sapere, il linguaggio, <strong>la</strong><br />
memoria, il giu<strong>di</strong>zio e <strong>la</strong> capacità <strong>di</strong> risolvere i problemi.<br />
3
Valutazione neuroanatomica e neurometabolica dei <strong>di</strong>sturbi cognitivi<br />
"Come dal<strong>la</strong> materia inanimata si è pervenuti al<strong>la</strong> materia organica e da questa<br />
al<strong>la</strong> formazione <strong>di</strong> quello stupendo congegno che è il cervello dell'Homo sapiens?"<br />
Questa è <strong>la</strong> domanda posta da Rita Levi Montalcini in una sua opera recente e a<br />
cui le neuroscienze stanno cercando da anni <strong>di</strong> dare risposte in senso<br />
evoluzionistico 2 .<br />
Eric Kandel considera <strong>la</strong> mente umana <strong>la</strong> sfida del<strong>la</strong> biologia del terzo<br />
millennio sostenendo che "come <strong>la</strong> cosmologia si chiede quale sia <strong>la</strong> struttura<br />
dell'universo, le neuroscienze cognitive si domandano quale sia <strong>la</strong> struttura del<strong>la</strong><br />
mente 3 ."<br />
Nel corso dei secoli, è stato <strong>di</strong>mostrato, sempre in maniera più evidente che i<br />
fenomeni fisici che sono al<strong>la</strong> base dei processi cognitivi sono sostenuti da reti neurali<br />
localizzate all’interno del sistema nervoso.<br />
In molti casi, dal punto <strong>di</strong> vista anatomico, è stato possibile localizzare in<br />
determinate aree cerebrali alcuni domini cognitivi responsabili <strong>di</strong> funzioni<br />
neuropsicologiche.<br />
Attualmente lo sviluppo del<strong>la</strong> tecnologia ha ra<strong>di</strong>calmente mo<strong>di</strong>ficato il modo <strong>di</strong><br />
analizzare <strong>la</strong> mente umana.<br />
Così, per poter indagare il cervello umano "si è passati dal tavolo anatomico<br />
allo schermo del computer", con risvolti pratici sempre più importanti in ambito<br />
scientifico e clinico.<br />
4
Valutazione neuroanatomica e neurometabolica dei <strong>di</strong>sturbi cognitivi<br />
In un articolo <strong>di</strong> fondamentale valore scientifico, pubblicato sul<strong>la</strong> rivista Brain,<br />
nel 1998, Mesu<strong>la</strong>m, ipotizza l’organizzazione delle reti neurali responsabili dei<br />
processi cognitivi 4 (Fig. 1).<br />
Fig. 1. Rappresentazione generale <strong>di</strong> una <strong>la</strong>rga sca<strong>la</strong> <strong>di</strong> reti. Le linee senza punte <strong>di</strong> freccia rappresentano connessioni<br />
reciproche. Le connessioni corticali allo striato non sono reciproche. Le linee tratteggiate illustrano le proiezioni ta<strong>la</strong>miche. Le<br />
aree A e B rappresentano due epicentri del<strong>la</strong> rete A, B. Le aree 1AB, 2AB e 3AB rappresentano tre componenti crticali ad<strong>di</strong>tive<br />
del<strong>la</strong> rete. AB, XA e BY rappresentano I nuclei subta<strong>la</strong>mici.<br />
Immagine comparsa su Annals of Neurology (Mesu<strong>la</strong>m, 1990).<br />
Tuttavia, i sistemi cognitivi sono suscettibili <strong>di</strong> alterazione.<br />
Con <strong>la</strong> <strong>di</strong>zione <strong>di</strong> “<strong>di</strong>sturbo cognitivo” ci si riferisce a quel<strong>la</strong> con<strong>di</strong>zione<br />
patologica in cui un in<strong>di</strong>viduo presenta <strong>di</strong>sturbi o deficit in una delle funzioni<br />
neuropsicologiche, come <strong>la</strong> memoria, il linguaggio o altre funzioni, tali da poter<br />
essere osservati da altri in<strong>di</strong>vidui o da poter essere messi in evidenza con test mirati.<br />
I <strong>di</strong>sturbi cognitivi possono essere congeniti cioè presenti al<strong>la</strong> nascita o<br />
acquisiti: in questo ultimo caso, oggetto <strong>di</strong> questa tesi, il soggetto va incontro al<strong>la</strong><br />
per<strong>di</strong>ta o all’alterazione <strong>di</strong> una funzione cognitiva che possedeva in precedenza.<br />
5
Valutazione neuroanatomica e neurometabolica dei <strong>di</strong>sturbi cognitivi<br />
Quando i <strong>di</strong>sturbi cognitivi acquisiti interessano più funzioni e <strong>di</strong>vengono tali<br />
da interferire con le attività del<strong>la</strong> vita quoti<strong>di</strong>ana, si utilizza, per descriverli, il<br />
termine "demenza".<br />
Pertanto, con il termine demenza, si intende un <strong>di</strong>sturbo mentale, acquisito,<br />
caratterizzato dal<strong>la</strong> per<strong>di</strong>ta <strong>di</strong> funzioni che il soggetto possedeva nel passato.<br />
Temporanee alterazioni delle funzioni cognitive possono essere comunemente<br />
in<strong>di</strong>viduate in alcuni stati <strong>di</strong>smetabolici o in alcune patologie psichiatriche come<br />
l’ansia o <strong>la</strong> depressione.<br />
In alcuni casi queste alterazioni possono essere così rilevanti da configurare un<br />
quadro che viene definito <strong>di</strong> “pseudo-demenza”.<br />
In altre patologie, invece, una volta instauratosi, il danno cognitivo <strong>di</strong>viene<br />
irreversibile, configurando un quadro <strong>di</strong> demenza che, in determinati casi, tende a<br />
progre<strong>di</strong>re.<br />
La presenza dei <strong>di</strong>sturbi cognitivi nelle ma<strong>la</strong>ttie neurologiche è molto elevata:<br />
<strong>di</strong>sturbi cognitivi possono, infatti, essere in<strong>di</strong>viduati in tutte le ma<strong>la</strong>ttie che possono<br />
colpire l’encefalo. Patologie neurologiche ritenute fino a poco tempo fa “fisiche”,<br />
cioè responsabili <strong>di</strong> danno nelle funzioni motorie o sensitive, come <strong>la</strong> Sclerosi<br />
Multip<strong>la</strong> (SM), <strong>la</strong> Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA) e le patologie<br />
cerebrovasco<strong>la</strong>ri, possono essere associate ad alterazioni cognitive.<br />
Solo nelle demenze degenerative, tuttavia, si assiste ad un’alterazione <strong>di</strong> queste<br />
funzioni in maniera primitiva e primaria. La valutazione del loro corre<strong>la</strong>to<br />
anatomico-strutturale e metabolico sarà l’oggetto principale <strong>di</strong> questa tesi.<br />
6
Valutazione neuroanatomica e neurometabolica dei <strong>di</strong>sturbi cognitivi<br />
I marcatori anatomici e metabolici nelle<br />
neuroscienze cognitive<br />
La descrizione del caso <strong>di</strong> Tan da parte <strong>di</strong> Pierre Paul Broca, nel 1861 5 , può<br />
essere considerata una delle prime <strong>di</strong>mostrazioni scientifiche del fatto che le funzioni<br />
cognitive possiedano un corre<strong>la</strong>to neuroanatomico.<br />
È negli ultimi anni, tuttavia, che l’avvento delle neuroimmagini ha permesso <strong>la</strong><br />
visualizzazione in vivo del substrato anatomico che si ritiene responsabile dei<br />
processi cognitivi.<br />
Il supporto <strong>di</strong> strumenti <strong>di</strong>agnostici sempre più evoluti fornisce attualmente<br />
informazioni sia funzionali che anatomiche sul sistema nervoso.<br />
In partico<strong>la</strong>re, l’invenzione del<strong>la</strong> Risonanza Magnetica Nucleare 6 7 e <strong>la</strong> sua<br />
applicazione in vivo 8 ha rappresentato una svolta nello stu<strong>di</strong>o delle ma<strong>la</strong>ttie<br />
neurologiche, soprattutto grazie al<strong>la</strong> possibilità <strong>di</strong> utilizzare quelle che vengono<br />
definite meto<strong>di</strong>che non convenzionali, come il tensore <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione, il magnetization<br />
transfer ratio, <strong>la</strong> spettroscopia in RM o l’acquisizione <strong>di</strong> sequenze strutturali<br />
tri<strong>di</strong>mensionali 9 .<br />
Personalmente ho avuto l’opportunità <strong>di</strong> apprendere alcune <strong>di</strong> queste<br />
meto<strong>di</strong>che <strong>di</strong> analisi post-processamento <strong>di</strong> immagini, durante <strong>la</strong> mia esperienza <strong>di</strong><br />
"Specializzazione in Neurologia all'estero" presso il National Institute of<br />
7
Valutazione neuroanatomica e neurometabolica dei <strong>di</strong>sturbi cognitivi<br />
Neurological Disorders and Stroke (NINDS) dei National Institutes of Health (NIH)<br />
<strong>di</strong> Bethesda, in Mary<strong>la</strong>nd, negli Stati Uniti d’America nel 2007. Durante quel periodo<br />
ho preso parte ad un grande progetto, condotto dal Dr. McFar<strong>la</strong>nd e dal<strong>la</strong> Dr.<br />
Bagnato, volto ad esplorare il ruolo che le alterazioni cerebrali macroscopiche e<br />
microscopiche causate dal<strong>la</strong> SM hanno nel<strong>la</strong> genesi dei <strong>di</strong>sturbi cognitivi 10 .<br />
Successivamente ho avuto occasione <strong>di</strong> apprendere altre meto<strong>di</strong>che durante <strong>la</strong><br />
mia esperienza <strong>di</strong> "Dottorato <strong>di</strong> Ricerca in Neuroscienze all'estero" presso <strong>la</strong><br />
University of Szeged in Ungheria nel 2010. Infatti, ho col<strong>la</strong>borato ad un progetto<br />
volto ad indagare le alterazioni microstrutturali che avvengono nei pazienti affetti da<br />
emicrania 11 .<br />
L’applicazione delle meto<strong>di</strong>che <strong>di</strong> analisi post-processamento delle<br />
neuroimmagini ai pazienti affetti da MA ed il successivo confronto con <strong>la</strong><br />
performance cognitiva degli stessi pazienti, obiettivo <strong>di</strong> questo stu<strong>di</strong>o, potrebbe<br />
fornire importanti informazioni in ambito clinico e biologico e aprire nuove porte in<br />
ambito <strong>di</strong>agnostico.<br />
8
9<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
LA MALATTIA DI ALZHEIMER<br />
Nel 1906, a Tübingen, in Germania, il Dott. Alois Alzheimer (Fig. 2) <strong>di</strong><br />
Monaco descrisse il caso <strong>di</strong> Auguste D. 12 (Fig.3). Si tratta<br />
del<strong>la</strong> prima descrizione scientifica <strong>di</strong> un caso <strong>di</strong> demenza<br />
degenerativa.<br />
Oggi <strong>la</strong> MA rappresenta <strong>la</strong> più comune forma <strong>di</strong><br />
demenza e una delle principali cause <strong>di</strong> morte e <strong>di</strong>sabilità<br />
del<strong>la</strong> nostra era. Si tratta <strong>di</strong> un quadro drammatico, non<br />
solo sotto il punto <strong>di</strong> vista personale dell’in<strong>di</strong>viduo affetto, ma anche sotto il punto <strong>di</strong><br />
Fig. 3. Auguste D., il primo<br />
caso descritto <strong>di</strong> "demenza<br />
degenerativa".<br />
compromissione dello stato <strong>di</strong> coscienza.<br />
Fig. 2. Alois Alzheimer.<br />
vista socio-affettivo, perché interessa da vicino anche le<br />
persone che vivono e conoscono <strong>la</strong> persona ma<strong>la</strong>ta. Nel<br />
corso del<strong>la</strong> patologia si assiste, infatti, al<strong>la</strong> progressiva<br />
per<strong>di</strong>ta dei ricor<strong>di</strong> e, quin<strong>di</strong>, dell’essenza stessa<br />
dell’identità, accompagnata da deficit del pensiero astratto,<br />
delle capacità <strong>di</strong> giu<strong>di</strong>zio critico, delle funzioni corticali<br />
superiori (fasie, prassie, gnosie) e, spesso, da<br />
mo<strong>di</strong>ficazioni del<strong>la</strong> personalità, in assenza <strong>di</strong><br />
A causa dell'aumento dell'aspettativa <strong>di</strong> vita me<strong>di</strong>a, negli ultimi decenni si sta<br />
assistendo ad una crescita esponenziale <strong>di</strong> tutte le patologie croniche età corre<strong>la</strong>te,
10<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
prime fra tutte le demenze. L'interesse scientifico rivolto a queste patologie ha<br />
portato al rapido sviluppo <strong>di</strong> tecniche <strong>di</strong> biologia moleco<strong>la</strong>re volte all'identificazione<br />
dei processi patogenetici che le sottendono e al<strong>la</strong> realizzazione <strong>di</strong> nuove strategie<br />
terapeutiche.<br />
A fronte <strong>di</strong> questi progressi scientifici, <strong>la</strong> <strong>di</strong>agnosi <strong>di</strong> demenza presenta ancora<br />
delle <strong>di</strong>fficoltà. Le meto<strong>di</strong>che <strong>di</strong>agnostiche fino ad oggi a <strong>di</strong>sposizione, infatti, non<br />
permettono <strong>di</strong> arrivare ad una <strong>di</strong>agnosi <strong>di</strong> certezza, fatto che può generare problemi<br />
<strong>di</strong> scelta terapeutica per il clinico.<br />
La <strong>di</strong>agnosi è, infatti, principalmente basata sul<strong>la</strong> valutazione neuropsicologica<br />
ed è tuttora fondamentale il ruolo del MiniMental State Examination (MMSE) 13<br />
nel<strong>la</strong> valutazione iniziale <strong>di</strong> un <strong>di</strong>sturbo dementigeno.<br />
Le <strong>di</strong>fficoltà <strong>di</strong>vengono ancora maggiori in campo <strong>di</strong> <strong>di</strong>agnostica <strong>di</strong>fferenziale:<br />
nonostante, infatti, <strong>la</strong> MA sia <strong>la</strong> più comune forma <strong>di</strong> demenza degenerativa, è<br />
piuttosto <strong>di</strong>fficile <strong>di</strong>stinguer<strong>la</strong> da altre forme <strong>di</strong> demenza degenerativa.
Epidemiologia<br />
11<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
Secondo vari stu<strong>di</strong> effettuati in Occidente, l’età avanzata rappresenta il fattore<br />
<strong>di</strong> rischio più importante per il possibile sviluppo <strong>di</strong> demenza: tra i 60 ed i 64 anni<br />
l’1% degli in<strong>di</strong>vidui viene colpito dal<strong>la</strong> ma<strong>la</strong>ttia, mentre dopo i 95 anni ne viene<br />
colpito oltre il 35%.<br />
È stato evidenziato, da stime nordeuropee, che il tasso <strong>di</strong> prevalenza tende a<br />
raddoppiare ogni 5 anni <strong>di</strong> età, a partire dai 60 fino ad arrivare ai 95 anni 14 .<br />
Questo è un dato al<strong>la</strong>rmante soprattutto se si considera che il numero delle<br />
persone anziane nel<strong>la</strong> popo<strong>la</strong>zione è in continua crescita: nel 1995, nel mondo, gli<br />
ultra sessantacinquenni erano 371 milioni <strong>di</strong> persone, cioè il 6% del<strong>la</strong> popo<strong>la</strong>zione<br />
mon<strong>di</strong>ale. Molti <strong>di</strong> loro vivono oggi il dramma del<strong>la</strong> demenza che colpisce 18<br />
milioni <strong>di</strong> in<strong>di</strong>vidui nel mondo, quasi tutti anziani, <strong>la</strong> metà dei quali vive in Nord<br />
America ed in Europa.<br />
In Italia <strong>la</strong> situazione è ancora più preoccupante: nel 1995, nel nostro paese, gli<br />
ultrasessantacinquenni erano 9.5 milioni, cioè il 16% del<strong>la</strong> popo<strong>la</strong>zione. Secondo<br />
stime dell’Istat nel 2025 un italiano su quattro avrà più <strong>di</strong> 65 anni <strong>di</strong> età ed uno su<br />
nove più <strong>di</strong> 75 anni. Complessivamente, oltre il 41% del<strong>la</strong> popo<strong>la</strong>zione avrà più <strong>di</strong> 55<br />
anni <strong>di</strong> età.<br />
Il nostro paese, comunque, come altri paesi sviluppati, ha già calco<strong>la</strong>to le<br />
proiezioni per valutare l’aumento <strong>di</strong> incidenza delle demenze. Se si parte dall’assunto
12<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
che i tassi <strong>di</strong> incidenza età-specifici non cambieranno nei prossimi anni, nel nostro<br />
paese si prevedono 213.000 nuovi casi <strong>di</strong> demenza ogni anno a partire dal 2020<br />
contro i 150.000 rilevati<br />
nel 2000 (Fig. 4).<br />
L’ILSA (Italian<br />
Longitu<strong>di</strong>nal Study On<br />
Aging), un altro grande<br />
stu<strong>di</strong>o italiano <strong>di</strong><br />
prevalenza sesso-<br />
specifica, ha evidenziato che <strong>la</strong> demenza interessa il 5.3% degli uomini ed il 7.2%<br />
delle donne sopra i 65 anni <strong>di</strong> età 15 16 .<br />
Al momento attuale quasi un milione <strong>di</strong> famiglie italiane sono toccate dal<br />
problema del<strong>la</strong> demenza ed in sostanza abbandonate, <strong>di</strong>menticate nel<strong>la</strong> loro penosa<br />
situazione <strong>di</strong> bisogno 17 . I dati emersi dallo stu<strong>di</strong>o Censis sottolineano il carattere<br />
familiare delle demenze. Questo in un duplice senso: da una parte è risultato totale il<br />
coinvolgimento dei familiari nel<strong>la</strong> cura, nell’assistenza, nel sostegno psicologico e<br />
nel<strong>la</strong> tute<strong>la</strong> del proprio congiunto e dall’altra parte è risultata grave <strong>la</strong> carenza dei<br />
servizi sanitari e socio-assistenziali <strong>di</strong> supporto ai bisogni <strong>di</strong> assistenza, con implicita<br />
e totale delega al<strong>la</strong> famiglia che si trova a doversi occupare da so<strong>la</strong> dei suoi cari<br />
affetti dal<strong>la</strong> ma<strong>la</strong>ttia. Ecco perché le demenze sono delle vere e proprie “ma<strong>la</strong>ttie<br />
familiari”.<br />
Fig. 3. Proiezioni dei casi <strong>di</strong> demenza nei<br />
prossimi 20 anni<br />
Fig. 4. In Italia si prevedono 213.000 nuovi casi <strong>di</strong> demenza ogni anno a partire<br />
dal 2020 contro i 150.000 rilevati nel 2000.<br />
300000<br />
200000<br />
100000<br />
0<br />
2000 2020
13<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
Nel 1998, negli USA, i costi delle demenze sono stati superiori a quelli del<br />
cancro, cioè i più elevati in campo sanitario, soprattutto se si calco<strong>la</strong> che, nello stesso<br />
anno, <strong>la</strong> ma<strong>la</strong>ttia colpiva 4 milioni <strong>di</strong> anziani.<br />
I costi per singolo paziente sono elevatissimi, cioè oltre 25.000 dol<strong>la</strong>ri l’anno<br />
soprattutto se confrontati con quelli <strong>di</strong> altre patologie: per il cancro e <strong>la</strong> schizofrenia<br />
vengono spesi 15.000 dol<strong>la</strong>ri l’anno per paziente.<br />
In Italia non è facilmente stimabile il peso economico del<strong>la</strong> ma<strong>la</strong>ttia, da un <strong>la</strong>to<br />
perché mancano registri sanitari, che sono invece utilizzati da anni in paesi come gli<br />
USA, il Canada (Quebec) e <strong>la</strong> Svezia, dall’altro perché è molto <strong>di</strong>fficile valutare<br />
l’entità dei costi <strong>di</strong>retti e soprattutto in<strong>di</strong>retti.<br />
Appare, in effetti, arduo calco<strong>la</strong>re quanto costi <strong>la</strong> cura e l’assistenza dei ma<strong>la</strong>ti<br />
non tanto a livello sanitario, ma soprattutto a livello<br />
sociale, considerata l’impossibilità <strong>di</strong> valutare <strong>la</strong> per<strong>di</strong>ta<br />
economica arrecata al sistema statale da un in<strong>di</strong>viduo,<br />
spesso un parente che sottrae ore <strong>la</strong>vorative al<strong>la</strong> sua<br />
attività per prendersi cura dell’amma<strong>la</strong>to.<br />
Questa persona, spesso il coniuge o un parente,<br />
definita caregiver (Fig. 5) che si occupa <strong>di</strong>rettamente<br />
Fig. 5. Colui che si occupa del<br />
paziente con demenza è,<br />
generalmente, il coniuge o un<br />
parente.<br />
del paziente colpito da demenza, è sottoposto a due tipi <strong>di</strong> carico assistenziale: un<br />
carico oggettivo ed uno soggettivo. Il carico oggettivo nasce da problemi pratici<br />
legati alle mo<strong>di</strong>ficazioni del comportamento e delle abitu<strong>di</strong>ni <strong>di</strong> vita dell’in<strong>di</strong>viduo<br />
affetto da demenza. Il carico soggettivo è legato, invece, al<strong>la</strong> sfera emotiva ed al<strong>la</strong><br />
sofferenza prodotta in un in<strong>di</strong>viduo, costretto ad assistere, inerte, al lento ed
14<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
inesorabile declino <strong>di</strong> una persona cara. Il carico soggettivo del caregiver è solo<br />
parzialmente corre<strong>la</strong>to al<strong>la</strong> gravità del deficit cognitivo e funzionale del paziente:<br />
molto più importanti sembrano essere <strong>la</strong> qualità del<strong>la</strong> re<strong>la</strong>zione esistente fra paziente<br />
ed assistente, il supporto sociale <strong>di</strong>sponibile ed il modo <strong>di</strong> porsi davanti al<br />
deca<strong>di</strong>mento <strong>di</strong> qualcuno che si ama 18 .
Ipotesi eziopatogenetiche<br />
15<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
Le ricerche nel campo del<strong>la</strong> genetica e del<strong>la</strong> biologia moleco<strong>la</strong>re hanno<br />
prodotto alcune interessanti scoperte nel campo del<strong>la</strong> MA 19 , anche se i meccanismi<br />
patogenetici del<strong>la</strong> ma<strong>la</strong>ttia restano poco chiari. I principali aspetti clinici <strong>di</strong> questa<br />
ma<strong>la</strong>ttia neurodegenerativa sono, in genere, <strong>la</strong> per<strong>di</strong>ta del<strong>la</strong> memoria ed il successivo<br />
declino cognitivo, che rappresentano l’espressione <strong>di</strong> un’importante e progressiva<br />
rarefazione neuronale <strong>di</strong> varie aree cerebrali, che si esprime macroscopicamente con<br />
l’atrofia cerebrale 20 (Fig. 6).<br />
Stu<strong>di</strong> neuropatologici post mortem 21 permettono <strong>di</strong> in<strong>di</strong>viduare i glomeruli<br />
neurofibril<strong>la</strong>ri e le p<strong>la</strong>cche senili, ovvero le alterazioni microscopiche descritte per<br />
primo da Alois Alzheimer 22 23 .<br />
Fig. 6.<br />
A sinistra<br />
immagine <strong>di</strong><br />
corteccia<br />
cerebrale<br />
normale.<br />
A destra<br />
atrofia<br />
corticale.<br />
I glomeruli neurofibril<strong>la</strong>ri (Fig. 7) sono alterazioni citoscheletriche derivanti<br />
dall’accumulo <strong>di</strong> proteina τ, iperfosfori<strong>la</strong>ta in maniera abnorme e aggregata in c<strong>la</strong>ssi<br />
<strong>di</strong> neuroni suscettibili. Nelle cellule nervose sane, <strong>la</strong> proteina τ stabilizza le
16<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
componenti microtubu<strong>la</strong>ri del citoscheletro che sono coinvolte nel trasporto <strong>di</strong><br />
molecole da un compartimento cellu<strong>la</strong>re e l’altro. La destabilizzazione micro<br />
tubu<strong>la</strong>re e l’ostacolo al trasporto assonale, secondari al<strong>la</strong><br />
formazione <strong>di</strong> proteina τ iperfosfori<strong>la</strong>ta, causa un inappropriato<br />
metabolismo proteico, un malfunzionamento sinaptico e un<br />
danno al<strong>la</strong> trasmissione dei segnali legata al trasporto<br />
retrogrado dei fattori neurotrofici.<br />
La per<strong>di</strong>ta <strong>di</strong> queste funzioni potrebbe significativamente<br />
contribuire al<strong>la</strong> morte neuronale. Il prodotto iniziale del<strong>la</strong> fosfori<strong>la</strong>zione patologica è<br />
una proteina τ solubile non-argirofi<strong>la</strong>.<br />
L’altro aspetto microscopico neuropatologico del<strong>la</strong> ma<strong>la</strong>ttia, <strong>la</strong> p<strong>la</strong>cca senile<br />
(Fig. 8) è, invece, causato principalmente dall’accumulo del<strong>la</strong> proteina β amiloide<br />
(Aβ), un peptide derivato dal più grande Precursore del<strong>la</strong> Proteina β Amiloide (APP)<br />
cioè da una glicoproteina transmembrana espressa in maniera ubiquitaria 24 .<br />
L’ipotesi del<strong>la</strong> “cascata dell’amiloide” 25 , <strong>la</strong> più accre<strong>di</strong>tata ipotesi patogenetica<br />
formu<strong>la</strong>ta negli ultimi venti anni, prevede che il peptide Aβ sia una proteina<br />
spazzatura che autoaggrega spontaneamente in fibrille<br />
amiloidee neurotossiche in grado <strong>di</strong> instaurare il processo<br />
dementigeno. La più lunga forma del<strong>la</strong> proteina Aβ (Aβ<br />
1-42) è <strong>la</strong> più strettamente corre<strong>la</strong>ta al processo<br />
patogenetico perché è stato <strong>di</strong>mostrato che sia<br />
Fig.7. Glomeruli<br />
neuro fibril<strong>la</strong>re:<br />
colorazione<br />
argentica<br />
Fig. 8. P<strong>la</strong>cca senile<br />
sovraespressa in soggetti con una mutazione genetica familiare e che, in vitro, tenda<br />
più facilmente ad autoaggregare rispetto alle forme più corte, come <strong>la</strong> Aβ 1-40 26 27 .
17<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
Nonostante questa ipotesi sia molto accre<strong>di</strong>tata, rimane piuttosto incompleta:<br />
non spiega, infatti, in alcun modo, che re<strong>la</strong>zione vi sia tra il processo<br />
amiloidogenetico extracellu<strong>la</strong>re ed il deposito <strong>di</strong> glomeruli neurofibril<strong>la</strong>ri all’interno<br />
dei neuroni, né quale siano i ruoli fisiologici dell’APP e dei suoi derivati 28 . In<br />
partico<strong>la</strong>re, l’ipotesi dell’autoaggregazione delle due componenti microscopiche<br />
del<strong>la</strong> patologia <strong>la</strong>scia senza risposta alcuna importanti domande sul<strong>la</strong> biologia del<strong>la</strong><br />
MA. Non è noto, infatti, perché una proteina ubiquitaria, come <strong>la</strong> Aβ, dovrebbe<br />
aggregare solo nel<strong>la</strong> neocortex o perchè altre specie <strong>di</strong> mammiferi non sviluppino<br />
una patologia legata al<strong>la</strong> Aβ durante l’invecchiamento 29 . L’ipotesi non spiega,<br />
inoltre, perché l’età senile ed il sesso femminile rappresentino i maggiori fattori <strong>di</strong><br />
rischio.<br />
Gli elementi chimici potrebbero essere <strong>la</strong> risposta chiave per molte <strong>di</strong> queste<br />
domande 30 31 32 . Recentemente, infatti, stu<strong>di</strong> neurochimici avrebbero in<strong>di</strong>viduato un<br />
ruolo dei metalli nelle ma<strong>la</strong>ttie neurodegenerative come <strong>la</strong> MA 33 34 . È noto, infatti,<br />
che i metalli rivestono un ruolo catalitico nello smaltimento <strong>di</strong> ra<strong>di</strong>cali liberi 35 .<br />
Evidenze sempre più consistenti <strong>di</strong>mostrano oggi che l’alterazione dell’omeostasi<br />
dell’attività redox catalizzata dai biometalli e il conseguente incremento dello stress<br />
ossidativo contribuiscano al<strong>la</strong> patogenesi del<strong>la</strong> MA<br />
36 37<br />
È stato, infatti, osservato che i metalli possano interagire <strong>di</strong>rettamente con il<br />
peptide Aβ 38 . Il legame dei metalli ad Aβ modu<strong>la</strong> alcune proprietà fisiochimiche <strong>di</strong><br />
Aβ, ritenute fondamentali nei processi patogenetici indotti dal peptide 39 : stu<strong>di</strong>ando<br />
le proprietà chimiche dei metalli, Bush ha formu<strong>la</strong>to un modello <strong>di</strong> MA in grado <strong>di</strong>
18<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
fornire spiegazioni a molti dei quesiti generati dall’ipotesi del<strong>la</strong> cascata<br />
dell’amiloide 40 .<br />
Secondo Bush et al., lo ione zinco rivestirebbe un ruolo chiave<br />
nell’aggregazione dell’ Aβ in presenza <strong>di</strong> con<strong>di</strong>zioni acide interstiziali 41 . Anche il<br />
rame ed il ferro prenderebbero parte ai processi neuropatologici.<br />
A <strong>di</strong>mostrazione del loro ruolo, tutti questi metalli sono stati trovati a<br />
concentrazioni elevate nelle regioni neocorticali più suscettibili all’insulto primario<br />
del<strong>la</strong> MA. In queste regioni, infatti, questi elementi svolgerebbero un ruolo<br />
fisiologico. Il rame e lo zinco, ad esempio, vengono ri<strong>la</strong>sciati durante i processi <strong>di</strong><br />
neurotrasmissione. Lo zinco, in partico<strong>la</strong>re, depositato durante <strong>la</strong> neurotrasmissione,<br />
è in grado <strong>di</strong> indurre l’accumulo del<strong>la</strong> β-amiloide in modelli murini geneticamente<br />
mo<strong>di</strong>ficati per sviluppare <strong>la</strong> MA 42 . Poco è noto sul ruolo del rame extracellu<strong>la</strong>re<br />
nell’encefalo, ma stu<strong>di</strong> in vitro evidenziano che <strong>la</strong> deporalizzazione delle cellule<br />
nervose cerebrali causa liberazione <strong>di</strong> rame a concentrazioni micromo<strong>la</strong>ri 43 . Inoltre,<br />
molti <strong>la</strong>vori in<strong>di</strong>cano un ruolo cruciale del rame e del ferro nell’aggregazione del<strong>la</strong><br />
Aβ 44 . Proprio l’interazione del rame e del ferro con l’Aβ, sarebbe responsabile del<strong>la</strong><br />
tossicità del peptide in stu<strong>di</strong> effettuati su colture cellu<strong>la</strong>ri. Infatti, <strong>la</strong> Aβ catalizza <strong>la</strong><br />
produzione <strong>di</strong> perossido <strong>di</strong> idrogeno tramite riduzione <strong>di</strong> rame e ferro in un processo<br />
in cui si utilizza ossigeno e come substrati agenti biologici riduttivi come il<br />
colesterolo, <strong>la</strong> vitamina C e le cateco<strong>la</strong>mine.<br />
In accordo con queste evidenze, Bush et al. hanno ipotizzato che <strong>la</strong> Aβ e <strong>la</strong><br />
APP vengano alterate nelle loro funzioni biochimiche principali: <strong>la</strong> partecipazione<br />
all’omeostasi metallo ionica ed il controllo dei processi ossidativi metallo-me<strong>di</strong>ati 45 .
19<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
L’APP possiede, infatti, siti <strong>di</strong> legame per il rame e lo zinco nel suo ectodominio N-<br />
terminale, con i quali modu<strong>la</strong> l’adesività delle proteine ed il trasferimento del rame<br />
46 . L’eccezionale affinità dell’Aβ per il rame e <strong>la</strong> selettività dei siti <strong>di</strong> legame per il<br />
rame e lo zinco giustificano il suo fisiologico ruolo nel metabolismo degli ioni<br />
metallici. L’Aβ e <strong>la</strong> APP prenderebbero, quin<strong>di</strong>, anche parte ai normali processi <strong>di</strong><br />
omeostasi dei metalli 47 .<br />
Un incremento inevitabile <strong>di</strong> rame e ferro, età corre<strong>la</strong>to, a livello cerebrale,<br />
ipermetallerebbe il peptide Aβ, causando il processo catalitico <strong>di</strong> genesi del<br />
perossido <strong>di</strong> idrogeno, responsabile del<strong>la</strong> tossicità per autoossidazione dell’ Aβ.<br />
In questo senso, <strong>la</strong> più elevata incidenza del<strong>la</strong> patologia nel sesso femminile,<br />
potrebbe essere giustificata dal fatto che in questo sesso è costitutivamente più<br />
elevata l’attività del trasportatore sinaptico dello zinco.<br />
Recentemente, nel corso delle nostre indagini, anche noi abbiamo <strong>di</strong>mostrato<br />
come <strong>la</strong> concentrazione anche a livello periferico (nel siero e nel p<strong>la</strong>sma) dei metalli<br />
pesanti correli con alcune caratteristiche cliniche del<strong>la</strong> MA 48 e con le alterazioni<br />
neuropsicologiche 49 . Ciò potrebbe costituire l’evidenza che <strong>la</strong> MA sia un processo<br />
amiloidogenetico del sistema nervoso centrale (SNC) con ripercussioni sistemiche.<br />
Sul<strong>la</strong> base <strong>di</strong> queste recenti evidenze si stanno in<strong>di</strong>rizzando le nuove strategie<br />
terapeutiche con obiettivi patogenetici e non solo sintomatici. Infatti, attualmente gli<br />
unici farmaci <strong>di</strong>sponibili sul mercato per <strong>la</strong> MA sono rappresentati da prodotti come<br />
<strong>la</strong> memantina e gli inibitori delle colinesterasi, in grado <strong>di</strong> migliorare in alcuni casi i<br />
sintomi del<strong>la</strong> MA per tempi breve, ma non in grado <strong>di</strong> influenzare l’inesorabile<br />
decorso naturale del<strong>la</strong> ma<strong>la</strong>ttia.
20<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
I nuovi farmaci, in corso <strong>di</strong> stu<strong>di</strong>o clinico, che vengono progettati sul<strong>la</strong> base<br />
dell’ipotesi metallo biologica del<strong>la</strong> MA, includono composti, generalmente che<strong>la</strong>nti,<br />
che inter<strong>di</strong>cono il legame del<strong>la</strong> Aβ agli ioni metallici, riducendo, in tal modo,<br />
l’aggregazione amiloidea.<br />
Tuttavia, l’ipotesi del<strong>la</strong> cascata del<strong>la</strong> β-amiloide non è universalmente<br />
riconosciuta e, quin<strong>di</strong>, neanche <strong>la</strong> sua spiegazione metallo biologica. Un importante<br />
problema, inoltre, è dovuto al fatto che non è possibile formu<strong>la</strong>re una <strong>di</strong>agnosi <strong>di</strong><br />
certezza <strong>di</strong> MA, con gravi conseguenze sul piano terapeutico.
21<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
Problematiche <strong>di</strong>agnostiche e terapeutiche<br />
Attualmente sono in fase <strong>di</strong> revisione 50 gli attuali criteri <strong>di</strong>agnostici redatti per<br />
<strong>la</strong> <strong>di</strong>agnosi <strong>di</strong> MA, cioè i National Institute of Neurological and Comunicative<br />
Disorders and Stroke-Alzheimer’s Disease and Re<strong>la</strong>ted Disorders Association<br />
(NINCDS-ADRDA) Work Group criteria 51 e quelli proposti nel Diagnostic and<br />
Statistical Manual of Mental Disorders, 4th e<strong>di</strong>tion (DSM-IV) 52 in considerazione dei<br />
loro notevoli limiti dovuti non solo al<strong>la</strong> mutevolezza del<strong>la</strong> presentazione clinica del<strong>la</strong><br />
ma<strong>la</strong>ttia, ma soprattutto all’incerto inquadramento patogenetico del<strong>la</strong> patologia.<br />
Anche in conseguenza <strong>di</strong> ciò, e non solo per motivi meramente tecnici, le meto<strong>di</strong>che<br />
<strong>di</strong>agnostiche, fino ad oggi a <strong>di</strong>sposizione, non permettono <strong>di</strong> arrivare ad una <strong>di</strong>agnosi<br />
<strong>di</strong> certezza, fatto che può generare problemi <strong>di</strong> scelta terapeutica per il clinico.<br />
La <strong>di</strong>agnosi è, infatti, principalmente basata sul<strong>la</strong> valutazione neuropsicologica<br />
ed è tuttora fondamentale il ruolo del MMSE, strumento utilizzato da quasi quaranta<br />
anni.<br />
Le <strong>di</strong>fficoltà <strong>di</strong>vengono ancora maggiori in campo <strong>di</strong> <strong>di</strong>agnostica <strong>di</strong>fferenziale<br />
non solo con le altre forme <strong>di</strong> demenza degenerativa, come <strong>la</strong> demenza fronto-<br />
temporale (DFT) o <strong>la</strong> demenza a corpi <strong>di</strong> Lewy (DCL) 53 , ma anche con varie forme<br />
<strong>di</strong> demenza secondaria, soprattutto <strong>la</strong> demenza vasco<strong>la</strong>re.
22<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
La con<strong>di</strong>visione dei fattori <strong>di</strong> rischio, i quadri <strong>di</strong> neuroimmagini e altre<br />
problematiche cliniche e fisiopatologiche rendono, infatti, <strong>la</strong> MA <strong>di</strong>fficilmente<br />
<strong>di</strong>stinguibile dal<strong>la</strong> demenza vasco<strong>la</strong>re 54 .<br />
Un altro problema che contribuisce a creare <strong>di</strong>fficoltà <strong>di</strong>agnostiche è <strong>la</strong><br />
presenza <strong>di</strong> quadri clinici non c<strong>la</strong>ssificabili né come normali né come patologici: si<br />
tratta dei soggetti con un danno cognitivo iso<strong>la</strong>to o Mild Cognitive Impairment<br />
(MCI). Il concetto <strong>di</strong> MCI è <strong>di</strong>venuto, dunque, cruciale in questo campo <strong>di</strong> patologie.<br />
I primi criteri <strong>di</strong>agnostici per il MCI formu<strong>la</strong>ti da Petersen 55 descrivevano <strong>la</strong> presenza<br />
<strong>di</strong> un <strong>di</strong>sturbo <strong>di</strong> memoria iso<strong>la</strong>to in assenza <strong>di</strong> compromissione delle attività<br />
funzionali. Successivamente, il MCI è stato c<strong>la</strong>ssificato in quattro sottotipi sul<strong>la</strong> base<br />
dei deficit cognitivi presenti: amnestic-MCI/not amnestic-MCI e single/multiple<br />
domain 56 . Questa c<strong>la</strong>ssificazione non è puramente aneddotica, ma è importante ai fini<br />
<strong>di</strong> una <strong>di</strong>agnosi precoce <strong>di</strong> una con<strong>di</strong>zione dementigena. Infatti, il MCI è spesso il<br />
primo sta<strong>di</strong>o clinico verso <strong>la</strong> trasformazione in demenza conc<strong>la</strong>mata con un tasso <strong>di</strong><br />
conversione annuo del 12% 57 . Stu<strong>di</strong> più recenti, inoltre, suggeriscono che <strong>la</strong><br />
conversione vari sia in base al<strong>la</strong> gravità che al tipo <strong>di</strong> deficit cognitivo. Il <strong>di</strong>sturbo<br />
del<strong>la</strong> memoria episo<strong>di</strong>ca, quin<strong>di</strong> l'amnestic MCI, sembra rappresentare una<br />
con<strong>di</strong>zione <strong>di</strong> maggiore probabilità <strong>di</strong> progressione a MA. Di contro i restanti<br />
sottotipi clinici che enfatizzano <strong>la</strong> presenza <strong>di</strong> deficit in domini cognitivi <strong>di</strong>versi dal<strong>la</strong><br />
memoria, come ad esempio linguaggio, funzioni esecutive ed abilità visuo-spaziali,<br />
hanno una maggiore probabilità <strong>di</strong> progre<strong>di</strong>re verso forme <strong>di</strong> demenza <strong>di</strong>verse dal<strong>la</strong><br />
MA, come ad esempio <strong>la</strong> DFT e <strong>la</strong> DCL.
23<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
Un grosso contributo in senso <strong>di</strong>agnostico è stato l’in<strong>di</strong>viduazione <strong>di</strong> marker<br />
liquorali specifici che possono essere usati per <strong>di</strong>stinguere <strong>di</strong>versi tipi <strong>di</strong> demenza.<br />
proteina .<br />
Si basa sul<strong>la</strong> ricerca delle due proteine alterate nel<strong>la</strong> MA: <strong>la</strong> beta amiloide e <strong>la</strong><br />
Sfortunatamente <strong>la</strong> meto<strong>di</strong>ca invasiva <strong>di</strong> prelievo e <strong>la</strong> non assoluta specificità<br />
dell’esame, lo rendono piuttosto scomodo da utilizzare soprattutto in una<br />
popo<strong>la</strong>zione prevalentemente anziana.<br />
Come già detto, però, il miglioramento delle meto<strong>di</strong>che <strong>di</strong>agnostiche sarebbe,<br />
senza dubbio, un ausilio importante per lo sviluppo <strong>di</strong> nuove terapie per <strong>la</strong> MA.<br />
Attualmente, infatti, sono proprio le incertezze patogenetiche e le <strong>di</strong>fficoltà<br />
<strong>di</strong>agnostiche a limitare <strong>la</strong> ricerca <strong>di</strong> nuovi farmaci. Le ripercussioni sono enormi: si<br />
riba<strong>di</strong>sce che, ad oggi, gli inibitori delle colinesterasi e <strong>la</strong> memantina, farmaci<br />
esclusivamente sintomatici, rappresentano ancora l’unica arma contro questa forma<br />
<strong>di</strong> demenza.<br />
La RM non convenzionale si pone attualmente come <strong>la</strong> meto<strong>di</strong>ca<br />
d’avanguar<strong>di</strong>a per l’attuazione del miglioramento <strong>di</strong>agnostico.<br />
Stu<strong>di</strong> effettuati negli ultimi anni, tramite RM non convenzionale, hanno<br />
permesso lo stu<strong>di</strong>o dei <strong>di</strong>sturbi cognitivi in pazienti affetti da patologie neurologiche<br />
<strong>di</strong>verse dal<strong>la</strong> ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer 9 .<br />
Recentissimi stu<strong>di</strong> <strong>di</strong> corre<strong>la</strong>zione tra dati morfologico-strutturali cerebrali <strong>di</strong><br />
RM e dati <strong>di</strong> analisi delle connessioni con trattografia 58 hanno <strong>di</strong>mostrato che le due<br />
meto<strong>di</strong>che combinate possono contribuire al miglioramento del<strong>la</strong> <strong>di</strong>agnosi.
24<br />
La Ma<strong>la</strong>ttia <strong>di</strong> Alzheimer<br />
Infatti, le tecniche <strong>di</strong> trattografia sono state recentemente utilizzate con<br />
ottimi risultati per <strong>di</strong>fferenziare <strong>la</strong> AD dal MCI 59 , mentre le meto<strong>di</strong>che <strong>di</strong><br />
misurazione dello spessore corticale regionale per <strong>di</strong>fferenziare <strong>la</strong> AD da altre<br />
forme <strong>di</strong> demenza 60 . Non sono invece state utilizzate tecniche non convenzionali<br />
combinate <strong>di</strong> analisi morfologico-strutturale, spettroscopica e <strong>di</strong> dati ottenuti da<br />
meto<strong>di</strong>che <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione.
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
LA RISONANZA MAGNETICA NON<br />
CONVENZIONALE<br />
Il ruolo del<strong>la</strong> <strong>di</strong>agnostica per immagini nello stu<strong>di</strong>o delle demenze è sempre<br />
più determinante sia grazie al<strong>la</strong> sua sempre maggiore rilevanza in ambito <strong>di</strong><br />
<strong>di</strong>agnostica <strong>di</strong>fferenziale sia grazie allo sviluppo <strong>di</strong> tecniche non convenzionali <strong>di</strong><br />
RM, quali stu<strong>di</strong> morfometrici, <strong>di</strong> spettroscopia, <strong>di</strong> perfusione e <strong>di</strong> RM funzionale, in<br />
grado <strong>di</strong> quantificare <strong>la</strong> connettività cerebrale e l’evoluzione del<strong>la</strong> ma<strong>la</strong>ttia.<br />
Nello stu<strong>di</strong>o delle demenze, infatti, le tecniche <strong>di</strong> neuroimmagini, oltre al loro<br />
noto ruolo nel<strong>la</strong> <strong>di</strong>agnosi <strong>di</strong>fferenziale, si pongono i seguenti obbiettivi:<br />
1. <strong>di</strong>agnosi precoce o preclinica;<br />
2. quantificazione del<strong>la</strong> progressione <strong>di</strong> ma<strong>la</strong>ttia e dell’efficacia terapeutica.<br />
Come noto, <strong>la</strong> <strong>di</strong>agnosi <strong>di</strong>fferenziale tra demenza primitiva e secondaria, può<br />
essere raggiunta me<strong>di</strong>ante le tecniche convenzionali. Queste tecniche <strong>di</strong><br />
neuroimaging non permettono tuttavia <strong>di</strong> <strong>di</strong>stinguere, in base ai soli dati morfologici,<br />
le <strong>di</strong>fferenti ma<strong>la</strong>ttie neurodegenerative primitive a causa del<strong>la</strong> scarsa specificità.<br />
Gli obbiettivi in<strong>di</strong>cati ai suddetti punti, inoltre, non sono stati ancora raggiunti<br />
per insufficiente sensibilità delle tecniche <strong>di</strong>agnostiche. Infatti, <strong>la</strong> <strong>di</strong>agnostica per<br />
immagini ha fornito risultati incoraggianti, ma ancora insufficienti per ciò che<br />
concerne <strong>la</strong> <strong>di</strong>agnosi preclinica. La quantificazione del<strong>la</strong> progressione del<strong>la</strong> ma<strong>la</strong>ttia<br />
25
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
e dell’efficacia terapeutica rappresenta poi un obbiettivo ambizioso e anch’esso ben<br />
lontano dall’essere raggiunto.<br />
Le principali tecniche <strong>di</strong> neuroimmagini attualmente utilizzate per lo stu<strong>di</strong>o del<br />
paziente con demenza sono:<br />
<strong>la</strong> tomografia computerizzata, che fornisce una stima dell’entità dell’atrofia<br />
cerebrale e l’eventuale presenza <strong>di</strong> una patologia vasco<strong>la</strong>re, tumorale o<br />
idrocefalica. L’utilizzo del mezzo <strong>di</strong> contrasto non è necessario, salvo il<br />
riscontro <strong>di</strong> altre patologie che lo richiedano, e in questo ultimo caso, a meno<br />
<strong>di</strong> una controin<strong>di</strong>cazione specifica, risulta in<strong>di</strong>cato l’esame <strong>di</strong> RM;<br />
<strong>la</strong> RM, con tecniche convenzionali o con tecniche non convenzionali,<br />
me<strong>di</strong>ante <strong>la</strong> quale sono possibili, oltre al<strong>la</strong> valutazione dell’atrofia cerebrale e<br />
<strong>la</strong> presenza <strong>di</strong> altre patologie, anche <strong>la</strong> quantificazione <strong>di</strong> alcuni in<strong>di</strong>catori<br />
microstrutturale metabolici e funzionali dell’attività cerebrale. La RM è<br />
attualmente considerata l’esame <strong>di</strong> riferimento per lo stu<strong>di</strong>o del sistema<br />
nervoso.<br />
Ciascuna tecnica <strong>di</strong> <strong>di</strong>agnostica per immagini permette <strong>di</strong> valutare, con sensibilità<br />
e specificità <strong>di</strong>fferenti, gli aspetti morfologici, microstrutturali, metabolici e<br />
funzionali del SNC.<br />
26
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
La RM rappresenta il sistema <strong>di</strong> neuroimaging gold standard per lo stu<strong>di</strong>o del<br />
SNC e delle demenze. Le tecniche <strong>di</strong> RM trovano <strong>la</strong> loro in<strong>di</strong>cazione a seconda del<br />
partico<strong>la</strong>re aspetto patologico che si vuole stu<strong>di</strong>are.<br />
È possibile <strong>di</strong>stinguere le tecniche <strong>di</strong> RM in convenzionali, per lo stu<strong>di</strong>o<br />
morfologico dell’encefalo, e non convenzionali, che richiedono e<strong>la</strong>borazioni<br />
successive e comunemente non effettuate nel<strong>la</strong> routine clinica. Tra le tecniche non<br />
convenzionali si annoverano:<br />
<strong>la</strong> tecnica <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione, basata sull’abbattimento, nelle sequenze eco p<strong>la</strong>nari,<br />
del segnale provocato dal<strong>la</strong> migrazione delle molecole <strong>di</strong> acqua, che<br />
spostandosi da un punto ad un altro dello spazio, portano in esse <strong>la</strong><br />
magnetizzazione e <strong>la</strong> fase acquisite. La <strong>di</strong>ffusione è rallentata dalle strutture<br />
anatomiche microscopiche normali ed è alterata in molti processi patologici,<br />
in partico<strong>la</strong>re in occasione <strong>di</strong> alterazioni infiammatorie, <strong>di</strong> insorgenza <strong>di</strong><br />
edema citotossico e vasogenico, o <strong>di</strong> variazioni del<strong>la</strong> cellu<strong>la</strong>rità o<br />
dell’ampiezza dell’interstizio del parenchima encefalico;<br />
<strong>la</strong> tecnica dell’imaging del tensore <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione: l’anatomia microscopica<br />
del SNC comporta una prevalenza del<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione lungo <strong>la</strong> <strong>di</strong>rezione <strong>di</strong><br />
decorso dei fasci <strong>di</strong> fibre nervose. Con <strong>la</strong> tecnica dell’imaging del tensore<br />
del<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione è possibile rappresentare l’anisotropia del<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione delle<br />
molecole <strong>di</strong> acqua, dal<strong>la</strong> quale è possibile desumere il decorso delle fibre<br />
nervose. Il decorso delle fibre nervose può essere stimato con tecniche locali<br />
deterministiche o con più sofisticate tecniche probabilistiche che permettono<br />
27
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
<strong>di</strong> stimare <strong>la</strong> probabilità del<strong>la</strong> connessione tra due aree cerebrali anche a<br />
partire dal<strong>la</strong> sostanza grigia;<br />
<strong>la</strong> perfusione con RM, basata sul<strong>la</strong> stima dell’apporto ematico nel<br />
parenchima encefalico me<strong>di</strong>ante <strong>la</strong> misurazione del segnale durante il<br />
passaggio <strong>di</strong> un bolo <strong>di</strong> mezzo <strong>di</strong> contrasto o <strong>di</strong> sangue con partico<strong>la</strong>re<br />
magnetizzazione;<br />
<strong>la</strong> spettroscopia in RM (MRS. acronimo inglese per Magnetic Resonance<br />
Spectroscopy) che permette <strong>di</strong> documentare i livelli <strong>di</strong> alcuni metaboliti<br />
presenti nel SNC. Essa si fonda sul<strong>la</strong> minima <strong>di</strong>fferenza nel<strong>la</strong> frequenza <strong>di</strong><br />
precessione dei protoni dei metaboliti (chemical shift), dovuta al<strong>la</strong> reciproca<br />
influenza dei gruppi chimici in essi presenti;<br />
<strong>la</strong> RM funzionale che permette <strong>di</strong> documentare l’attivazione corticale a<br />
seguito <strong>di</strong> uno stimolo o <strong>di</strong> un esercizio co<strong>di</strong>ficato. La tecnica maggiormente<br />
utilizzata consiste nel monitorare i cambiamenti nel livello <strong>di</strong> ossigenazione<br />
del sangue, assumendo che durante l’attività neuronale vi sia un aumentato<br />
apporto <strong>di</strong> ossigeno ed una conseguente maggiore presenza <strong>di</strong><br />
ossiemoglobina, che presenta proprietà amagnetiche, rispetto al<strong>la</strong><br />
desossiemoglobina dalle proprietà paramagnetiche;<br />
<strong>la</strong> valutazione degli spessori, dei volumi e delle superfici cerebrali tramite<br />
analisi post-processamento <strong>di</strong> immagini <strong>di</strong> RM strutturale, utilizzando<br />
programmi informatici quali FreeSurfer<br />
(http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/) 61 62 63 .<br />
28
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
I vantaggi delle tecniche non convenzionali <strong>di</strong> RM nello stu<strong>di</strong>o del<strong>la</strong> AD<br />
possono essere:<br />
valutare i segni precoci del<strong>la</strong> degenerazione neuronale osservando le<br />
alterazioni precoci, biochimiche e microstrutturali, me<strong>di</strong>ante analisi<br />
metaboliche e del tensore;<br />
verificare le variazioni del<strong>la</strong> connettività delle aree corticali;<br />
quantificare <strong>la</strong> degenerazione corticale e sottocorticale me<strong>di</strong>ante tecniche<br />
combinate <strong>di</strong> imaging postprocessing;<br />
valutare l’effetto <strong>di</strong> trattamenti farmacologici sui parametri <strong>di</strong> RM, con<br />
corre<strong>la</strong>zione del<strong>la</strong> risposta clinica e quantificazione <strong>di</strong> questi effetti.<br />
29
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
Le tecniche <strong>di</strong> RM non convenzionale utilizzate<br />
in questo stu<strong>di</strong>o<br />
Analisi postprocessamento <strong>di</strong> immagini <strong>di</strong> RM in <strong>di</strong>ffusione<br />
La <strong>di</strong>ffusione è un parametro utilizzato in risonanza magnetica per<br />
produrre immagini basate sui movimenti microscopici delle molecole <strong>di</strong> acqua.<br />
Le immagini pesate in <strong>di</strong>ffusione (o DWI, acronimo inglese per <strong>di</strong>ffusion weighted<br />
imaging) evidenziano le variazioni del<strong>la</strong> mobilità dei protoni dell'acqua in un tessuto<br />
biologico.<br />
L’imaging <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione con Risonanza Magnetica (RM) rappresenta l’unica<br />
modalità <strong>di</strong> stu<strong>di</strong>o in cui il contrasto <strong>di</strong>pende dal movimento <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione delle<br />
molecole. Esistono due modalità <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione: isotropica e anisotropica. La<br />
<strong>di</strong>ffusione isotropica è quel<strong>la</strong> non <strong>di</strong>pendente dal<strong>la</strong> <strong>di</strong>rezione nello spazio, quin<strong>di</strong><br />
casuale, mentre <strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione anisotropica è tipica dei tessuti biologici perché <strong>la</strong><br />
presenza <strong>di</strong> cellule impe<strong>di</strong>sce il movimento casuale delle molecole costringendole<br />
lungo <strong>di</strong>rezioni partico<strong>la</strong>ri. La <strong>di</strong>ffusione anisotropica, <strong>di</strong>pendendo anche dal<strong>la</strong><br />
presenza delle guaine mieliniche, fornisce informazioni circa l’orientamento, le<br />
<strong>di</strong>mensioni e <strong>la</strong> geometria delle strutture encefaliche. In generale, già in con<strong>di</strong>zioni<br />
normali <strong>la</strong> componente cellu<strong>la</strong>re del SNC “costringe” il movimento delle molecole<br />
d’acqua determinando in tal modo una riduzione del coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione<br />
apparente (Apparent Diffusion Coefficient o ADC). Di contro le varie patologie del<br />
30
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
SNC che mo<strong>di</strong>ficano l’integrità tissutale, rimuovendo alcune <strong>di</strong> queste “barriere”<br />
cellu<strong>la</strong>ri, sono responsabili <strong>di</strong> un’alterazione dei valori <strong>di</strong> ADC, che incrementano,<br />
ma soprattutto del<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione anisotropica che è sicuramente più sensibile al<strong>la</strong><br />
microstruttura tissutale.<br />
La <strong>di</strong>ffusione è <strong>la</strong> migrazione <strong>di</strong> molecole o piccole particelle dovuta al moto<br />
causato dall'energia termica. Normalmente ci si riferisce al<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione <strong>di</strong> un soluto<br />
in un solvente (ad es. acqua in zucchero) in presenza <strong>di</strong> un gra<strong>di</strong>ente <strong>di</strong><br />
concentrazione del soluto.<br />
Per descrivere il fenomeno del<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione vengono utilizzate generalmente<br />
le leggi <strong>di</strong> Fick. Secondo <strong>la</strong> prima legge <strong>di</strong> Fick, il flusso del soluto in una partico<strong>la</strong>re<br />
<strong>di</strong>rezione è <strong>di</strong>rettamente proporzionale al gra<strong>di</strong>ente <strong>di</strong> concentrazione attraverso una<br />
costante <strong>di</strong> proporzionalità D, detta coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione. D <strong>di</strong>pende dal<strong>la</strong><br />
temperatura, dal<strong>la</strong> viscosità del mezzo e dal peso moleco<strong>la</strong>re del<strong>la</strong> moleco<strong>la</strong><br />
<strong>di</strong>ffondente. Dal<strong>la</strong> prima legge <strong>di</strong> Fick consegue che quando il soluto è<br />
uniformemente <strong>di</strong>stribuito (gra<strong>di</strong>ente <strong>di</strong> concentrazione = 0) il flusso netto è nullo.<br />
Questo accade anche in caso <strong>di</strong> solvente puro: le molecole del solvente sono<br />
<strong>di</strong>stribuite uniformemente e appaiono macroscopicamente in stasi. Ciò non vuol <strong>di</strong>re<br />
che le singole molecole siano immobili ma semplicemente che, in me<strong>di</strong>a, <strong>la</strong> somma<br />
vettoriale dei loro spostamenti è uguale a zero. In altre parole <strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione è un<br />
fenomeno che avviene anche in assenza <strong>di</strong> gra<strong>di</strong>enti <strong>di</strong> concentrazione. Per<br />
visualizzare questo processo <strong>di</strong> “auto <strong>di</strong>ffusione”, possiamo pensare ad un volume<br />
d’acqua pure al quale aggiungiamo in un punto specifico una picco<strong>la</strong> quantità <strong>di</strong><br />
31
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
acqua marcata con trizio,un isotopo ra<strong>di</strong>oattivo dell’idrogeno. Col passare del tempo<br />
<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>oattività non sarà più concentrata nel punto <strong>di</strong> inoculo ma si sarà <strong>di</strong>stribuita<br />
nell’intero volume. In pratica, le molecole <strong>di</strong> acqua triziata si saranno mosse<br />
all’interno del fluido senza alcuno spostamento macroscopico del fluido stesso.<br />
Questo è esattamente quello che accade all’acqua nei tessuti biologici.<br />
Per stu<strong>di</strong>are questo fenomeno <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione, in assenza <strong>di</strong> gra<strong>di</strong>enti <strong>di</strong><br />
concentrazione, le leggi <strong>di</strong> Fick non sono applicabili e quin<strong>di</strong> conviene ricavare il<br />
valore <strong>di</strong> D con un approccio <strong>di</strong> tipo probabilistico. La <strong>di</strong>stribuzione statistica degli<br />
spostamenti delle molecole, per effetto del<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione, in un intervallo <strong>di</strong> tempo t,<br />
ha un profilo gaussiano con me<strong>di</strong>a uguale a zero e varianza data dal<strong>la</strong> seguente<br />
re<strong>la</strong>zione (equazione <strong>di</strong> Einstein):<br />
(1a) = 2Dt in una <strong>di</strong>mensione<br />
(1b) = 6Dt in tre <strong>di</strong>mensioni<br />
Ovvero:<br />
(2a) |r| = ½ = (2Dt) ½ in una <strong>di</strong>mensione<br />
(2b) |r| = ½ = (6Dt) ½<br />
32<br />
in tre <strong>di</strong>mensioni<br />
dove |r| è <strong>la</strong> deviazione standard del<strong>la</strong> <strong>di</strong>stanza percorsa dalle molecole. Questa<br />
re<strong>la</strong>zione permette <strong>di</strong> <strong>di</strong>re che per molecole libere <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffondere, <strong>la</strong> <strong>di</strong>stanza percorsa<br />
è una funzione lineare del<strong>la</strong> ra<strong>di</strong>ce quadrata del tempo <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione e che <strong>la</strong> costante
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
<strong>di</strong> proporzionalità che mette in re<strong>la</strong>zione queste due grandezze è una funzione <strong>di</strong> D.<br />
Ne consegue che, se siamo in grado <strong>di</strong> conoscere r per un determinato tempo<br />
<strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione, possiamo calco<strong>la</strong>re D. Questa è <strong>la</strong> re<strong>la</strong>zione fondamentale che permette<br />
<strong>di</strong> misurare il coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione dell’acqua nei tessuti biologici.<br />
Nel 1954, Carr e Purcell notarono per <strong>la</strong> prima volta che il segnale RM poteva<br />
essere influenzato dal<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione delle molecole 64 . Questa scoperta è in qualche<br />
modo sorprendente perché i meto<strong>di</strong> per misurare <strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione si basano sull’utilizzo<br />
<strong>di</strong> gra<strong>di</strong>enti <strong>di</strong> campo magnetico (G), prodotti dalle bobine che non erano presenti<br />
nei magneti usati da Carr e Purcell. Di fatto, Carr e Purcell avevano un magnete così<br />
inomogeneo da avere un gra<strong>di</strong>ente <strong>di</strong> campo magnetico costante <strong>di</strong> circa 1 Gauss/cm.<br />
Se il loro magnete fosse stato <strong>di</strong> migliore qualità, forse questi pionieri del<strong>la</strong> RM non<br />
avrebbero avuto gli elementi necessari per giungere a questa scoperta. Per<br />
comprendere come sia possibile misurare <strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione attraverso l’uso <strong>di</strong> gra<strong>di</strong>enti <strong>di</strong><br />
campo magnetico occorre valutare <strong>la</strong> mo<strong>di</strong>ficazione <strong>di</strong> fase degli spin in presenza <strong>di</strong><br />
gra<strong>di</strong>enti. La frequenza <strong>di</strong> precessione degli spin è <strong>di</strong>rettamente proporzionale<br />
all’intensità del campo, per cui, se il campo magnetico è uniforme, tutti gli spin<br />
avranno <strong>la</strong> stessa frequenza <strong>di</strong> precessione. Applicando un gra<strong>di</strong>ente <strong>di</strong> campo<br />
magnetico in una certa <strong>di</strong>rezione d si ottiene una variazione nello spazio del campo<br />
che produce una <strong>di</strong>versa frequenza <strong>di</strong> precessione degli spin in <strong>di</strong>verse posizioni x (d)<br />
lungo <strong>la</strong> <strong>di</strong>rezione <strong>di</strong> applicazione del gra<strong>di</strong>ente. La fase Φ accumu<strong>la</strong>ta dagli spin in<br />
seguito all’applicazione <strong>di</strong> un gra<strong>di</strong>ente <strong>di</strong> intensità costante G e <strong>di</strong> durata δ è una<br />
funzione del<strong>la</strong> posizione x ed è data dal<strong>la</strong> re<strong>la</strong>zione:<br />
33
(3) x) = γ G δ x assumendo Φ(x = 0)=0<br />
dove γ è <strong>la</strong> costante giromagnetica del protone.<br />
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
Se applichiamo due gra<strong>di</strong>enti <strong>di</strong> uguale intensità e durata ma <strong>di</strong> segno opposto<br />
separati da un intervallo <strong>di</strong> tempo ∆, <strong>la</strong> fase accumu<strong>la</strong>ta dagli spin originariamente in<br />
posizione x al momento dell’applicazione del primo gra<strong>di</strong>ente e, spostati dal<strong>la</strong><br />
posizione x, al momento dell’applicazione del secondo gra<strong>di</strong>ente sarà:<br />
(4) Φ = γ G δ ( xi – xf )<br />
Ve<strong>di</strong>amo quin<strong>di</strong> che <strong>la</strong> fase <strong>di</strong>penderà dallo spostamento (xi – xf) degli spin<br />
nell’intervallo <strong>di</strong> tempo ∆. Per spin statici l’applicazione dei due gra<strong>di</strong>enti non ha<br />
alcun effetto, infatti se xi = xf dal<strong>la</strong> (4) risulta che Φ =0. Se gli spin si sono spostati<br />
dal<strong>la</strong> medesima <strong>di</strong>stanza in modo coerente, come avviene quando abbiamo un flusso<br />
or<strong>di</strong>nato, vi è una identica variazione <strong>di</strong> fase per tutti gli spin con mantenimento del<strong>la</strong><br />
coerenza <strong>di</strong> fase e nessuna per<strong>di</strong>ta <strong>di</strong> segnale. Su questa variazione <strong>di</strong> fase in<br />
presenza <strong>di</strong> movimento coerente si basa una delle tecniche <strong>di</strong> angiografia in RM.<br />
Infine, se lo spostamento avviene in maniera casuale e <strong>di</strong>sor<strong>di</strong>nata, come nel caso del<br />
moto associato al<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione, le variazioni <strong>di</strong> fase sono <strong>di</strong>verse per i vari spin, vi è<br />
per<strong>di</strong>ta <strong>di</strong> coerenza <strong>di</strong> fase e conseguente <strong>di</strong>minuzione del segnale. È importante<br />
sottolineare che <strong>la</strong> per<strong>di</strong>ta <strong>di</strong> segnale è tanto maggiore quanto maggiore è lo<br />
spostamento nell’intervallo <strong>di</strong> tempo ∆ e poiché <strong>la</strong> (2) ci <strong>di</strong>ce che lo spostamento in<br />
un dato intervallo <strong>di</strong> tempo <strong>di</strong>pende da D, possiamo concludere che <strong>la</strong> per<strong>di</strong>ta <strong>di</strong><br />
34
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
segnale sarà influenzata dal valore <strong>di</strong> D e so<strong>la</strong>mente dal valore <strong>di</strong> D. In partico<strong>la</strong>re si<br />
può <strong>di</strong>mostrare che <strong>la</strong> per<strong>di</strong>ta <strong>di</strong> segnale è una funzione esponenziale <strong>di</strong> D:<br />
(5) S(b)=S(b=0)e -bD<br />
Dove S(b) è il segnale in presenza dei gra<strong>di</strong>enti sensibilizzati al<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione, S(b=0) è il<br />
segnale in assenza <strong>di</strong> gra<strong>di</strong>enti sensibilizzati al<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione e b è un fattore che<br />
<strong>di</strong>pende dallo schema <strong>di</strong> applicazione dei gra<strong>di</strong>enti usato in una partico<strong>la</strong>re sequenza.<br />
Nel<strong>la</strong> figura 9 (a) è mostrato lo schema originariamente proposto da Stejskal e<br />
Tanner 65 per una sequenza spin-echo in cui due gra<strong>di</strong>enti identici sono applicati ai<br />
<strong>la</strong>ti dell’impulso a 180°.<br />
Figura 9 (a): Schema originariamente proposto da Stejskal e Tanner per<br />
sensibilizzare al<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione il segnale <strong>di</strong> una sequenza spin-echo. Due<br />
gra<strong>di</strong>enti <strong>di</strong> elevata intensità sono applicati ai <strong>la</strong>ti dell’impulso a 180°.<br />
Figura 9 (a): Figura 9 (b): Utilizzando una sequenza STEAM (STimu<strong>la</strong>ted<br />
Echo Acquisition Mode) è possibile intercettare il tempo <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione<br />
mantenendo un TE ragionevolmente breve.<br />
35
In questo caso b risulta essere:<br />
(6) b = γ² G² δ² (Δ - δ/3)<br />
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
La <strong>di</strong>pendenza del fattore b dal quadrato dell’intensità del gra<strong>di</strong>ente fa capire che il<br />
poter <strong>di</strong>sporre <strong>di</strong> un apparecchio RM che sia in grado <strong>di</strong> fornire gra<strong>di</strong>enti <strong>di</strong> elevata<br />
intensità sia un requisito fondamentale per acquisire immagini pesate in <strong>di</strong>ffusione.<br />
Fino a non molto tempo fa <strong>la</strong> massima intensità <strong>di</strong> gra<strong>di</strong>enti in apparecchi per uso<br />
clinico era <strong>di</strong> 1 Gauss/cm. Magneti con gra<strong>di</strong>enti così deboli, non riuscivano a fornire<br />
immagini con un sod<strong>di</strong>sfacente livello <strong>di</strong> sensibilizzazione al<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione anche se<br />
erano dotati <strong>di</strong> una sequenza per l’acquisizione <strong>di</strong> immagini pesate in <strong>di</strong>ffusione.<br />
Dal<strong>la</strong> (6) ve<strong>di</strong>amo che, se si <strong>di</strong>spone <strong>di</strong> gra<strong>di</strong>enti <strong>di</strong> debole intensità, si può tentare <strong>di</strong><br />
aumentare b incrementando sia <strong>la</strong> durata del gra<strong>di</strong>ente δ sia <strong>la</strong> durata dell’intervallo<br />
Δ. Il problema è che ogni incremento <strong>di</strong> δ o Δ comporta un allungamento del TE, e<br />
quin<strong>di</strong> il fattore limitante <strong>di</strong>venta il ri<strong>la</strong>ssamento T2. E' facilmente preve<strong>di</strong>bile che, se<br />
siamo costretti a <strong>la</strong>vorare con TE <strong>di</strong> 150-200 ms al fine <strong>di</strong> ottenere un adeguato peso<br />
in <strong>di</strong>ffusione, le immagini prodotte saranno <strong>di</strong> scarsa qualità. In pratica, per ovviare a<br />
questo inconveniente, tutti i centri che hanno attuato <strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusion imaging con<br />
magneti con gra<strong>di</strong>enti deboli hanno utilizzato una sequenza STEAM (STtimu<strong>la</strong>ted<br />
Echo Aquisisition Mode) che è schematizzata nel<strong>la</strong> figura 9 (b). La sequenza<br />
STEAM <strong>di</strong>fferisce da una sequenza spin-echo (SE) per il fatto che l’impulso a 180° è<br />
costituito da 2 impulsi a 90°. Questo comporta che nel periodo fra il secondo e terzo<br />
impulso, metà del<strong>la</strong> magnetizzazione è immagazzinata come magnetizzazione<br />
longitu<strong>di</strong>nale che quin<strong>di</strong> decade con una costante <strong>di</strong> tempo T1. Poiché nei tessuti T1<br />
36
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
è molto più lungo <strong>di</strong> T2, è possibile ottenere Δ molto più lunghi senza eccessivo<br />
deca<strong>di</strong>mento del segnale. Il prezzo che si paga è che solo <strong>la</strong> metà del<strong>la</strong><br />
magnetizzazione è utilizzabile per produrre l’eco, e quin<strong>di</strong> il rapporto segnale/rumore<br />
è esattamente metà <strong>di</strong> quello che avremmo con una sequenza spin-echo con uguale<br />
TE.<br />
Abbiamo visto precedentemente che, per molecole libere <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffondere, il<br />
coefficiente D è in<strong>di</strong>pendente dal tempo <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione Δ ma <strong>di</strong>pende so<strong>la</strong>mente dal<strong>la</strong><br />
temperatura e dal peso moleco<strong>la</strong>re. Il coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione dell’acqua “libera” a<br />
37°C è = 3,2* 10 ³ mm²/sec, ed il suo valore, è inoltre “isotropico”, cioè<br />
in<strong>di</strong>pendente dal<strong>la</strong> <strong>di</strong>rezione in cui si effettua <strong>la</strong> misura. Considerando molecole<br />
d’acqua in tessuti biologici occorre valutare altri fattori che possono mo<strong>di</strong>ficarne <strong>la</strong><br />
<strong>di</strong>ffusione. Uno <strong>di</strong> questi è <strong>la</strong> presenza <strong>di</strong> macromolecole che tendono a legare<br />
debolmente una certa percentuale dell’acqua tissutale riducendone <strong>la</strong> mobilità. Dal<strong>la</strong><br />
conseguente <strong>di</strong>minuzione <strong>di</strong> D si potrebbe in teoria stimare <strong>la</strong> concentrazione <strong>di</strong><br />
macromolecole nel tessuto ed avere informazioni sulle loro <strong>di</strong>mensioni. Un altro<br />
fattore rilevante è <strong>la</strong> presenza <strong>di</strong> barriere biologiche (membrane cellu<strong>la</strong>ri,<br />
mitocondriali, guaine mieliniche ecc.) che limitano <strong>la</strong> possibilità <strong>di</strong> libera <strong>di</strong>ffusione.<br />
Stu<strong>di</strong>ando lo spostamento delle molecole per <strong>di</strong>stanze sia molto brevi che più lunghe<br />
delle <strong>di</strong>mensioni cellu<strong>la</strong>ri, si possono ottenere informazioni sul<strong>la</strong> mobilità dell’acqua<br />
intracellu<strong>la</strong>re e sul<strong>la</strong> permeabilità delle membrane. Questo si può ottenere con <strong>la</strong> RM<br />
acquisendo dati con <strong>di</strong>fferenti intervalli <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione Δ. Infatti, per Δ <strong>di</strong> breve durata<br />
(inferiori a 1-2 ms), poche molecole si saranno spostate abbastanza da venire in<br />
contatto con <strong>la</strong> membrana limitante del<strong>la</strong> cellu<strong>la</strong> ed il valore <strong>di</strong> D sarà quello proprio<br />
37
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
dei compartimenti intra ed extracellu<strong>la</strong>re nel<strong>la</strong> assunzione <strong>di</strong> libera <strong>di</strong>ffusione. Al<br />
contrario, per tempi <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione lunghi, <strong>la</strong> maggior parte delle molecole avrà dovuto<br />
attraversare <strong>la</strong> membrana cellu<strong>la</strong>re e il valore <strong>di</strong> D ci apparirà ridotto (<strong>di</strong>ffusione<br />
“ristretta”) in funzione del<strong>la</strong> permeabilità <strong>di</strong> membrana. E da notare inoltre che <strong>la</strong><br />
<strong>di</strong>stanza associata al<strong>la</strong> transizione fra regime <strong>di</strong> libera <strong>di</strong>ffusione a quello <strong>di</strong><br />
<strong>di</strong>ffusione “ristretta” ci fornisce informazioni sulle <strong>di</strong>mensioni cellu<strong>la</strong>ri. La<br />
valutazione del grado <strong>di</strong> “restrizione” al<strong>la</strong> libera <strong>di</strong>ffusione esercitato dalle<br />
membrane delle cellule in vivo è però <strong>di</strong> <strong>di</strong>fficile realizzazione usando comuni<br />
apparecchi <strong>di</strong> RM, perché per le misurazioni <strong>di</strong> D con tempi <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione molto corti<br />
occorrono gra<strong>di</strong>enti molto elevati come osservabile nell'eq. (6). Un altro effetto<br />
dovuto al<strong>la</strong> presenza <strong>di</strong> membrane è che il valore <strong>di</strong> D per partico<strong>la</strong>ri strutture, quali<br />
le fibre nervose e musco<strong>la</strong>ri, risulta “anisotropico”, cioè <strong>di</strong>pendente dal<strong>la</strong> <strong>di</strong>rezione in<br />
cui esso viene misurato. Ad esempio, il coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione dell’acqua misurato<br />
nel<strong>la</strong> sostanza bianca in <strong>di</strong>rezione paralle<strong>la</strong> alle fibre è 1.2 * 10 ³ mm²/sec; 3 volte<br />
più alto <strong>di</strong> quello che si rileva con misurazioni effettuate in <strong>di</strong>rezione perpen<strong>di</strong>co<strong>la</strong>re<br />
alle fibre. Si è ipotizzato che <strong>la</strong> guaina mielinica fosse primariamente responsabile <strong>di</strong><br />
questo fenomeno, ma altre ipotesi potrebbero essere valide al<strong>la</strong> luce <strong>di</strong> recenti dati<br />
<strong>di</strong>mostranti un <strong>di</strong>screto grado <strong>di</strong> anisotropia anche in fibre amieliniche 66 .<br />
In conclusione, <strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione dell’acqua nei tessuti è influenzata non solo<br />
dal<strong>la</strong> temperatura ma anche da altri fattori quali:<br />
— permeabilità delle membrane;<br />
— compartimentalizzazione dell’acqua (extracellu<strong>la</strong>re - intracellu<strong>la</strong>re);<br />
— <strong>di</strong>mensioni cellu<strong>la</strong>ri;<br />
38
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
— caratteristiche ultrastrutturali (ricchezza <strong>di</strong> organelli e altre strutture dotate <strong>di</strong><br />
membrane);<br />
— grado <strong>di</strong> anisotropia in strutture quali fibre nervose, musco<strong>la</strong>ri e tessuto<br />
connettivale ricco <strong>di</strong> macromolecole orientate;<br />
— orientamento spaziale delle strutture anisotropiche;<br />
—composizione fisico-chimica del tessuto (quantità e <strong>di</strong>mensione delle<br />
macromolecole) 67 .<br />
E’ evidente che tutti questi fattori hanno una notevole rilevanza biologica e<br />
possono fornire preziose informazioni sul<strong>la</strong> fisiopatologia del tessuto: <strong>la</strong> RM è<br />
l’unica tecnica oggi <strong>di</strong>sponibile per ottenerle in vivo ed in maniera non invasiva. Può<br />
essere utile aggiungere una nota sul<strong>la</strong> terminologia in uso: <strong>la</strong> possibilità che l’acqua<br />
nei tessuti abbia una <strong>di</strong>ffusione “ristretta” e quin<strong>di</strong> un coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione<br />
“apparentemente” inferiore a quello che ci si potrebbe aspettare in un mezzo privo <strong>di</strong><br />
membrane, ha reso <strong>di</strong> uso comune il termine ADC.<br />
Sia per semplicità, sia perché questa terminologia non è con<strong>di</strong>visa da tutti,<br />
anche in riferimento a misurazioni fatte in tessuti biologici, continueremo ad usare il<br />
termine coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione (D).<br />
Gli effetti del fenomeno del<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione degli spin sul segnale RM sono noti<br />
da molto tempo 68 , tuttavia l’applicazione <strong>di</strong> queste conoscenze al campo delle<br />
immagini è piuttosto recente. La realizzazione delle prime immagini <strong>di</strong> RM<br />
sensibilizzate al<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione sono state realizzate attorno al<strong>la</strong> metà degli anni<br />
Ottanta 69 70 .<br />
39
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
L’approccio al<strong>la</strong> “<strong>di</strong>ffusion imaging” può essere affrontato con tre <strong>di</strong>fferenti<br />
livelli <strong>di</strong> complessità:<br />
1- immagini pesate in <strong>di</strong>ffusione;<br />
2- mappe del coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione;<br />
3- tensore <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione (<strong>di</strong>ffusion tensor magnetic resonance imaging, DT-MRI) 71 .<br />
Immagini pesate in <strong>di</strong>ffusione<br />
L’acquisizione <strong>di</strong> immagini pesate in <strong>di</strong>ffusione è il punto <strong>di</strong> partenza per<br />
ottenere sia le mappe del coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione sia le mappe gli elementi del<br />
tensore <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione; le <strong>di</strong>fferenze riguardano il modo in cui i dati vengono<br />
processati. Abbiamo visto che utilizzando opportuni gra<strong>di</strong>enti <strong>di</strong> campo magnetico,<br />
una normale sequenza (spin-echo, gra<strong>di</strong>ent-echo, STEAM ecc.) può essere<br />
mo<strong>di</strong>ficata in modo da ottenere immagini in cui il contrasto risulta influenzato dallo<br />
spostamento delle molecole dovuto al<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione nel<strong>la</strong> <strong>di</strong>rezione del gra<strong>di</strong>ente<br />
applicato.<br />
Mappe del coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione<br />
Acquisendo un insieme <strong>di</strong> immagini (almeno 2) con <strong>di</strong>verso grado <strong>di</strong><br />
sensibilizzazione al<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione, è possibile, sfruttando l’equazione (5), e<strong>la</strong>borare<br />
un’immagine calco<strong>la</strong>ta in cui in ogni voxel si ottiene il valore me<strong>di</strong>o <strong>di</strong> D nel<strong>la</strong><br />
<strong>di</strong>rezione <strong>di</strong> applicazione del gra<strong>di</strong>ente senza più alcun influsso da parte dei tempi <strong>di</strong><br />
ri<strong>la</strong>ssamento T1 e T2. A queste immagini calco<strong>la</strong>te <strong>di</strong>amo il nome <strong>di</strong> mappe del<br />
coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione. Il contrasto delle mappe del coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione<br />
40
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
fornisce un’informazione <strong>di</strong>retta del valore <strong>di</strong> D. Il calcolo <strong>di</strong> mappe del coefficiente<br />
<strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione richiede una e<strong>la</strong>borazione dell’immagine al computer ed è quin<strong>di</strong> un<br />
poco più complicato da eseguire rispetto al<strong>la</strong> semplice acquisizione <strong>di</strong> immagini<br />
pesate in <strong>di</strong>ffusione. Inoltre, per calco<strong>la</strong>re <strong>la</strong> mappa <strong>di</strong> D sono necessarie almeno 2<br />
immagini pesate in <strong>di</strong>ffusione, per cui <strong>la</strong> durata dell’esame <strong>di</strong> RM è maggiore. Il<br />
vantaggio è che <strong>la</strong> rimozione dell’influsso <strong>di</strong> T1, T2 e densità protonica facilita<br />
l’interpretazione <strong>di</strong> eventuali reperti patologici in cui questi parametri sono alterati.<br />
Quando questo avviene è infatti impossibile attribuire univocamente ad una<br />
variazione <strong>di</strong> D il cambiamento <strong>di</strong> segnale nelle immagini pesate in <strong>di</strong>ffusione.<br />
Tensore <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione<br />
Le mappe del coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione, pur rappresentando un importante<br />
passo avanti rispetto alle immagini pesate in <strong>di</strong>ffusione, soffrono comunque <strong>di</strong> un<br />
importante limite, dovuto al fatto che i valori <strong>di</strong> D ottenuti <strong>di</strong>pendono<br />
dall’orientamento dei gra<strong>di</strong>enti rispetto al<strong>la</strong> struttura stu<strong>di</strong>ata; in pratica dal<strong>la</strong><br />
posizione del soggetto all’interno del magnete. Questo <strong>di</strong>fetto viene eliminato<br />
dall’uso <strong>di</strong> mappe ottenute con il tensore <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione. L’uso <strong>di</strong> un tensore è un<br />
modo matematicamente corretto per descrivere <strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione in strutture non<br />
isotropiche <strong>di</strong> cui non si conosca a priori l’orientamento nello spazio. Il tensore <strong>di</strong><br />
<strong>di</strong>ffusione consiste <strong>di</strong> tre elementi <strong>di</strong>agonali (Dxx, Dyy e Dzz), e <strong>di</strong> tre elementi non-<br />
<strong>di</strong>agonali (Dxy, Dxz e Dyz). Dxx, Dyy e Dzz sono <strong>di</strong>mensionalmente dei coefficienti<br />
<strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione per cui possono essere solo positivi, mentre Dxy, Dxz e Dyz ci<br />
informano sul grado <strong>di</strong> corre<strong>la</strong>zione dei coefficienti <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione nei tre assi. Poiché<br />
41
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
<strong>la</strong> corre<strong>la</strong>zione può essere positiva o negativa, Dxy, Dxz e Dyz possono assumere sia<br />
valori positivi che negativi. Per calco<strong>la</strong>re il tensore <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione sono necessarie<br />
almeno sei immagini pesate in <strong>di</strong>ffusione acquisite con gra<strong>di</strong>enti orientati in <strong>di</strong>rezioni<br />
<strong>di</strong>verse più un’immagine acquisita senza sensibilizzazione al<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione. Tramite<br />
l’uso del tensore <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione siamo in grado <strong>di</strong> costruire, per ogni voxel, un sistema<br />
<strong>di</strong> coor<strong>di</strong>nate “locali” determinato so<strong>la</strong>mente dalle caratteristiche <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusività<br />
dell’acqua nel tessuto e che risulta in<strong>di</strong>pendente dall’orientamento del soggetto<br />
all’interno del magnete. Questo sistema <strong>di</strong> coor<strong>di</strong>nate è rappresentato da tre <strong>di</strong>rezioni<br />
mutualmente perpen<strong>di</strong>co<strong>la</strong>ri (auto-vettori) a cui sono associati tre valori <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusività<br />
(autovalori) che in<strong>di</strong>chiamo, in or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> grandezza decrescente, come 1, 2, 3<br />
(Fig. 10). Questi tre valori rappresentano i semiassi <strong>di</strong> un ellissoide <strong>la</strong> cui superficie è<br />
data dall’insieme delle <strong>di</strong>stanze <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione ad uguale probabilità per quel<br />
partico<strong>la</strong>re tempo <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione Δ . Da tali elementi si ricava l’in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> anisotropia<br />
(“Lattice index”).<br />
Fig. 10. Principali parametri utilizzati in <strong>di</strong>ffusione.<br />
42
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
Le regioni in cui <strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione è isotropica (l =2 = 3) appaiono scure in<br />
queste immagini, mentre regioni in cui <strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusione è anisotropica, cioè <strong>di</strong>versa in<br />
<strong>di</strong>fferenti <strong>di</strong>rezioni, appaiono chiare. Le strutture anisotropiche appaiono tanto più<br />
chiare quanto maggiore è il loro grado <strong>di</strong> anisotropia. Tipicamente <strong>la</strong> sostanza bianca<br />
è più anisotropica del liquor o del<strong>la</strong> sostanza grigia. E’ importante notare, tuttavia,<br />
che vi è un alto grado <strong>di</strong> variabilità nell’anisotropia del<strong>la</strong> sostanza bianca.<br />
L’anisotropia è alta in regioni, dove le fibre sono arrangiate in fasci paralleli, come<br />
nel corpo calloso, mentre l’anisotropia è molto più bassa in regioni dove le fibre sono<br />
orientate in modo incoerente all’interno del voxel, come nelle zone sottocorticali o<br />
nel centro semiovale. Questa <strong>di</strong>pendenza dell’anisotropia dal<strong>la</strong> “architettura” del<strong>la</strong><br />
sostanza bianca è una scoperta re<strong>la</strong>tivamente recente 72 , che è stata possibile in<br />
seguito all’uso del tensore <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione nello stu<strong>di</strong>o del<strong>la</strong> sostanza bianca. Un’altra<br />
utile quantità sca<strong>la</strong>re derivata dagli autovalori è <strong>la</strong> traccia del tensore <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione<br />
che si può ottenere sommando i tre autovalori (traccia = 1 + 2 + 3). Nel cervello<br />
normale, <strong>la</strong> traccia ha valori molto omogenei in tutto il parenchima cerebrale. La<br />
traccia è utile per identificare piccole variazioni del<strong>la</strong> <strong>di</strong>ffusività del parenchima che<br />
passerebbero inosservate nelle mappe del coefficiente <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione. E’ utile<br />
sottolineare che sia in<strong>di</strong>ci <strong>di</strong> anisotropia calco<strong>la</strong>ti a partire dagli autovalori del<br />
tensore <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione sia <strong>la</strong> traccia sono in<strong>di</strong>pendenti dall’orientamento dei gra<strong>di</strong>enti<br />
rispetto al<strong>la</strong> struttura stu<strong>di</strong>ata e quin<strong>di</strong> sono in<strong>di</strong>cativi <strong>di</strong> proprietà intrinseche del<br />
tessuto in<strong>di</strong>pendenti dal<strong>la</strong> posizione del soggetto all’interno del magnete. La traccia<br />
del tensore e gli in<strong>di</strong>ci <strong>di</strong> anisotropia sono grandezze sca<strong>la</strong>ri che contengono<br />
essenzialmente informazioni derivate dagli autovalori del tensore. Altre informazioni<br />
43
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
importanti sono però contenute negli autovettori del tensore. In conclusione abbiamo<br />
visto come uno stu<strong>di</strong>o in <strong>di</strong>ffusione ci può fornire informazioni sul<strong>la</strong> struttura ed<br />
architettura del sistema nervoso che non potremmo ottenere con nessuna altra tecnica<br />
in modo non invasivo. Nei pazienti con MA c’è un considerevole danno<br />
microscopico a carico del<strong>la</strong> sostanza bianca non riconosciuto dalle sequenze RM<br />
convenzionali, ma <strong>di</strong>mostrato dal<strong>la</strong> RM con il calcolo del Tensore <strong>di</strong> Diffusione e in<br />
partico<strong>la</strong>re dallo stu<strong>di</strong>o del<strong>la</strong> Anisotropia Frazionaria (FA), in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> integrità delle<br />
fibre assonali. Nei pazienti con AD, le fibre <strong>di</strong> sostanza bianca che connettono le aree<br />
associative presentano valori ridotti <strong>di</strong> FA e aumentati <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione dovuti<br />
verosimilmente al<strong>la</strong> degenerazione walleriana degli assoni conseguente all’atrofia<br />
del<strong>la</strong> corteccia associativa.<br />
Dal<strong>la</strong> teoria al<strong>la</strong> pratica: analisi delle immagini tramite FSL<br />
Per l'analisi <strong>di</strong> immagine <strong>di</strong> RM in <strong>di</strong>ffusione ci si può avvalere dell'aiuto delle<br />
invenzioni del Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain (FMRIB) <strong>di</strong><br />
Oxford e, in partico<strong>la</strong>re del FMRIB Software Library (FSL).<br />
FSL consiste in una serie <strong>di</strong> programmi che contengono strumenti per l'analisi<br />
delle immagini e programmi <strong>di</strong> statistica per l'analisi dei dati provenienti da<br />
immagini <strong>di</strong> risonanza magnetica funzionale, strutturale e <strong>di</strong> risonanza magnetica a<br />
tensore <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione (fig. 11).<br />
Il programma FSL è <strong>di</strong>sponibile sia come file binario pre-compi<strong>la</strong>to che<br />
come co<strong>di</strong>ce sorgente <strong>di</strong>sponibile sia per Mac OS X che per i PC (Linux, Windows<br />
Vista e XP). Viene concesso gratuitamente per l'utilizzo non commerciale.<br />
44
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
Dopo aver convertito in formato nii.gz i dati acquisiti nel formato standard<br />
.<strong>di</strong>com, deve essere effettuata l'estrazione cerebrale e <strong>la</strong> rimozione del cranio tramite<br />
l'applicazione Bet. I dati <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione vengono, quin<strong>di</strong>, corretti per <strong>la</strong> presenza <strong>di</strong><br />
"correnti parassite" e <strong>di</strong> artefatti <strong>di</strong> movimento per effettuare una registrazione<br />
lineare ad un'immagine <strong>di</strong> riferimento pesata non in <strong>di</strong>ffusione per 12 gra<strong>di</strong> libertà 73 .<br />
Le <strong>di</strong>rezioni dei gra<strong>di</strong>enti <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione vengono riorientate secondo i risultati<br />
delle correzioni delle "correnti parassite" 74 .<br />
I tensori <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione per ogni voxel sono adattati secondo un algoritmo<br />
incluso nel "Toolbox <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione del FMRIB (FDT)" <strong>di</strong> FSL (v. 4.0,<br />
www.fmrib.ox.ac.uk/fsl 75 ).<br />
Fig. 11. FSL è un insieme <strong>di</strong> applicazioni per l'analisi <strong>di</strong><br />
neuroimmagini <strong>di</strong> RM strutturale, funzionale e in <strong>di</strong>ffusione.<br />
A questo punto è possibile corre<strong>la</strong>re i dati, per esempio <strong>di</strong> FA e <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusività<br />
me<strong>di</strong>a (MD) con i test neuropsicologi utilizzando vari meto<strong>di</strong>, <strong>di</strong> cui uno dei più<br />
affidabili è il metodo Tract-Based Spatial Statistics o TBSS 76 . Questo metodo riduce<br />
<strong>la</strong> comparsa <strong>di</strong> possibili errori dovuti al <strong>di</strong>sallineamento delle immagini.<br />
45
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
E', infatti, obbiettivo dei neuroscienziati utilizzare immagini <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione<br />
tramite meto<strong>di</strong>che <strong>di</strong> analisi statistica per voxel. Tale metodo permette <strong>di</strong> localizzare<br />
mo<strong>di</strong>ficazioni cerebrali corre<strong>la</strong>te a processi <strong>di</strong> sviluppo o <strong>di</strong> degenerazione.<br />
Tuttavia, un’analisi ottimale è invariabilmente compromessa dall’uso degli<br />
algoritmi standard <strong>di</strong> registratura.<br />
Fino a pochi anni fa, non era stata data alcuna soluzione sod<strong>di</strong>sfacente al<br />
problema <strong>di</strong> come allineare le immagini <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione <strong>di</strong> <strong>di</strong>versi soggetti in maniera<br />
tale da permettere un’analisi statistica per singoli voxel.<br />
Oggi il metodo TBSS cerca <strong>di</strong> risolvere questo problema tramite un’attenta<br />
registratura non lineare e <strong>la</strong> proiezione in una rappresentazione <strong>di</strong> tratti che non varia<br />
con l’allineamento (mean FA skeleton). In questa maniera TBSS ha migliorato <strong>la</strong><br />
sensibilità, l’oggettività e l’interpretabilità dell’analisi <strong>di</strong> RM in <strong>di</strong>ffusione <strong>di</strong> più<br />
soggetti.<br />
I dati <strong>di</strong> FA <strong>di</strong> tutti i soggetti devono essere allineati in uno spazio comune<br />
derivato da immagini <strong>di</strong> FA <strong>di</strong> 58 soggetti sani, utilizzando un applicazione <strong>di</strong><br />
registratura non lineare del FMRIB nota come FNIRT 77 (Fig. 12).<br />
46
Fig. 12. La registratura e <strong>la</strong> sommazione <strong>di</strong> molteplici esposizioni<br />
del<strong>la</strong> stessa scena migliorano il rapporto segnale/rumore,<br />
consentendo così <strong>di</strong> vedere oggetti o con<strong>di</strong>zioni invisibili oppure<br />
quasi inapparenti.<br />
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
Questa applicazione utilizza una rappresentazione b-spline del<strong>la</strong> registrazione<br />
del campo <strong>di</strong> ripiegatura o warp-field 78 . I cervelli umani normali, infatti, variano<br />
molto in <strong>di</strong>mensione e forma e le loro immagini <strong>di</strong> risonanza devono<br />
necessariamente subire un processo <strong>di</strong> normalizzazione spaziale, cioè <strong>di</strong><br />
deformazione, in modo che un'area anatomica presentata dal<strong>la</strong> scansione del cervello<br />
del soggetto corrisponda al<strong>la</strong> localizzazione corrispondente nel<strong>la</strong> scansione <strong>di</strong> un<br />
altro soggetto. Nell'e<strong>la</strong>borazione informatica delle immagini neurologiche,<br />
<strong>la</strong> normalizzazione spaziale è un passo dell'e<strong>la</strong>borazione <strong>di</strong>gitale delle immagini, più<br />
47
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
specificamente un metodo <strong>di</strong> registratura delle immagini. Esistono due passi inerenti<br />
al processo <strong>di</strong> normalizzazione spaziale:<br />
<strong>la</strong> stima del warp-field<br />
l'applicazione del warp-field con ricampionamento<br />
La stima del warp-field (o campo <strong>di</strong> ripiegatura) può essere eseguita in una<br />
modalità <strong>di</strong> RM e può essere applicata ad un'altra modalità <strong>di</strong> imaging se le due<br />
immagini sono state coregistrate.<br />
La normalizzazione spaziale utilizza tipicamente un modello <strong>di</strong><br />
trasformazione non rigida tri<strong>di</strong>mensionale, o "campo <strong>di</strong> ripiegatura" per <strong>la</strong> procedura<br />
<strong>di</strong> "warping" nell'analisi delle immagini <strong>di</strong> una scansione cerebrale rispetto a un<br />
temp<strong>la</strong>te <strong>di</strong> riferimento. Il warp-field può essere parametrizzato da funzioni<br />
base come il coseno e i polinomi. Esiste un certo numero <strong>di</strong> programmi che<br />
implementa sia <strong>la</strong> stima che l'applicazione <strong>di</strong> un campo "warp".<br />
E' stata, quin<strong>di</strong>, realizzata un'immagine con me<strong>di</strong>a FA e limitata ad un valore<br />
<strong>di</strong> FA pari a 0.2, che deriva da un"'immagine modello me<strong>di</strong>o" <strong>di</strong> FA che rappresenta i<br />
centri <strong>di</strong> tutti i tratti comuni al nostro campione.<br />
I dati <strong>di</strong> FA <strong>di</strong> ogni soggetto sono stati allineati e poi proiettati su questo<br />
modello e i risultati ottenuti sono stati introdotti in un modello statistico multivoxel<br />
dei vari soggetti. L'inferenza statistica basata su un modello standard lineare è stata<br />
eseguita utilizzando un'analisi basata su permutazioni (5000 permutazioni) 79 ,<br />
secondo un modello già presente in FSL.<br />
48
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
L'analisi statistica è stata effettuata secondo una soglia predefinita (t = 2.3) e<br />
corretta per comparazioni multiple (spaziali) all'interno <strong>di</strong> un insieme <strong>di</strong><br />
permutazioni comprese tra un'ipotesi nul<strong>la</strong> e un valore massimo per ogni<br />
permutazione (P < 0.05).<br />
Analisi postprocessamento <strong>di</strong> immagini <strong>di</strong> RM strutturale<br />
Le immagini <strong>di</strong> RM strutturale forniscono dettagli partico<strong>la</strong>reggiati<br />
dell’anatomia cerebrale. La RM strutturale è <strong>di</strong>ventata ormai un sussi<strong>di</strong>o importante<br />
per <strong>la</strong> gestione clinica dei pazienti neurologici e viene sempre più utilizzata<br />
nell’ambito degli stu<strong>di</strong> clinici per valutare <strong>la</strong> risposta terapeutica.<br />
Per esempio, <strong>la</strong> RM strutturale è attualmente utilizzata come misura <strong>di</strong><br />
endpoint secondario nei trial clinici che vedono coinvolti pazienti affetti da SM,<br />
perché permette <strong>di</strong> quantificare in maniera rapida e riproducibile le lesioni tipiche<br />
del<strong>la</strong> ma<strong>la</strong>ttia 80 .<br />
Inoltre, anche nel campo dell’invecchiamento, <strong>la</strong> RM strutturale sta <strong>di</strong>venendo<br />
uno strumento sempre più importante per caratterizzare le mo<strong>di</strong>ficazioni corticali<br />
associate all’invecchiamento fisiologico, come ben sottolineato da Raz 81 .<br />
Nel campo delle demenze, solo da pochi anni, le ricerche cliniche hanno<br />
iniziato a considerare il ruolo <strong>di</strong> alcuni parametri <strong>di</strong> RM strutturale, ma sono state<br />
prese primariamente in considerazione solo valutazioni generali dell’atrofia globale<br />
cerebrale 82 83 84 e le misure manuali dell’ippocampo 85 86 .<br />
Inoltre, l’applicazione del<strong>la</strong> RM strutturale al<strong>la</strong> ricerca e agli stu<strong>di</strong> clinici è<br />
stata limitata dal fatto che non era possibile ricavare informazioni da specifiche<br />
49
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
regioni <strong>di</strong> interesse (RI) anatomico. Quando poi, sono stati sviluppati meto<strong>di</strong> <strong>di</strong><br />
quantificazione automatica <strong>di</strong> determinate RI, solo raramente queste meto<strong>di</strong>che sono<br />
state utilizzate negli stu<strong>di</strong> clinici 87 . Ciò è derivato dal fatto <strong>di</strong> non sapere quali RI<br />
andare a considerare e dal<strong>la</strong> <strong>di</strong>fficile collocazione anatomica delle RI che variavano<br />
<strong>di</strong> <strong>di</strong>mensioni e collocazioni a seconda dell’operatore.<br />
Così, per anni, alcuni <strong>di</strong> questi meto<strong>di</strong> si sono focalizzati su una singo<strong>la</strong> RI,<br />
come l’ippocampo 88 89 , il giro del cingolo 90 o alcune RI sottocorticali 91 , poiché non<br />
esisteva il modo <strong>di</strong> valutare, per esempio, tutte le aree del<strong>la</strong> corteccia cerebrale, dato<br />
che sarebbe stato fondamentale nel<strong>la</strong> valutazione <strong>di</strong> una patologia <strong>di</strong>ffusa come <strong>la</strong><br />
MA.<br />
Lo sviluppo <strong>di</strong> procedure semiautomatiche per <strong>la</strong> quantificazione delle RI<br />
corticali è stato ancora più complesso a causa del<strong>la</strong> sostanziale variabilità<br />
interin<strong>di</strong>viduale degli spetti topografici del<strong>la</strong> corteccia 92 93 .<br />
Gli sforzi iniziali per misurare RI corticali tramite RM richiedevano un totale<br />
coinvolgimento dell’operatore 94 95 .<br />
Meto<strong>di</strong>che più recenti e più automatiche hanno impiegato una varietà <strong>di</strong><br />
approcci ai sistemi <strong>di</strong> indagine dei dati corticali, inclusi gli approcci basati su<br />
modelli, in cui si stabilisce una corrispondenza tra un at<strong>la</strong>nte <strong>di</strong> riferimento e le<br />
neuroimmagini <strong>di</strong> un soggetto in esame 96 97 o approcci basati sull’estrazione dei<br />
solchi corticali 98 o ancora su tecniche basate sui grafici che rappresentano i solchi<br />
come vertici <strong>di</strong> un grafico 99 100 . Solo <strong>di</strong>eci anni fa, però, si è giunti ad una svolta.<br />
50
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
Nel 1999 un gruppo <strong>di</strong> <strong>la</strong>voro guidato da Fishl, Sereno e Dale ha realizzato dei<br />
sofisticati stu<strong>di</strong> algoritmici probabilistici, recentemente pubblicati 101 , che sono stati<br />
applicati a due <strong>di</strong>versi sistemi <strong>di</strong> definizione delle RI corticali 65 102 .<br />
Da questi stu<strong>di</strong> algoritmici è nato FreeSurfer 103<br />
((http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/), un programma sviluppato presso i <strong>la</strong>boratori<br />
dell’Athinou<strong>la</strong> A. Martinos Center per Biome<strong>di</strong>cal Imaging del Massachusett<br />
General Hospital, con il supporto dei CorTechs Labs, Inc, La Jol<strong>la</strong>, CA. e <strong>la</strong><br />
col<strong>la</strong>borazione con il Mental Illness and Neuroscience Discovery (MIND) Institute,<br />
parte del National Alliance for Me<strong>di</strong>cal Image Computing (NA-MIC) fondato dai<br />
National Institutes of Health attraverso il NIH Roadmap for Me<strong>di</strong>cal Research e con<br />
il National Center for Research Resources del NINDS.<br />
In accordo con gli stu<strong>di</strong> <strong>di</strong> Fischl et al. 104 , Dale et al. 74 , e Fischl e Dale 105 , <strong>la</strong><br />
ricostruzione tri<strong>di</strong>mensionale del<strong>la</strong> superficie corticale viene effettuata sul<strong>la</strong> base<br />
delle immagini pesate in T1 magnetization-prepared rapid gra<strong>di</strong>ent echo<br />
(MPRAGE) <strong>di</strong> RM.<br />
Il programma, infatti, permette <strong>di</strong> misurare lo spessore corticale dalle immagini<br />
<strong>di</strong> RM, usando una ricostruzione automatica del<strong>la</strong> superficie tramite procedure <strong>di</strong><br />
allineamento e trasformazione ad alta risoluzione.<br />
Il processo consiste nel<strong>la</strong> segmentazione del<strong>la</strong> sostanza bianca cerebrale, nel<strong>la</strong><br />
delimitazione del confine tra sostanza bianca e grigia e nel<strong>la</strong> correzione semi-<br />
automatica dei <strong>di</strong>fetti topologici risultanti dall'analisi del software. Questi risultati<br />
consentono <strong>di</strong> analizzare <strong>la</strong> superficie delle aree <strong>di</strong> sostanza bianca, grigia e <strong>la</strong><br />
superficie piale con precisione submillimetrica.<br />
51
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
La meto<strong>di</strong>ca utilizza informazioni <strong>di</strong> intensità e continuità derivanti dal<br />
processo <strong>di</strong> deformazione del<strong>la</strong> superficie con interpo<strong>la</strong>zione delle aree <strong>di</strong> superficie<br />
in cui l'immagine è ambigua.<br />
Lo spessore corticale viene analizzato me<strong>di</strong>ante una griglia con 1 mm <strong>di</strong> spazio<br />
tra i due emisferi. Lo spessore corticale è, infatti, definito come <strong>la</strong> più breve <strong>di</strong>stanza<br />
tra i modelli <strong>di</strong> superficie piale, <strong>di</strong> sostanza bianca e <strong>di</strong> grigia 76 con possibilità <strong>di</strong><br />
stimare anche <strong>di</strong>fferenze submillimetriche.<br />
Le misure <strong>di</strong> spessore corticale vengono mappate sull'immagine<br />
tri<strong>di</strong>mensionale ottenuta dal<strong>la</strong> ricostruzione dell'encefalo <strong>di</strong> ogni soggetto: in questo<br />
modo è possibile visualizzare i dati inerenti l'intera superficie corticale.<br />
Tutte le immagini vengono comparate con una superficie <strong>di</strong> riferimento usando<br />
una tecnica <strong>di</strong> averaging ad alta risoluzione basata sul<strong>la</strong> superficie. Le RI ricavate da<br />
un modello standar<strong>di</strong>zzato <strong>di</strong> encefalo vengono mappate sulle immagini re<strong>la</strong>tive al<br />
soggetto <strong>di</strong> interesse usando una procedura morfologica ad alta <strong>di</strong>mensione sferica<br />
per in<strong>di</strong>viduare le regioni omologhe in <strong>di</strong>versi soggetti.<br />
Infine, il volume e lo spessore me<strong>di</strong>o corticale del<strong>la</strong> sostanza grigia è<br />
analizzato in ciascuna RI. Lo spessore corticale è, quin<strong>di</strong>, approssimato nell'or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong><br />
1 mm <strong>di</strong> grandezza per ridurre l'effetto derivante da variazioni locali.<br />
Ciò permette <strong>di</strong> avere informazioni sullo spessore corticale che fino a poco<br />
tempo fa era possibile ottenere solo all’esame autoptico. Oltre ai dati <strong>di</strong> spessore, il<br />
programma fornisce informazioni <strong>di</strong> volume e superficie delle stesse RI.<br />
FreeSurfer è un programma <strong>di</strong> mappatura cerebrale e <strong>di</strong> misurazione in vivo<br />
dello spessore corticale che include dei tool per <strong>la</strong> ricostruzione <strong>di</strong> modelli<br />
52
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
topologicamente corretti e geometricamente accurati del<strong>la</strong> superficie grigia, bianca e<br />
piale a partire dai dati <strong>di</strong> RM strutturale per misurare lo spessore corticale e le aree <strong>di</strong><br />
superficie anche nelle circonvoluzioni. Il programma include <strong>la</strong> possibilità <strong>di</strong> valutare<br />
automaticamente 34 regioni corticali e le regioni non corticali.<br />
Anche FreeSurfer utilizza FSL.<br />
L’attivazione funzionale si ottiene usando sia FreeSurfer Functional Analysis<br />
Stream (FS-FAST) sia applicazioni <strong>di</strong> FSL che permettono <strong>di</strong> creare ricostruzioni<br />
cerebrali per insuf<strong>la</strong>zione, sfericizzazione o appiattimento del<strong>la</strong> superficie.<br />
FreeSurfer utilizza anche il toolkit <strong>di</strong> MNI MINC, VXL, Tcl/Tk/Tix/BLT e Qt,<br />
già inclusi nel pacchetto.<br />
Differenti programmi <strong>di</strong> e<strong>la</strong>borazione immagini, come Caret e 3D Slicer,<br />
possono, poi, importare dati ottenuti con FreeSurfer.<br />
I tool <strong>di</strong> FreeSurfer permettono <strong>di</strong> trattare due tipi <strong>di</strong> dati:<br />
<strong>di</strong> volume (volumi dei voxel);<br />
<strong>di</strong> superficie (poligoni che compongono una superficie).<br />
Usando FreeSurfer è possibile:<br />
eseguire ricostruzioni delle superfici;<br />
generare segmentazioni delle strutture sottocorticali;<br />
correggere errori riscontrati durante <strong>la</strong> generazione dei dati <strong>di</strong> volume e<br />
superficie.<br />
53
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
FreeSurfer può essere instal<strong>la</strong>to gratuitamente da Internet su sistemi operativi<br />
MacOS o Linux.<br />
Il supporto tecnico viene fornito in rete da un equipe <strong>di</strong> tecnici al<strong>la</strong> comunità <strong>di</strong><br />
fruitori tramite <strong>la</strong> FreeSurfer mailing list.<br />
In questa sezione, si cercherà <strong>di</strong> fornire brevemente, delle informazioni sul<br />
programma.<br />
Il comando chiave dei processi è noto come recon-all che, nel suo primo<br />
processo, autorecon1, trasforma le immagini <strong>di</strong> RM encefalo <strong>di</strong> un singolo soggetto<br />
dal formato grezzo (generalmente .hdr .<strong>di</strong>com) in immagini dal formato facilmente<br />
utilizzabile (.mgz) per l’analisi morfometrica e funzionale con il pacchetto FsFast.<br />
Nel caso si possiedano multiple acquisizioni <strong>di</strong> un singolo soggetto, FreeSurfer<br />
è in grado <strong>di</strong> creare un’immagine me<strong>di</strong>a in cui <strong>la</strong> rappresentazione sarà<br />
necessariamente più accurata.<br />
In questo processo, <strong>la</strong> prima scansione viene considerata dal programma come<br />
modello su cui le immagini successive vengono registrate. Viene applicato anche un<br />
Fig. 13. La rimozione del cranio, uno dei primi processi<br />
attuati da FreeSurfer.<br />
54<br />
filtro <strong>di</strong> correzione degli artefatti da<br />
movimento.<br />
Al<strong>la</strong> fine si otterrà un’immagine <strong>di</strong><br />
me<strong>di</strong>a delle varie scansioni in formato<br />
.mgz. Il volume dell’immagine viene conformato automaticamente al volume<br />
standard <strong>di</strong> 2563 in cui ogni voxel rappresenta un’area pari ad 1 mm 3 .
Recon-all utilizza un tool <strong>di</strong><br />
FreeSurfer detto<br />
mri_motion_correct.fsl, che <strong>la</strong>vora<br />
in maniera molto simile a FLIRT,<br />
un programma del toolset <strong>di</strong> FSL.<br />
Le fasi <strong>di</strong> processamento del<br />
volume consistono nel<strong>la</strong> correzione<br />
degli artefatti <strong>di</strong> movimento, nel<strong>la</strong><br />
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
correzione dell’intensità dell’immagine e nel<strong>la</strong> normalizzazione, cioè <strong>la</strong><br />
trasformazione in uno spazio Ta<strong>la</strong>irach.<br />
Fig. 15 Segmentazioni cerebrali attuate con<br />
FreeSurfer.<br />
55<br />
Per correggere l’intensità il volume T1<br />
subisce una mo<strong>di</strong>ficazione che elimina il cranio<br />
(Fig. 13) ed i rumori <strong>di</strong> fondo, generando il<br />
brainmask volume, privo del<strong>la</strong> teca cranica e<br />
conformato ad un’immagine <strong>di</strong> riferimento.<br />
Tkme<strong>di</strong>t and Tksurfer (Fig. 14)<br />
costituiscono i coman<strong>di</strong> <strong>di</strong> visualizzazione<br />
grafica e <strong>di</strong> mo<strong>di</strong>fica dei dati e sono inclusi nel<br />
pacchetto <strong>di</strong> FreeSurfer. È già in fase <strong>di</strong><br />
realizzazione un nuovo sistema <strong>di</strong> coman<strong>di</strong> <strong>di</strong> visualizzazione grafica, Scuba, che<br />
rimpiazzerà Tkme<strong>di</strong>t e Tksurfer, una volta completato.<br />
Fig. 14. La finestra con i coman<strong>di</strong> <strong>di</strong> mo<strong>di</strong>ofica e visualizzazione<br />
<strong>di</strong> Tkme<strong>di</strong>t e Tksurfer.<br />
Generato il brainmask, si procede con l’autorecon2, <strong>la</strong> seconda fase, che<br />
include l’imponente <strong>la</strong>voro <strong>di</strong> segmentazione delle superfici cerebrali (Fig. 15).
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
Purtroppo il processo <strong>di</strong> ricostruzione non è infallibile: è, quin<strong>di</strong>, necessario<br />
control<strong>la</strong>re sempre il processo <strong>di</strong> segmentazione ad ogni fase ed eventualmente<br />
correggerlo manualmente. Il processo <strong>di</strong> segmentazione può fallire per molte ragioni,<br />
ma principalmente per bassa qualità <strong>di</strong> scansione o <strong>di</strong>fferente anatomia<br />
interin<strong>di</strong>viduale.<br />
La correzione viene effettuata utilizzando i tool <strong>di</strong> mo<strong>di</strong>fica <strong>di</strong> Tkme<strong>di</strong>t.<br />
In partico<strong>la</strong>re Tkme<strong>di</strong>t è in grado <strong>di</strong> creare un’interfaccia per visualizzare e<br />
mo<strong>di</strong>ficare i voxels presenti nelle singole slices bi<strong>di</strong>mensionali delle scansioni <strong>di</strong><br />
risonanza. Oltre al<strong>la</strong> segmentazione, il programma è in grado anche <strong>di</strong> parcel<strong>la</strong>re i<br />
volumi corticali e sottocorticali (Fig. 16) in RI standard, sviluppate dal Center for<br />
Morphometric Analysis.<br />
Nel pacchetto sono inclusi molti sistemi<br />
che permettono <strong>di</strong> valutare, come già detto, lo<br />
spessore corticale e consentono anche altri tipi<br />
<strong>di</strong> analisi, inclusa <strong>la</strong> retinotopia.<br />
L’ultimo processo, autorecon3, è<br />
sostanzialmente essenziale ai fini del<strong>la</strong><br />
quantificazione dell’analisi e per <strong>la</strong><br />
visualizzazione tri<strong>di</strong>mensionale completa del <strong>la</strong>voro con Tksurfer.<br />
Per <strong>la</strong> misurazione dello spessore corticale regionale il programma sud<strong>di</strong>vide<br />
l’encefalo in 34 regioni corticali, attribuibili a 5 lobi cerebrali, che ricordano le aree<br />
<strong>di</strong> K. Brodmann del 1909 106 .<br />
56<br />
Fig. 16. Parcel<strong>la</strong>zioni cerebrali attuate con<br />
FreeSurfer.
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
Le aree cerebrali sono state recentemente descritte da Desikan et al. 57 e<br />
vengono elencate <strong>di</strong> seguito:<br />
a) Lobo frontale<br />
1 - Circonvoluzione frontale superiore<br />
2 – Porzione anteriore del<strong>la</strong> circonvoluzione frontale me<strong>di</strong>a<br />
3 – Porzione posteriore del<strong>la</strong> circonvoluzione frontale me<strong>di</strong>a<br />
4 – Porzione triango<strong>la</strong>re del<strong>la</strong> circonvoluzione frontale inferiore<br />
5 - Porzione operco<strong>la</strong>re del<strong>la</strong> circonvoluzione frontale inferiore<br />
6 – Porzione orbitale del<strong>la</strong> circonvoluzione frontale inferiore<br />
7 - Porzione me<strong>di</strong>ale del<strong>la</strong> corteccia orbitofrontale<br />
8 - Porzione <strong>la</strong>terale del<strong>la</strong> corteccia orbitofrontale<br />
9 - Polo frontale.<br />
10 - Giro precentrale o prero<strong>la</strong>n<strong>di</strong>co<br />
11 - Lobulo paracentrale<br />
b) Lobo temporale<br />
Lobo temporale me<strong>di</strong>ale<br />
12 - Corteccia entorinale<br />
13 - Circonvoluzione paraippocampica<br />
14 - Polo temporale<br />
15 - Giro fusiforme<br />
Lobo temporale <strong>la</strong>terale<br />
16 - Giro temporale superiore<br />
17 - Giro temporale me<strong>di</strong>o<br />
57
18 - Giro temporale inferiore<br />
19 - Corteccia temporale trasversa<br />
20 - Porzione posteriore del solco temporale superiore<br />
c) Lobo parietale<br />
21 - Giro postcentrale o postro<strong>la</strong>n<strong>di</strong>co<br />
22 - Giro sopramarginale<br />
23 - Corteccia parietale superiore<br />
24 - Corteccia parietale inferiore<br />
25 - Precuneo<br />
d) Lobo occipitale<br />
26 - Circonvoluzione linguale<br />
27 - Corteccia pericalcarina<br />
28 - Cuneo<br />
29 - Corteccia occipitale <strong>la</strong>terale<br />
e) Corteccia del Cingolo<br />
Porzione antero-rostrale<br />
Porzione antero-caudale<br />
Porzione posteriore<br />
Istmo<br />
Corpo calloso<br />
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
58
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
Per una rappresentazione grafica delle mappe, si può osservare <strong>la</strong> figura 17.<br />
Fig. 17. Rappresentazioni corticali piale (a sinistra) e “gonfiata” (a destra) delle RI in un emisfero. Le immagini nel<strong>la</strong> riga in alto<br />
illustrano <strong>la</strong> proiezione <strong>la</strong>terale dell’emisfero, mentre quelle nel<strong>la</strong> riga in basso quel<strong>la</strong> me<strong>di</strong>ale. L’asterisco bianco sul<strong>la</strong> superficie<br />
piale <strong>di</strong> sinistra in<strong>di</strong>ca <strong>la</strong> corteccia inclusa all’interno del<strong>la</strong> scissura ro<strong>la</strong>n<strong>di</strong>ca non visibile. Gli asterischi gialli sul<strong>la</strong> superficie<br />
“gonfiata” <strong>di</strong> destra in<strong>di</strong>cano <strong>la</strong> stessa corteccia, visibile dopo il rigonfiamento.<br />
59
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
Analisi postprocessamento <strong>di</strong> immagini <strong>di</strong> spettroscopia in RM<br />
La MRS è una tecnica analitica strumentale che permette <strong>di</strong> ottenere<br />
dettagliate informazioni sul<strong>la</strong> struttura moleco<strong>la</strong>re dei composti in esame. Viene<br />
utilizzata per effettuare stu<strong>di</strong> in vivo sull’uomo sin dagli anni Ottanta 107 108 , ma solo<br />
recentemente, grazie al progresso tecnologico avvenuto nel<strong>la</strong> costruzione <strong>di</strong> magneti<br />
superconduttivi (ad elevata intensità <strong>di</strong> campo ed elevata omogeneità su ampi<br />
volumi), al progresso elettronico e al progresso informatico (implementazione delle<br />
tecniche <strong>di</strong> trasformata <strong>di</strong> Fourier e <strong>di</strong> ricostruzione bi<strong>di</strong>mensionale), ha acquisito<br />
un'enorme valenza scientifica e <strong>di</strong>agnostica.<br />
In sintesi, il principio su cui si basa <strong>la</strong> MRS è il seguente: quando nel corpo<br />
immerso nel campo magnetico B sono presenti delle molecole, i nuclei <strong>di</strong> queste, a<br />
causa del parziale schermaggio del<strong>la</strong> nuvo<strong>la</strong> elettronica che circonda le molecole<br />
stesse, non "vedono" il campo magnetico esterno B ma un campo effettivo<br />
B'=B(1-s)<br />
dove s è una costante che tiene conto dell'effetto <strong>di</strong> schermo del<strong>la</strong> nuvo<strong>la</strong><br />
elettronica; da questo segue allora che, a seconda del tipo <strong>di</strong> moleco<strong>la</strong> a cui<br />
appartengono, gli spin nucleari avranno frequenze <strong>di</strong> precessione <strong>di</strong>verse, e<br />
precisamente frequenze<br />
f'=1/(2) g B(1-s)<br />
dove g è il rapporto giromagnetico del nucleo in questione.<br />
Dallo spettro del segnale acquisito possono allora essere estratte informazioni<br />
riguardanti l'identità e <strong>la</strong> quantità delle <strong>di</strong>verse molecole presenti nel campione<br />
60
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
analizzando le posizioni e le ampiezze dei picchi presenti. Gli spostamenti <strong>di</strong><br />
frequenza (chemical shift) sono tanto maggiori, e quin<strong>di</strong> danno luogo a picchi ben<br />
definiti, quanto più è maggiore B; da qui <strong>la</strong> necessità <strong>di</strong> avere campi magnetici<br />
elevati (≥1,5 Tes<strong>la</strong>).<br />
E’ utile, inoltre, sottolineare che per ottenere uno spettro <strong>di</strong> buona qualità è<br />
essenziale che l'uniformità spaziale del campo magnetico B sia elevata (dell'or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong><br />
0,1 ppm), per evitare che <strong>di</strong>suniformità del campo "mascherino" eventuali chemical<br />
shift.<br />
Il nucleo <strong>di</strong> fondamentale importanza nell'imaging RM, ma anche molto<br />
importante nel<strong>la</strong> spettroscopia, è quello dell'idrogeno ed è quin<strong>di</strong> del<strong>la</strong> spettroscopia<br />
basata su tale nucleo ( 1 H-MRS) che ci occuperemo principalmente nel seguito.<br />
La 1 H-MRS deve <strong>la</strong> sua <strong>di</strong>ffusione anche al fatto che per il suo utilizzo non<br />
sono necessarie bobine de<strong>di</strong>cate e catene RF aggiuntive rispetto a quelle usate per il<br />
“normale” imaging RM, non gravando quin<strong>di</strong> con spese aggiuntive sul costo<br />
dell’hardware del sistema RM. Oltre al<strong>la</strong> spettroscopia single-voxel (SV-MRS:<br />
Single Voxel MRS) che consente <strong>di</strong> ottenere uno spettro da un volume <strong>di</strong> interesse<br />
specifico, molto <strong>di</strong>ffusa è anche <strong>la</strong> tecnica dell'imaging spettroscopico, che attraverso<br />
l'introduzione <strong>di</strong> una opportuna co<strong>di</strong>fica <strong>di</strong> fase, permette <strong>la</strong> sud<strong>di</strong>visione del<strong>la</strong><br />
regione da esaminare in più "voxel" (8x8, 16x16, 32x32, ecc...) e l'e<strong>la</strong>borazione<br />
contemporanea <strong>di</strong> uno spettro da ogni voxel, consentendo così <strong>di</strong> ottenere<br />
informazioni sul<strong>la</strong> <strong>di</strong>stribuzione spaziale dei metaboliti, anche se a scapito <strong>di</strong> una<br />
minor qualità degli spettri e <strong>di</strong> tempi <strong>di</strong> acquisizione maggiori.<br />
61
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
In entrambe le tecniche sopra descritte, l'acquisizione spettroscopica viene in<br />
genere preceduta da una sessione <strong>di</strong> imaging che consente <strong>la</strong> localizzazione del voxel<br />
<strong>di</strong> interesse, e poi eseguita tramite opportune sequenze quali (per l' 1 H-MRS) <strong>la</strong><br />
STEAM (STimu<strong>la</strong>ted Echo Acquisition Mode) o <strong>la</strong> PRESS (Point RESolved<br />
Spectroscopy).<br />
Nel<strong>la</strong> spettroscopia protonica, buona parte delle applicazioni cliniche<br />
riguardano le patologie del cervello umano. Le principali ragioni sono da ricercarsi<br />
nel fatto che:<br />
nel<strong>la</strong> maggior parte degli organi i lipi<strong>di</strong> non sono così nettamente<br />
separati dal tessuto <strong>di</strong> interesse come nel cervello e, pertanto, <strong>la</strong><br />
soppressione del segnale dei lipi<strong>di</strong>, molto intenso, può <strong>di</strong>ventare un<br />
problema;<br />
gli organi interni sono interessati dai movimenti car<strong>di</strong>aci e respiratori<br />
che possono portare ad artefatti e a spettri <strong>di</strong> scarsa qualità;<br />
il cervello è meno facilmente accessibile per le biopsie che <strong>la</strong> maggior<br />
parte degli altri organi 109 .<br />
Spettro dell'idrogeno<br />
I principali metaboliti visualizzabili nello spettro dell’idrogeno acquisito a<br />
livello cerebrale sono:<br />
N-Acetyi<strong>la</strong>spartato (NAA), un composto localizzato all’interno dei<br />
neuroni e per questo motivo utilizzato come marker neuronale, utile per<br />
62
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
indagare sul numero e sul<strong>la</strong> funzionalità dei neuroni contenuti<br />
all’interno del voxel <strong>di</strong> interesse selezionato;<br />
Creatina (Cr), che comprende sia creatina che fosfocreatina e che<br />
fornisce informazioni sul metabolismo energetico del tessuto;<br />
Colina (Cho), comprendente principalmente fosfocolina e<br />
glicerofosforilcolina, e legata ai processi <strong>di</strong> costruzione e <strong>di</strong><br />
degradazione delle membrane cellu<strong>la</strong>ri;<br />
myo-Inositolo (myo-Ins), utilizzato comunemente come marker del<strong>la</strong><br />
glia.<br />
In spettri patologici possono comparire anche le risonanze del Lattato (Lac),<br />
in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> una alterata glicolisi anaerobia, e quello degli aci<strong>di</strong> grassi, legato al<strong>la</strong><br />
degradazione delle membrane cellu<strong>la</strong>ri. Numerosi stu<strong>di</strong> hanno mostrato come <strong>la</strong> 1 H-<br />
MRS sia <strong>di</strong> estrema utilità nello stu<strong>di</strong>o <strong>di</strong> svariate patologie (tumori, sclerosi<br />
multip<strong>la</strong>, demenze etc.) 110 .<br />
In partico<strong>la</strong>re, nello stu<strong>di</strong>o dei tumori, <strong>la</strong> MRS trova un suo importante spazio<br />
come supporto al<strong>la</strong> <strong>di</strong>agnosi (fin<strong>di</strong>ng tipici : riduzione del NAA e notevole<br />
incremento del<strong>la</strong> Cho) e nel<strong>la</strong> <strong>di</strong>stinzione tra tessuto normale, reci<strong>di</strong>va e necrosi.<br />
In ambito neurologico generale, <strong>la</strong> MRS mostra lo stato metabolico dei tessuti<br />
e i cambiamenti del metabolismo negli stati patologici e permette il monitoraggio<br />
del<strong>la</strong> terapia e <strong>la</strong> ricerca <strong>di</strong> nuove vie metaboliche in vivo e nel<strong>la</strong> ricerca biochimica.<br />
I parametri comunemente utilizzati in MRS (Fig. 18) sono:<br />
lo spettro, cioè <strong>la</strong> rappresentazione del segnale RM in funzione del<strong>la</strong><br />
"frequenza <strong>di</strong> risonanza";<br />
63
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
i picchi ovvero <strong>la</strong> rappresentazione grafica del segnale emesso dai vari<br />
metaboliti;<br />
l'unità <strong>di</strong> misura in Parti per Milione (PPM) per poter confrontare<br />
spettri a c. magnetico <strong>di</strong>verso;<br />
<strong>la</strong> posizione, cioè <strong>la</strong> struttura chimica;<br />
l'intensità (area) cioè <strong>la</strong> concentrazione.<br />
Fig. 18. Parametri utilizzati in MRS (ve<strong>di</strong> testo).<br />
Le caratteristiche <strong>di</strong> acquisizione <strong>di</strong> risonanza prevedono sequenze a TE<br />
breve (10-30 msec), TE breve (130-140 msec) e TE lungo (150-276 msec).<br />
Successivamente è prevista un'analisi qualitativa volta al semplice<br />
64
La Risonanza Magnetica Non Convenzionale<br />
riconoscimento visivo dei picchi e quantitativa o ratio, volta ad indagare i<br />
rapporti tra i vari metaboliti in esame.<br />
65
IL NOSTRO STUDIO<br />
Disegno dello stu<strong>di</strong>o<br />
Questo stu<strong>di</strong>o è nato nel 2010 dal<strong>la</strong> col<strong>la</strong>borazione tra <strong>la</strong> Facoltà <strong>di</strong> Me<strong>di</strong>cina e<br />
Psicologia del<strong>la</strong> “<strong>Sapienza</strong>” Università <strong>di</strong> Roma – Azienda Ospedaliera<br />
Sant’Andrea, <strong>la</strong> Fondazione Biome<strong>di</strong>ca Europea, l'Azienda Ospedaliera San Camillo<br />
- For<strong>la</strong>nini e <strong>la</strong> Fondazione Santa Lucia. Per <strong>la</strong> realizzazione dello stu<strong>di</strong>o è stata<br />
fondamentale <strong>la</strong> supervisione dei colleghi del Neuroimaging Section del<strong>la</strong><br />
University of Szeged.<br />
Lo stu<strong>di</strong>o è stato sud<strong>di</strong>viso in varie fasi. Al momento dell’arruo<strong>la</strong>mento,<br />
durante una visita neurologica, i pazienti sono stati sottoposti ad esame neurologico<br />
comprensivo <strong>di</strong> MMSE, successivamente sono stati sottoposti ad una valutazione<br />
neuropsicologica e, poi, ad un esame <strong>di</strong> RM dell’encefalo sia con sequenze<br />
convenzionali, senza somministrazione <strong>di</strong> contrasto, che con sequenze non<br />
convenzionali. Successivamente le sequenze <strong>di</strong> RM sono state analizzate con<br />
meto<strong>di</strong>che <strong>di</strong> postprocessamento e si è proceduto all’analisi statistica dei dati.<br />
Per questo stu<strong>di</strong>o tutte le neuroimmagini sono state analizzate presso <strong>la</strong><br />
Fondazione Biome<strong>di</strong>ca Europea <strong>di</strong> Roma. Tutti i partecipanti hanno firmato un<br />
consenso informato prima dell'inizio dello stu<strong>di</strong>o. Ad ogni soggetto è stato assegnato<br />
un numero progressivo identificativo in conformità con <strong>la</strong> legge sul<strong>la</strong> privacy.<br />
66
Popo<strong>la</strong>zione<br />
Abbiamo arruo<strong>la</strong>to in serie continua 19 soggetti (9 maschi e 10 femmine, con<br />
età me<strong>di</strong>a <strong>di</strong> 74 ± 8 anni e con range tra i 52 ed i 86 anni) affetti da probabile MA.<br />
tab. 1.<br />
Per una visione globale delle caratteristiche del campione, si può osservare <strong>la</strong><br />
I soggetti hanno fornito consenso informato al<strong>la</strong> partecipazione allo stu<strong>di</strong>o.<br />
Criteri <strong>di</strong> inclusione<br />
Pazienti affetti da probabile MA, secondo i criteri NINDS-ADRDA<br />
Età compresa tra 50 e i 90 anni<br />
Criteri <strong>di</strong> esclusione<br />
Presenza <strong>di</strong> gravi deficit neurosensoriali<br />
Sco<strong>la</strong>rità inferiore a 3 anni<br />
Presenza <strong>di</strong> gravi patologie internistiche<br />
Scarsa compliance che non garantisca <strong>la</strong> completa adesione alle<br />
richieste del protocollo per tutta <strong>la</strong> durata dello stu<strong>di</strong>o<br />
Storia <strong>di</strong> abuso <strong>di</strong> sostanze<br />
Presenza <strong>di</strong> fattori che controin<strong>di</strong>chino l'esecuzione <strong>di</strong> un esame <strong>di</strong> RM<br />
67
Presenza <strong>di</strong> quadri neurora<strong>di</strong>ologici <strong>di</strong> importante sofferenza<br />
cerebrovasco<strong>la</strong>re o <strong>di</strong> pregresse lesioni ischemiche/emorragiche<br />
Mancato consenso informato al<strong>la</strong> partecipazione allo stu<strong>di</strong>o<br />
Pazienti (n=19)<br />
Età (anni) 74±8<br />
Sesso (maschi/femmine) 9/10<br />
Livello <strong>di</strong> istruzione (anni) 9.5±5.6<br />
Punteggio al MMSE 20±6<br />
Mesi <strong>di</strong> ma<strong>la</strong>ttia 43.1±7.7<br />
Tab. 1. Caratteristiche demografiche e cliniche del<strong>la</strong> nostra coorte.<br />
I dati sono espressi in me<strong>di</strong>a±deviazione standard, tranne che nei casi <strong>di</strong>versamente in<strong>di</strong>cati<br />
68
Meto<strong>di</strong><br />
Le seguenti procedure sono state effettuate durante lo stu<strong>di</strong>o:<br />
visita neurologica<br />
valutazione neuropsicologica<br />
esame <strong>di</strong> RM dell’encefalo con meto<strong>di</strong>che non convenzionali<br />
analisi post-processamento <strong>di</strong> immagini<br />
analisi statistica<br />
69
Visita neurologica<br />
Per il reclutamento in serie continua, tutti i pazienti giunti all’osservazione,<br />
dopo una vista neurologica, comprensiva <strong>di</strong> anamnesi ed esame obbiettivo<br />
neurologico, sono stati registrati progressivamente e valutati secondo i criteri <strong>di</strong><br />
inclusione ed esclusione.<br />
I soggetti che hanno presentato i requisiti per l’arruo<strong>la</strong>mento allo stu<strong>di</strong>o e<br />
hanno fornito il loro consenso informato sono stati sottoposti all’esame<br />
neuropsicologico e <strong>di</strong> RM encefalo.<br />
I loro i dati clinici sono stati raccolti su una cartel<strong>la</strong> clinica informatizzata.<br />
70
Valutazione Neuropsicologica<br />
La valutazione ha incluso test neuropsicologici molto dettagliati e<br />
standar<strong>di</strong>zzati nel<strong>la</strong> popo<strong>la</strong>zione italiana.<br />
Oltre ad una valutazione cognitiva globale tramite il MMSE e più approfon<strong>di</strong>ta<br />
per mezzo del Mi<strong>la</strong>n Overoll Dementia Assessment (MODA) 111 , sono state indagate<br />
in maniera specifica <strong>di</strong>verse aree cognitive quali l'attenzione selettiva (test delle<br />
matrici attentive o Visual Search and Attention Test o VSAT 112 ) e l'attenzione<br />
continua (trail making test o TMT 113 A e B), <strong>la</strong> memoria a breve e a lungo termine<br />
u<strong>di</strong>tivo-verbale (test <strong>di</strong> Lista <strong>di</strong> Rey o RAVLT 114 nelle modalità imme<strong>di</strong>ata e <strong>di</strong>fferita<br />
e test del<strong>la</strong> memoria <strong>di</strong> prosa 115 ), <strong>la</strong> memoria imme<strong>di</strong>ata (Test Digit Span Avanti ed<br />
In<strong>di</strong>etro 116 ), le abilità logico-deduttive (Test delle matrici <strong>di</strong> Raven 117 ), il linguaggio<br />
(Test <strong>di</strong> fluenza fonemica e semantica 118 ) e le capacità prassiche (test <strong>di</strong> aprassia<br />
costruttiva 59 ).<br />
I punteggi ottenuti sono stati normalizzati per età e sco<strong>la</strong>rità.<br />
71
Risonanza Magnetica<br />
Acquisizione ed archivio delle immagini <strong>di</strong> RM<br />
L’esame <strong>di</strong> RM è stato eseguito tramite un’apparecchiatura con intensità <strong>di</strong><br />
campo magnetico <strong>di</strong> 1.5 Tes<strong>la</strong>.<br />
I parametri <strong>di</strong> scansione sono stati i seguenti:<br />
FOV: 250 mm<br />
Matrice <strong>di</strong> acquisizione: 256 x 256<br />
Spessore <strong>di</strong> strato : 3 mm<br />
Distanza tra le immagini: 0<br />
Modalità <strong>di</strong> acquisizione inter<strong>la</strong>cciata<br />
Numero <strong>di</strong> sezioni: 44-48<br />
Al fine <strong>di</strong> velocizzare l’acquisizione, si è utilizzato un FOV rettango<strong>la</strong>re con<br />
una lunghezza dell’asse del<strong>la</strong> co<strong>di</strong>fica <strong>di</strong> fase = ¾ FOV<br />
Per ridurre il tempo <strong>di</strong> acquisizione, <strong>la</strong> lunghezza del treno <strong>di</strong> echi (fast turbo<br />
factor) è stata ottimizzata.<br />
I tomogrammi sul piano assiale sono stati posizionati paralleli al<strong>la</strong> linea<br />
passante dal margine superiore del<strong>la</strong> commessura anteriore e dal margine inferiore<br />
del<strong>la</strong> commessura posteriore (linea CA-CP, o bicommissurale). Il volume <strong>di</strong><br />
acquisizione si è esteso oltre <strong>la</strong> corteccia a coprire tutto l’encefalo. Le sezioni sono<br />
state acquisite perpen<strong>di</strong>co<strong>la</strong>rmente al piano sagittale definito come il piano passante<br />
72
lungo il seno sagittale superiore, <strong>la</strong> falce cerebrale, le strutture del<strong>la</strong> linea me<strong>di</strong>ana<br />
lungo <strong>la</strong> sutura fronto-nasale (nasion).<br />
0. Localizer<br />
Sono state effettuate le seguenti acquisizioni:<br />
1. Assiale T1 pesata<br />
2. Assiale DP-T2-T2 (trip<strong>la</strong> echo)<br />
3. Assiale DWI - DTI<br />
4. Assiale 3D Magnetization prepared Fast Low Angle Shot (MP-RAGE)<br />
5. Magnetic resonance spectroscopy<br />
6. Acquisizione con tecnica Chemical Shift Imaging (CSI) SE con TE=30ms con<br />
soppressione del segnale dell’acqua in corrispondenza degli ippocampi e dei centri<br />
semiovali.<br />
Prima dell'inizio dello stu<strong>di</strong>o è stato effettuato un test <strong>di</strong> prova (dummy run)<br />
con un volontario sano.<br />
La copia elettronica degli esami <strong>di</strong> RM è stata archiviata presso <strong>la</strong> Fondazione<br />
Biome<strong>di</strong>ca Europea <strong>di</strong> Roma.<br />
I dati informatici delle immagini <strong>di</strong> RM, in formato DICOM, sono stati<br />
trasferiti presso una work-station presente presso <strong>la</strong> stessa Fondazione.<br />
L'intero <strong>la</strong>voro <strong>di</strong> post-processamento delle neuroimmagini, descritto nei<br />
prossimi paragrafi, è stato svolto presso <strong>la</strong> Fondazione Biome<strong>di</strong>ca Europea, in<br />
col<strong>la</strong>borazione con il Neuroimaging Section del<strong>la</strong> Neurológiai Klinika dell’Albert<br />
Szent-Györgyi Me<strong>di</strong>cal and Pharmaceutical Center Faculty of General Me<strong>di</strong>cine<br />
del<strong>la</strong> University of Szeged per quanto concerne le analisi delle immagini in<br />
73
<strong>di</strong>ffusione. E' stata utilizzata <strong>la</strong> stessa work-station precedentemente menzionata con<br />
un sistema operativo Linux Ubuntu (http://www.ubuntu.com/) per l'intero processo<br />
analitico.<br />
Analisi qualitativa delle immagini <strong>di</strong> RM<br />
L’analisi delle immagini è stata effettuata in<strong>di</strong>pendentemente da operatori<br />
esperti, all’oscuro sia del<strong>la</strong> storia clinica che dei risultati delle analisi quantitative. I<br />
risultati sono stati registrati su appositi moduli. Si sono valutate le seguenti<br />
caratteristiche:<br />
il “rumore” del segnale delle immagini su una sca<strong>la</strong> a tre punti;<br />
gli artefatti da movimento su una sca<strong>la</strong> a tre punti;<br />
altri artefatti, che sono stati descritti e quantificati su una sca<strong>la</strong> a tre punti;<br />
<strong>la</strong> qualità dell’immagine su una sca<strong>la</strong> a cinque punti<br />
Queste altre caratteristiche delle immagini sono state valutate separatamente per<br />
ogni esame <strong>di</strong> RM:<br />
<strong>la</strong> visibilità <strong>di</strong> lesioni iperintense in T2 su una sca<strong>la</strong> a tre punti;<br />
<strong>la</strong> stima visiva del quadro ra<strong>di</strong>ologico dell’atrofia per entità e per se<strong>di</strong>.<br />
Analisi post-processamento delle immagini in <strong>di</strong>ffusione <strong>di</strong> RM<br />
Dopo aver convertito in formato nii.gz i dati acquisiti nel formato standard<br />
.<strong>di</strong>com, è stata effettuata l'estrazione cerebrale e <strong>la</strong> rimozione del cranio tramite<br />
l'applicazione Bet. I dati <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione sono stati corretti per <strong>la</strong> presenza <strong>di</strong> "correnti<br />
74
parassite" e <strong>di</strong> artefatti <strong>di</strong> movimento per effettuare una registrazione lineare ad<br />
un'immagine <strong>di</strong> riferimento pesata non in <strong>di</strong>ffusione per 12 gra<strong>di</strong> libertà 72 .<br />
Le <strong>di</strong>rezioni dei gra<strong>di</strong>enti <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione sono state riorientate secondo i risultati<br />
delle correzioni delle "correnti parassite" 73 .<br />
I tensori <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione per ogni voxel sono stati adattati secondo un algoritmo<br />
incluso nel "Toolbox <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione del FMRIB (FDT)" <strong>di</strong> FSL.<br />
La FA e <strong>la</strong> MD sono state calco<strong>la</strong>te per tutto l'encefalo e corre<strong>la</strong>te con i test<br />
neuropsicologi (fig.19). Abbiamo utilizzato il metodo Tract-Based Spatial Statistics<br />
o TBSS 74 in maniera tale da ridurre <strong>la</strong> comparsa <strong>di</strong> possibili errori dovuti al<br />
<strong>di</strong>sallineamento delle immagini.<br />
Fig. 19. Immagini ottenute grazie all'uso del metodo TBSS e visualizzate tramite FSL view.<br />
In questa fase è stata fondamentale <strong>la</strong> supervisione da parte del Neuroimaging<br />
Section del<strong>la</strong> University of Szeged.<br />
75
I dati <strong>di</strong> FA <strong>di</strong> tutti i soggetti sono stati allineati in uno spazio comune<br />
derivato da immagini <strong>di</strong> FA <strong>di</strong> 58 soggetti sani, utilizzando un applicazione <strong>di</strong><br />
registratura non lineare del FMRIB nota come FNIRT 69 . Questa applicazione, come<br />
sopra illustrato, utilizza una rappresentazione b-spline del<strong>la</strong> registrazione del campo<br />
<strong>di</strong> ripiegatura o warp-field 119 (comando tbss_1_preproc *nii.gz).<br />
E' stata, quin<strong>di</strong>, realizzata un'immagine con me<strong>di</strong>a FA e limitata ad un valore<br />
<strong>di</strong> FA pari a 0.2, che deriva da un"'immagine modello me<strong>di</strong>o" <strong>di</strong> FA che rappresenta i<br />
centri <strong>di</strong> tutti i tratti comuni al nostro campione (comando tbss_2_reg -T, poi<br />
comando tbss_3_postreg -S e, infine, comando tbss_4_prestats 0.2, con controllo<br />
visivo <strong>di</strong> ogni operazione tramite fslview).<br />
I dati <strong>di</strong> FA <strong>di</strong> ogni soggetto sono stati allineati e poi proiettati su questo<br />
modello e i risultati ottenuti sono stati introdotti in un modello statistico multivoxel<br />
dei vari soggetti (applicazione Glm).<br />
L'inferenza statistica basata su un modello standard lineare è stata eseguita<br />
utilizzando un'analisi basata su permutazioni (5000 permutazioni), secondo un<br />
modello già presente in FSL (comando randomise -i).<br />
L'analisi statistica è stata effettuata secondo una soglia predefinita (t = 2.3) e<br />
corretta per comparazioni multiple (spaziali) all'interno <strong>di</strong> un insieme <strong>di</strong><br />
permutazioni comprese tra un'ipotesi nul<strong>la</strong> e un valore massimo per ogni<br />
permutazione (P < 0.05).<br />
76
Analisi post-processamento delle immagini strutturali <strong>di</strong> RM<br />
La ricostruzione tri<strong>di</strong>mensionale del<strong>la</strong> superficie corticale è stata effettuata<br />
sul<strong>la</strong> base delle immagini MPRAGE usando il software FreeSurfer.<br />
La procedura, già descritta nel precedente capitolo, è consistita nel<strong>la</strong><br />
segmentazione del<strong>la</strong> sostanza bianca cerebrale, nel<strong>la</strong> delimitazione del confine tra<br />
sostanza bianca e grigia e nel<strong>la</strong> correzione semi-automatica dei <strong>di</strong>fetti topologici<br />
risultanti dall'analisi del software (Fig. 18). Questo risultato è stato poi utilizzato<br />
Fig. 20. Segmentazione cerebrale<br />
attuata su un soggetto del nostro<br />
stu<strong>di</strong>o<br />
come punto <strong>di</strong> partenza per analizzare <strong>la</strong> superficie delle<br />
aree <strong>di</strong> sostanza bianca, grigia e <strong>la</strong> superficie piale con<br />
precisione sub millimetrica. Sono state ottenute anche le<br />
parcel<strong>la</strong>zioni delle varie RI (Fig. 19).<br />
Per ogni soggetto, lo spessore corticale è stato<br />
analizzato con una griglia con 1 mm <strong>di</strong> spazio tra i due<br />
emisferi.<br />
Le misure <strong>di</strong> spessore corticale sono state mappate sull'immagine<br />
tri<strong>di</strong>mensionale ottenuta dal<strong>la</strong> ricostruzione dell'encefalo <strong>di</strong> ogni soggetto (Fig. 20).<br />
Tutte le immagini<br />
sono state comparate con<br />
una superficie <strong>di</strong> riferimento<br />
usando una tecnica <strong>di</strong><br />
averaging ad alta risoluzione<br />
basata sul<strong>la</strong> superficie. Le<br />
Fig. 21. Parcel<strong>la</strong>zione cerebrale attuata su un soggetto del nostro stu<strong>di</strong>o<br />
77
RI ricavate da un cervello standard sono state mappate sulle immagini re<strong>la</strong>tive ad<br />
ogni partecipante, usando una procedura morfologica ad alta <strong>di</strong>mensione sferica per<br />
trovare le regioni omologhe nei vari soggetti.<br />
Fig. 22. Visualizzazione delle aree corticali cerebrali <strong>di</strong> un soggetto del nostro stu<strong>di</strong>o<br />
78<br />
Infine, il volume<br />
e lo spessore me<strong>di</strong>o<br />
corticale del<strong>la</strong> sostanza<br />
grigia sono stati<br />
analizzati in ciascuna<br />
RI. Lo spessore<br />
corticale è stato,<br />
quin<strong>di</strong>, arrotondato nell'or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> 1 mm <strong>di</strong> grandezza per ridurre l'effetto derivante da<br />
variazioni locali.<br />
Si sono, così, ottenute informazioni <strong>di</strong> volume, superficie e spessore corticale<br />
regionale dal<strong>la</strong> nostra coorte <strong>di</strong> pazienti.<br />
Analisi post-processamento delle immagini in spettroscopia <strong>di</strong> RM<br />
L'indagine <strong>di</strong> RM in spettroscopia è stata condotta per i lobi temporali, parietali<br />
e frontali. I metaboliti presi in considerazione sono stati l'N-aceti<strong>la</strong>spartato (NAA), <strong>la</strong><br />
colina (Cho) e <strong>la</strong> creatina (Cr).
Analisi statistica<br />
I dati <strong>di</strong> DTI, come precedentemente descritto, avevano già parzialmente subito<br />
il processo <strong>di</strong> analisi statistica nel corso del<strong>la</strong> loro analisi grazie al metodo TBSS.<br />
I dati clinici, neuropsicologici e <strong>di</strong> analisi post-processamento delle<br />
neuroimmagini sono stati sottoposti ad analisi statistica utilizzando SPSS 15.0 per<br />
Windows, versione 15.0.1 (SPSS Inc. 2006).<br />
E' stato utilizzato il modello <strong>di</strong> regressione lineare per stimare i coefficienti dei<br />
<strong>di</strong>versi parametri considerati nel<strong>la</strong> determinazione del valore dei test cognitivi (se il<br />
coefficiente è positivo <strong>la</strong> re<strong>la</strong>zione è <strong>di</strong>retta, se invece è negativo <strong>la</strong> re<strong>la</strong>zione è<br />
inversa).<br />
Fig. 23. Analisi <strong>di</strong> immagini in Spettroscopia.<br />
E' stata, quin<strong>di</strong>, effettuata un'analisi <strong>di</strong> corre<strong>la</strong>zione calco<strong>la</strong>ndo i coefficienti <strong>di</strong><br />
corre<strong>la</strong>zione <strong>di</strong> Spearman (rho). In questo stu<strong>di</strong>o sono stati calco<strong>la</strong>ti i valori <strong>di</strong> rho<br />
per valutare <strong>la</strong> corre<strong>la</strong>zione esistente tra:<br />
79
p
Risultati<br />
Non abbiamo ottenuto alcuna corre<strong>la</strong>zione statisticamente significativa tra i<br />
valori <strong>di</strong> MD e i punteggi <strong>di</strong> tutti i test neuropsicologici.<br />
Dall’analisi statistica è emersa, invece, una corre<strong>la</strong>zione selettiva tra i valori <strong>di</strong><br />
FA misurati nel corpo calloso e i punteggi ottenuti ai test MMSE, TMT-B, fluenza<br />
fonemica e RAVLT (in modalità <strong>di</strong>fferita) ed una corre<strong>la</strong>zione tra i valori <strong>di</strong> FA delle<br />
regioni fronto-parieto-temporali destre ed il RAVLT (in modalità <strong>di</strong>fferita). Come<br />
già spiegato precedentemente, è stato <strong>di</strong>rettamente possibile visualizzare i risultati<br />
statistici con l'interfaccia grafica fslview come osservabile nelle figure 24 (a, b, c, d).<br />
Abbiamo ottenuto questi risultati per il MMSE (Fig. 24 a).<br />
Fig. 24 (a). Corre<strong>la</strong>zione tra punteggio del MMSE e dati <strong>di</strong> FA. La Tract-Based Spatial<br />
Statistic (TBSS) in<strong>di</strong>ca una riduzione dei valori <strong>di</strong> anisotropia frazionaria (FA) nel segmento<br />
postero-parietale <strong>di</strong> sinistra del corpo calloso nei pazienti affetti da MA. I valori me<strong>di</strong> <strong>di</strong> FA<br />
sono rappresentati in colore rosso.<br />
81
Abbiamo ottenuto questi risultati per il TMT-B (Fig. 24 b).<br />
Fig. 24 (b). Corre<strong>la</strong>zione tramite TBSS tra punteggio del TMT-B e dati <strong>di</strong> FA. La Tract-<br />
Based Spatial Statistic (TBSS) in<strong>di</strong>ca una riduzione dei valori <strong>di</strong> anisotropia frazionaria (FA)<br />
nel segmento postero-parietale <strong>di</strong> destra del corpo calloso nei pazienti affetti da MA. I valori<br />
me<strong>di</strong> <strong>di</strong> FA sono rappresentati in colore rosso.<br />
Sono emersi questi risultati per il test del<strong>la</strong> fluenza fonemica (Fig. 24 c).<br />
Fig. 24 (c). Corre<strong>la</strong>zione tramite TBSS tra punteggio del test del<strong>la</strong> fluenza fonemica e dati <strong>di</strong><br />
FA. La Tract-Based Spatial Statistic (TBSS) in<strong>di</strong>ca una riduzione dei valori <strong>di</strong> anisotropia<br />
frazionaria (FA) in tutte le porzioni del corpo calloso nei pazienti affetti da MA. I valori me<strong>di</strong><br />
<strong>di</strong> FA sono rappresentati in colore rosso.<br />
82
E, quin<strong>di</strong>, abbiamo osservato questi risultati per il RAVLT.<br />
Fig. 24 (e). Corre<strong>la</strong>zione tramite TBSS tra punteggio del RAVLT (in modalità <strong>di</strong>fferita) e dati<br />
<strong>di</strong> FA. La Tract-Based Spatial Statistic (TBSS) in<strong>di</strong>ca una riduzione dei valori <strong>di</strong> anisotropia<br />
frazionaria (FA) nel segmento antero-frontale bi<strong>la</strong>terale, postero-frontale destro del corpo<br />
calloso nei pazienti affetti da MA. I valori me<strong>di</strong> <strong>di</strong> FA sono rappresentati in colore rosso.<br />
Terminata l'analisi dei dati <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione, abbiamo effettuato un'analisi dei dati<br />
ottenuti tramite <strong>la</strong> valutazione degli spessori e dei volumi regionali cerebrali<br />
utilizzando FreeSurfer ed i punteggi ottenuti dai soggetti affetti da MA ai test<br />
neuropsicologici.<br />
Per effettuare tale corre<strong>la</strong>zione abbiamo utilizzato il coefficiente <strong>di</strong><br />
corre<strong>la</strong>zione <strong>di</strong> Spearman.<br />
Abbiamo osservato varie corre<strong>la</strong>zioni significative tra il RAVLT (in modalità<br />
imme<strong>di</strong>ata e <strong>di</strong>fferita) ed il test delle matrici progressive <strong>di</strong> Raven e lo spessore <strong>di</strong><br />
varie aree corticali sinistre.<br />
83
Tuttavia, il dato più rilevante è stato <strong>la</strong> <strong>di</strong>retta corre<strong>la</strong>zione tra il punteggio ottenuto<br />
al MMSE e lo spessore del<strong>la</strong> corteccia entorinale destra, lo spessore dell'area<br />
fusiforme e lo spessore del polo temporale infero-superiore (P>0.01) come visibile in<br />
figura 25.<br />
Fig. 25.Il MMSE appariva <strong>di</strong>rettamente corre<strong>la</strong>to con lo spessore del<strong>la</strong> corteccia entorinale<br />
destra, con l'area fusiforme e con il polo temporale infero-superiore (P>0.01).Il co<strong>di</strong>ce <strong>di</strong><br />
colori per il valori <strong>di</strong> P è espresso da una sca<strong>la</strong> logaritmica da 1 a 5. I colori più cal<strong>di</strong><br />
rappresentano le regioni in cui <strong>la</strong> severità del <strong>di</strong>sturbo cognitivo corre<strong>la</strong>va maggiormente<br />
con <strong>la</strong> riduzione <strong>di</strong> spessore corticale.<br />
Sempre utilizzando il coefficiente <strong>di</strong> corre<strong>la</strong>zione <strong>di</strong> Spearman abbiamo<br />
ottenuto delle corre<strong>la</strong>zioni tra il rapporto NAA/Cr e il rapporto Cho/Cr valutati nei<br />
lobi temporali, parietali e frontali e i punteggi ottenuti ai test neuropsicologici dai<br />
soggetti affetti da MA.<br />
84
E' emerso, in partico<strong>la</strong>re, che esiste un'elevata e significativa corre<strong>la</strong>zione tra<br />
alcuni test neuropsicologici e il rapporto NAA/Cr del<strong>la</strong> sostanza bianca frontale<br />
destra e del<strong>la</strong> sostanza grigia frontale sinistra. Inoltre, <strong>la</strong> stessa analisi ha <strong>di</strong>mostrato<br />
una corre<strong>la</strong>zione significativa tra i test neuropsicologici e il rapporto Cho/Cr del<strong>la</strong><br />
sostanza grigia mesiale occipitale (Tab. 2).<br />
Tab. 2. L'analisi <strong>di</strong> corre<strong>la</strong>zione tramite i coefficienti <strong>di</strong> corre<strong>la</strong>zione <strong>di</strong> Spearman (Rho) del rapporto NAA/Cr ha mostrato che<br />
esiste un'elevata e significativa corre<strong>la</strong>zione tra alcuni test neuropsicologici e <strong>la</strong> sostanza bianca frontale destra e <strong>la</strong> sostanza<br />
grigia frontale sinistra. Inoltre, <strong>la</strong> stessa analisi ha <strong>di</strong>mostrato una corre<strong>la</strong>zione significativa tra i test neuropsicologici e il<br />
rapporto Cho/Cr del<strong>la</strong> sostanza grigia mesiale occipitale.<br />
Il risultato più importante è stato, infine, ottenuto utilizzando l'analisi<br />
multimodale d'immagine: abbiamo, infatti, osservato, in questa maniera, una<br />
re<strong>la</strong>zione combinata tra valore <strong>di</strong> FA del corpo calloso, il suo volume ed il punteggio<br />
del MMSE.<br />
85
Discussione<br />
Nel nostro stu<strong>di</strong>o abbiamo osservato interessanti evidenze.<br />
Innanzitutto, le microstrutture del<strong>la</strong> sostanza bianca valutate con il metodo<br />
TBSS appaiono significativamente alterate nei paziente affetti da MA.<br />
In partico<strong>la</strong>re, il dato più rilevante appare <strong>la</strong> degenerazione delle fibre del<br />
corpo calloso nel<strong>la</strong> patogenesi dei <strong>di</strong>sturbi cognitivi dei soggetti affetti da MA, come<br />
<strong>di</strong>mostrato dal<strong>la</strong> re<strong>la</strong>zione tra i test neuropsicologici alterati e i ridotti valori <strong>di</strong> FA<br />
del corpo calloso dei paziente affetti da MA. Questo dato viene integrato anche<br />
dall'evidenza anatomica <strong>di</strong> riduzione <strong>di</strong> volume globale del corpo calloso valutata<br />
tramite FreeSurfer.<br />
Tale "danno" appare intimamente corre<strong>la</strong>to soprattutto ai <strong>di</strong>sturbi mnesici,<br />
verbali e attentivi presenti nel<strong>la</strong> MA.<br />
Il corpo calloso rappresenta <strong>la</strong> più ampia via <strong>di</strong> connessione <strong>di</strong> fibre <strong>di</strong> sostanza<br />
bianca nel nostro cervello e <strong>la</strong> conoscenza dei suoi cambiamenti corre<strong>la</strong>ti all'età e alle<br />
patologie è uno degli aspetti chiave per comprendere il suo ruolo nei processi<br />
cognitivi.<br />
A partire dal 2005 120 sono stati effettuati molti stu<strong>di</strong> trattografia volti ad<br />
analizzare il ruolo del corpo calloso nei processi cognitivi.<br />
Nel 2010, proprio utilizzando tecniche trattografiche, un gruppo <strong>di</strong> ricercatori<br />
canadesi ha realizzato un "at<strong>la</strong>nte probabilistico" in cui sono virtualmente ricostruiti<br />
86
en definiti segmenti del corpo calloso sul<strong>la</strong> base del<strong>la</strong> loro area corticale <strong>di</strong><br />
connessione 121 .<br />
Su queste basi, il corpo calloso viene ormai comunemente <strong>di</strong>stinto in sette<br />
<strong>di</strong>stinti segmenti sul<strong>la</strong> base delle aree corticali bersaglio: orbito-frontale (OF), antero-<br />
frontale (AF), supero-frontale (SF), supero-parietale (SP), postero-parietale (PP),<br />
temporale (Temp) ed occipitale (Occ).<br />
Fig. 26. Segmentazione del corpo calloso tramite trattografia. Corpus callosum parcel<strong>la</strong>tion<br />
by tractography. Il corpo calloso viene convenzionalmente <strong>di</strong>viso in sette segmenti separati:<br />
orbito-frontale (OF), antero- frontale (AF), supero-frontale (SF), supero-parietale (SP),<br />
postero-parietale (PP), temporale (Temp) e occipitale (Occ).<br />
La segmentazione del corpo calloso in sette porzioni, invece del<strong>la</strong> c<strong>la</strong>ssica<br />
<strong>di</strong>visione anatomo-patologica in quattro porzioni (rostro, genio, corpo e splenio)<br />
permette una più dettagliata localizzazione delle alterazioni dovute ai processi<br />
patologici.<br />
87
Sul<strong>la</strong> base <strong>di</strong> queste recenti evidenze, noi abbiamo evidenziato una<br />
corre<strong>la</strong>zione tra le prestazioni attentive e cognitive globali e <strong>la</strong> degenerazione del<br />
segmento postero-parietale del corpo calloso e una corre<strong>la</strong>zione tra <strong>la</strong> degenerazione<br />
globale <strong>di</strong> questa struttura e le funzioni fonemiche.<br />
Da un punto <strong>di</strong> vista fisiopatologico questi risultati confermano che <strong>di</strong>fferenti<br />
pattern <strong>di</strong> alterazione del<strong>la</strong> sostanza bianca del corpo calloso siano associati al<strong>la</strong><br />
MA 122 . Ciò supporta l’ipotesi che le “<strong>di</strong>sconnessioni cerebrali” svolgano un ruolo<br />
fondamentale nel<strong>la</strong> patogenesi del<strong>la</strong> MA, contribuendo ai <strong>di</strong>sturbi cognitivi<br />
soprattutto mnesici ed attentivi nel<strong>la</strong> fase iniziale-moderata del<strong>la</strong> MA (ricor<strong>di</strong>amo, a<br />
tal proposito, che il nostro campione aveva un punteggio me<strong>di</strong>o <strong>di</strong> MMSE <strong>di</strong> circa<br />
20).<br />
Al dato ultrastrutturale ottenuto con i dati <strong>di</strong> RM in <strong>di</strong>ffusione occorre<br />
aggiungere <strong>la</strong> corre<strong>la</strong>zione anatomica tra il volume del corpo calloso ed il punteggio<br />
del MMSE.<br />
Tuttavia dal nostro stu<strong>di</strong>o sono emersi anche altri interessanti dati anatomici,<br />
analizzando <strong>la</strong> re<strong>la</strong>zione tra <strong>la</strong> gravità dei <strong>di</strong>sturbi cognitivi ed il volume e lo spessore<br />
corticale <strong>di</strong> alcune strutture cerebrali primariamente interessate dal processo<br />
neurodegenerativo del<strong>la</strong> MA.<br />
Il dato più rilevante è <strong>la</strong> corre<strong>la</strong>zione tra il test MMSE e lo spessore del<strong>la</strong><br />
corteccia entorinale, del giro fusiforme e del polo temporale. Il dato <strong>di</strong>mostra, infatti,<br />
da un <strong>la</strong>to, l'importanza del ruolo del MMSE come test <strong>di</strong> screening globale dei<br />
88
<strong>di</strong>sturbi cognitivi, considerata <strong>la</strong> sua importante corre<strong>la</strong>zione con l'atrofia delle<br />
strutture primariamente interessate dal<strong>la</strong> MA e, dall'altro <strong>la</strong>to, il valore <strong>di</strong>agnostico<br />
del<strong>la</strong> valutazione dello spessore corticale nel<strong>la</strong> MA, proprio in considerazione del<strong>la</strong><br />
sua corre<strong>la</strong>zione con il punteggio del MMSE.<br />
Oltre a questi risultati re<strong>la</strong>tivi al MMSE, lo stu<strong>di</strong>o ha mostrato che le funzioni<br />
cognitive che più corre<strong>la</strong>no con il processo atrofico appaiono essere <strong>la</strong> memoria e le<br />
abilità logico-deduttive.<br />
Al danno anatomico delle strutture corticali temporo-mesiali, occorre<br />
aggiungere l'evidenza <strong>di</strong> danno <strong>di</strong> natura metabolica in<strong>di</strong>viduato dai nostri stu<strong>di</strong><br />
spettroscopici.<br />
Il rapporto NAA/Cr nel<strong>la</strong> sostanza bianca frontale destra corre<strong>la</strong> con i test<br />
in<strong>di</strong>canti i <strong>di</strong>sturbi <strong>di</strong> memoria e linguaggio e anche con il MMSE, in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> declino<br />
cognitivo globale.<br />
Lo stesso rapporto nel<strong>la</strong> corteccia frontale sinistra è apparso corre<strong>la</strong>to con i<br />
<strong>di</strong>sturbi del<strong>la</strong> memoria <strong>di</strong> prosa e con il declino cognitivo globale, mentre il rapporto<br />
Cho/Cr nel<strong>la</strong> sostanza occipitale mesiale destra corre<strong>la</strong>va con i <strong>di</strong>sturbi attentivi.<br />
Come noto, nel<strong>la</strong> MA è presente proprio una <strong>di</strong>minuzione caratteristica e consistente<br />
<strong>di</strong> NAA parietooccipitale 123 e proprio il rapporto NAA/Cr ratio nel<strong>la</strong> corteccia del<br />
lobo occipitale sinistro ha una sensibilita del 78% e una specificita del 69% nel<br />
pre<strong>di</strong>re lo sviluppo <strong>di</strong> demenza in soggetti affetti da MCI 124 .<br />
Occorre aggiungere che le misurazioni ottenuti dall’e<strong>la</strong>borazione dei dati <strong>di</strong><br />
RM appaiono in linea con quanto evidenziato anche dagli stu<strong>di</strong> neuropatologici nel<strong>la</strong><br />
<strong>di</strong>agnosi <strong>di</strong>fferenziale tra soggetti sani e soggetti affetti da MA 125 126 e contribuiscono<br />
89
in maniera sostanziale al miglioramento del<strong>la</strong> <strong>di</strong>agnosi, rispetto all’uso dei soli test<br />
neuropsicologici.<br />
Prima <strong>di</strong> giungere alle conclusioni occorre sottolineare il fatto che questo<br />
stu<strong>di</strong>o presenta alcuni limiti ovvero <strong>la</strong> ridotta <strong>di</strong>mensione del campione <strong>di</strong><br />
popo<strong>la</strong>zione in esame, l’assenza <strong>di</strong> un campione <strong>di</strong> controllo e, ovviamente, l’assenza<br />
<strong>di</strong> una conferma neuropatologica del<strong>la</strong> <strong>di</strong>agnosi.<br />
Dobbiamo tuttavia sottolineare che si tratta <strong>di</strong> risultati preliminari ottenuti su<br />
un piccolo gruppo <strong>di</strong> pazienti.<br />
Ulteriori stu<strong>di</strong> saranno necessari per confermare i nostri dati.<br />
Possiamo, pertanto, concludere che, analizzando insieme dati <strong>di</strong> <strong>di</strong>ffusione con<br />
i dati strutturali, il nostro stu<strong>di</strong>o ha permesso <strong>di</strong> evidenziare una corre<strong>la</strong>zione in vivo<br />
tra parametri anatomici e ultrastrutturali e parametri cognitivi.<br />
La combinazione <strong>di</strong> meto<strong>di</strong>che <strong>di</strong>fferenti <strong>di</strong> risonanza magnetica non<br />
convenzionale che valutino <strong>la</strong> morfometria, <strong>la</strong> spettroscopia <strong>la</strong> MD e <strong>la</strong> FA fornisce<br />
un nuovo utile approccio per <strong>la</strong> valutazione anatomica, metabolica ed ultrastrutturale<br />
dei processi neurodegenerativi al<strong>la</strong> base del<strong>la</strong> MA.<br />
90
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