Pazienti sottoposti a tomografia a emissione di positroni (PET) nell'odierno ingombrante, le macchine a forma di ciambella devono rimanere completamente ferme. A causa di ciò, gli scienziati non possono utilizzare gli scanner per scoprire i collegamenti tra il movimento e l'attività cerebrale. Cosa succede lassù quando annuiamo o ci stringiamo la mano? In che modo il cervello delle persone che lottano per camminare dopo un ictus è diverso da quelli che possono farlo?

Per affrontare domande come queste, Julie Brefczynski-Lewis, un neuroscienziato della West Virginia University (WVU), ha collaborato con Stan Majewski, un fisico alla WVU e ora all'Università della Virginia, per sviluppare uno scanner cerebrale PET miniaturizzato. Lo scanner può essere "indossato" come un casco, consentendo ai soggetti di ricerca di stare in piedi e fare movimenti mentre il dispositivo esegue la scansione. Questo scanner per tomografia a emissione di positroni a microdose ambulatoriale (AMPET) potrebbe lanciare nuovi studi psicologici e clinici su come funziona il cervello quando è affetto da malattie dall'epilessia alla dipendenza, e durante le interazioni sociali ordinarie e disfunzionali.

"Ci sono tante possibilità, " disse Brefczynski-Lewis, "Gli scienziati potrebbero usare AMPET per studiare l'Alzheimer o le lesioni cerebrali traumatiche, o anche il nostro senso di equilibrio. Vogliamo spingere i limiti della mobilità delle immagini con questo dispositivo."

L'idea è nata da uno scanner sviluppato per studiare i ratti, un progetto iniziato nel 2002 presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Majewski, un fisico ad alta energia per formazione, originariamente aveva sentito parlare del progetto "RatCAP" di Brookhaven perché correva negli stessi circoli di fisici di molti membri del team RatCAP.

"Ho saputo cosa stavano facendo i miei amici e colleghi di Brookhaven, " disse Majewski, "e ha deciso di costruire lo stesso tipo di dispositivo per gli umani".

Gli inizi di Brookhaven

L'animale domestico cosciente del topo, o RatCAP, lo scanner è un anello da 250 grammi che si adatta alla testa di un topo, sospeso da molle per sostenerne il peso e lasciare che il topo si sposti mentre il dispositivo esegue la scansione. Nora Volkow, capo della divisione Life Sciences di Brookhaven all'epoca, ha avuto l'idea di immaginare il cervello di animali svegli e in movimento.

"Volevo fare scansioni PET sugli animali senza dover usare l'anestesia, " disse Volkow, che ora è il direttore del National Institute on Drug Abuse. A differenza degli umani, non si può dire agli animali di restare semplicemente fermi in uno scanner. Ma l'anestesia necessaria per farli sdraiare confonde ancora i risultati. "Influisce sulla distribuzione del radiotracciante PET e inibisce i neuroni, " ha detto Volkow. Uno scanner indossabile, però, si muoverebbe con il cervello dell'animale ed eliminerebbe la necessità di anestesia (vedi COME FUNZIONA L'ANIMALE DOMESTICO). Volkow ha chiesto l'aiuto di scienziati e ingegneri di Brookhaven per trasformare l'idea in realtà.

Particelle di tracciamento

Fortunatamente, c'è una grande sovrapposizione tra l'imaging medico e la fisica nucleare, un argomento in cui Brookhaven Lab è leader mondiale. Oggi, i fisici del laboratorio utilizzano una tecnologia simile agli scanner PET del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), dove devono tracciare le particelle che volano fuori da collisioni a velocità quasi della luce di nuclei carichi. La ricerca PET presso il Lab risale ai primi anni '60 e include la creazione del primo scanner a piano singolo e varie molecole traccianti.

"Entrambi i campi pensano alle stesse cose:come funzionano i fotorilevatori, come funzionano i cristalli scintillanti, come funziona l'elettronica, ", ha detto il fisico di Brookhaven Craig Woody. "Scanner PET, così come TC [tomografia computerizzata] e risonanza magnetica [risonanza magnetica], sono usati dai medici ma sono costruiti da fisici rivelatori."

legnoso, che ora sta lavorando a un nuovo rivelatore di particelle per RHIC, ha guidato il progetto RatCAP con David Schlyer e Paul Vaska. Al tempo, Schlyer e Vaska erano a capo delle operazioni di ciclotrone di Brookhaven e della fisica PET, rispettivamente. Schlyer è ora uno scienziato emerito al Lab e Vaska è professore di ingegneria biomedica alla Stony Brook University.

Nella progettazione dello scanner su piccola scala, il team ha utilizzato i recenti progressi nella tecnologia dei rivelatori. Ad esempio, hanno usato cristalli densi per convertire i fotoni gamma generati dalle interazioni positroni-elettroni in luce visibile, insieme a piccoli sensori di rilevamento della luce chiamati fotodiodi a valanga. Hanno anche usato un'elettronica speciale sviluppata a Brookhaven e incorporata nel compatto, rilevatore di PET leggero. La sospensione della struttura su lunghe molle ha aiutato a sostenerne il peso in modo che i topi potessero "indossare" lo scanner mentre si muovevano facilmente.

"È stato uno sforzo molto collaborativo, " ha detto Schlyer, che ha prodotto i radioisotopi necessari per le scansioni. "Avevamo persone di fisica, biologia, chimica, medicinale, ed elettrotecnica".

Dai topi ai cappelli

Si è sparsa la voce su RatCAP quando gli scienziati hanno presentato i loro progressi a conferenze e riunioni. Stan Majewski, poi al Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) del DOE, preso atto. Aveva lavorato su nuovi metodi di imaging del cancro al seno, applicando la sua esperienza di rivelatore di fisica ad alta energia al campo medico.

"Conosco Stan da molto tempo:abbiamo lavorato insieme al CERN, il laboratorio europeo di fisica nucleare, " ha detto Woody. "Devo dargli credito perché diceva costantemente 'dovresti davvero fare fisica medica.'"

Majewski ha notato che la direzione di Jefferson Lab è stata molto favorevole al progetto e ha fornito un po' di denaro iniziale anche dopo che si è trasferito alla WVU per fare più lavoro sull'imaging medico. Mentre era lì ha ampliato le idee del RatCAP e ha costruito un prototipo di imager cerebrale PET indossabile per gli esseri umani.

"Uno strumento di imaging cerebrale mobile ha applicazioni nella ricerca psicologica e negli usi clinici, " Ha detto Majewski. "Si potrebbe fare l'imaging al capezzale dell'epilessia, Per esempio, e guarda cosa succede nel cervello durante un attacco."

Il prototipo "Helmet_PET" di Majewski, brevettato nel 2011, fotomoltiplicatori al silicio usati, un nuovo, fotorivelatore altrettanto compatto ma più efficiente dei fotodiodi a valanga utilizzati in RatCAP.

"Stan ha visto il potenziale nel RatCAP e lo ha portato oltre, " disse Woody.

Il disegno di brevetto del prototipo era seduto sulla scrivania di Majewski alla WVU quando Brefczynski-Lewis, un neuroscienziato, entrò. Il disegno di un rilevatore a forma di elmo su una persona eretta attirò la sua attenzione.

"Sono sempre stato infastidito da questa zona centrale del cervello che non si poteva raggiungere con altre tecnologie di imaging, " ha detto. "Con l'elettroencefalografia (EEG) non puoi raggiungere le strutture cerebrali profonde, ma con PET e risonanza magnetica non puoi avere movimento. Pensavo che il dispositivo di Stan potesse riempire questa nicchia".

Dopo aver costruito il primo prototipo alla WVU, i due scienziati hanno iniziato a utilizzare Helmet_PET per visualizzare il cervello di pazienti volontari. Dopo che Majewski si è trasferito all'Università della Virginia, il team ha sviluppato un nuovo modello del dispositivo, ora noto come AMPET. L'attuale cappuccio per imaging è progettato per eseguire la scansione di una persona in piedi ed è fissato a un supporto sopraelevato, consentendo un po' di movimento.

AMPET ha una grande somiglianza con uno dei primi scanner per PET costruiti a Brookhaven, soprannominato l'"asciugacapelli".

"Le idee sono quasi arrivate al punto di partenza, " ha detto Schlyer. "Ciò che è cambiato è la tecnologia che rende possibili questi dispositivi".

Il team AMPET spera di iniziare presto a sviluppare uno scanner per tutto il cervello, uno che copra l'intera testa invece di esaminare una sezione orizzontale di cinque centimetri, come l'anello attuale.

Il microdose ha un grande potenziale

Poiché AMPET si trova così vicino al cervello, può "catturare" più fotoni provenienti dai radiotraccianti utilizzati nella PET di quanto possano fare gli scanner più grandi. Ciò significa che i ricercatori possono somministrare una dose inferiore di materiale radioattivo e ottenere comunque una buona istantanea biologica. La cattura di più segnali consente inoltre ad AMPET di creare immagini a risoluzione più elevata rispetto al normale PET.

Ma soprattutto, Le scansioni PET consentono ai ricercatori di vedere più lontano nel corpo rispetto ad altri strumenti di imaging. Ciò consente ad AMPET di raggiungere strutture neurali profonde mentre i soggetti di ricerca sono in posizione eretta e in movimento.

"Molte delle cose importanti che stanno accadendo con l'emozione, memoria, e il comportamento sono molto profondi al centro del cervello:i gangli della base, ippocampo, amigdala, " ha detto Brefczynski-Lewis.

Dal punto di vista di uno psicologo o di un neuroscienziato, AMPET potrebbe aprire le porte a una varietà di esperimenti, dall'esplorazione delle reazioni del cervello a diversi ambienti ai meccanismi coinvolti nel litigare o nell'essere innamorati.

Brefczynski-Lewis ha descritto i modi per utilizzare AMPET per studiare l'attività cerebrale che è alla base delle emozioni. "Attualmente stiamo effettuando dei test per convalidare l'uso di ambienti di realtà virtuale in esperimenti futuri, " ha detto. In questa "realtà virtuale, " i volontari leggevano da un copione pensato per far arrabbiare il soggetto, Per esempio, mentre il suo cervello viene scansionato.

In ambito medico, il casco per la scansione potrebbe aiutare a spiegare cosa succede durante i trattamenti farmacologici, o far luce sui disturbi del movimento.

"C'è una sottopopolazione di malati di Parkinson che ha grandi difficoltà a camminare, ma può andare in bicicletta con facilità e senza esitazione, " ha detto Schlyer, che è anche professore a contratto nel dipartimento di radiologia del Weill Cornell Medical College, dove studia il Parkinson. "Cosa sta succedendo nel loro cervello che rende queste due attività così diverse? Con questo dispositivo potremmo monitorare l'attivazione cerebrale regionale mentre i pazienti camminano e vanno in bicicletta, e potenzialmente rispondere a questa domanda."

Brefczynski-Lewis ha osservato, "Abbiamo ripreso con successo il cervello di qualcuno che cammina sul posto. Ora siamo pronti per costruire una versione pronta per il laboratorio. È stato un viaggio entusiasmante, scoprire le esigenze di diversi neuroscienziati e sviluppare questo dispositivo che speriamo un giorno soddisfi tali esigenze , e aiutare nella nostra ricerca per capire il cervello."

Il progetto RatCAP a Brookhaven è stato finanziato dal DOE Office of Science. RHIC è un DOE Office of Science User Facility per la ricerca sulla fisica nucleare.