Risonanza magnetica funzionale, o fMRI, ha trasformato la nostra visione del cervello, consentendo ai ricercatori di individuare le aree associate a qualsiasi cosa, dalla depressione e demenza al gioco degli scacchi e al sesso.

Il suo limite fondamentale, però, è la risoluzione:anche gli scanner più potenti, utilizzando potenti magneti da 7 a 10 Tesla (da 7T a 10T), spesso possono solo localizzare l'attività all'interno di una regione che misura diversi millimetri di lato - le dimensioni di un chicco di riso - che comprende circa 100, 000 singoli neuroni che fanno una varietà di cose diverse.

Per ingrandire gruppi più piccoli di neuroni, Università della California, I ricercatori di Berkeley hanno reinventato le tecniche e gli strumenti fMRI per aumentare la risoluzione di un fattore 20. Utilizzeranno una nuova sovvenzione da 13,43 milioni di dollari della BRAIN Initiative del National Institutes of Health per costruire il NexGen 7T entro il 2019 per fornire le immagini del cervello con la più alta risoluzione mai ottenuto, in grado di concentrarsi su una regione delle dimensioni di un seme di papavero.

"La nostra innovazione nella tecnologia MRI richiede una riprogettazione totale di quasi tutti i componenti dello scanner, non solo un cambiamento incrementale, " ha affermato il ricercatore capo David Feinberg, professore a contratto presso l'Helen Wills Neuroscience Institute presso l'UC Berkeley e presidente di Advanced MRI Technologies. "L'imaging a risoluzione molto più elevata supererà le barriere dimensionali nell'imaging della corteccia e dovrebbe portare a nuove scoperte nel cervello umano, si spera con un impatto medico importante".

Con la capacità di individuare l'attività entro un volume di 0,4 millimetri su un lato, saranno in grado di visualizzare regioni funzionali in cui la maggior parte dei neuroni è coinvolta nello stesso tipo di elaborazione. Le dimensioni sono fondamentali perché lo strato esterno del cervello, la corteccia cerebrale, è composto da microcircuiti ripetuti sotto forma di colonne di neuroni di 0,4 millimetri di lato e 2 millimetri di lunghezza. Nella corteccia visiva, Per esempio, ogni colonna risponde ad una specifica caratteristica del mondo sensoriale, come i bordi verticali degli oggetti rispetto ai bordi orizzontali.

La risonanza magnetica ad altissima risoluzione sarà in grado di ingrandire queste colonne e registrare la loro attività, e collegheranno più facilmente queste colonne con studi sull'attività dei singoli neuroni.

"Questo è un progresso rivoluzionario, " disse Ehud Isacoff, direttore dell'Helen Wills Neuroscience Institute e professore di biologia molecolare e cellulare. "Porterebbe gli studi sulla funzione e sui circuiti del cervello umano alla scala più fine, scrutando il microcircuito corticale fondamentale e, così, consentono di mettere in relazione l'analisi non invasiva della funzione del cervello umano con studi animali invasivi di cellule e circuiti locali in un modo mai possibile prima."

Monitoraggio del flusso sanguigno

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) funziona monitorando il sangue ossigenato mentre si muove attraverso il cervello. I neuroni attivi richiedono più ossigeno per bruciare carburante e quindi richiedono la consegna di più sangue ossigenato.

La risonanza magnetica clinica viene in genere utilizzata per cercare anomalie nel flusso sanguigno nel cervello; fMRI viene utilizzato principalmente per ricercare la funzione cerebrale, localizzare aree attive durante processi come la percezione o la memorizzazione.

La risoluzione spaziale delle registrazioni fMRI dipende dalla variazione o dal gradiente del campo magnetico e indirettamente dalle dimensioni dei rivelatori, che sono bobine di filo disposte intorno alla testa per captare segnali deboli. Sebbene la risonanza magnetica clinica richieda bobine di grandi dimensioni per acquisire immagini in profondità nel cervello, Feinberg ha progettato un sistema fMRI con un numero molto maggiore di bobine più piccole che forniscono un segnale molto più forte, ottenendo la risoluzione più elevata nella superficie esterna del cervello necessaria per identificare gli strati chiave della corteccia.

Il nuovo scanner darà ai neuroscienziati la capacità di concentrarsi sugli strati corticali dove risiede la maggior parte dei circuiti neuronali e di identificare meglio i circuiti su larga scala che collegano diverse regioni del cervello.

Feinberg e i suoi colleghi collaboreranno con Siemens, leader mondiale nella produzione di scanner MRI, non solo per costruire componenti per il nuovo sistema fMRI, ma per garantire che il progetto possa essere rapidamente potenziato per produrre scanner di prossima generazione per i ricercatori di tutto il mondo.

"Si tratta di un nuovo tipo di partenariato che consentirà una diffusione senza precedenti di conoscenza e innovazione alla comunità della ricerca, "ha detto Isacoff.

Feinberg, un fisico, collaborerà con Chunlei Liu, un professore associato di ingegneria elettrica e informatica specializzato in imaging RM; Jack Galant, un professore di psicologia che ha collaborato con Feinberg per testare nuovi modi di estrarre informazioni dalle odierne fMRI; Ana Arias, un professore di EECS ed esperto di elettronica flessibile; Michael Lustig, un professore associato di EECS che ha sviluppato nuovi modi per accelerare la scansione MRI; Michele Argento, un professore di optometria che utilizza la fMRI per studiare le aree visive del cervello e come l'elaborazione neuronale in queste aree sia influenzata dall'attenzione e dall'apprendimento percettivo; e Pratik Mukherjee, un neuroradiologo clinico e professore di radiologia e bioingegneria presso l'UCSF e l'ospedale San Francisco Veterans Administration, che spera di utilizzare la nuova fMRI per comprendere e trattare le lesioni cerebrali traumatiche, autismo ed epilessia.

Ulteriori collaboratori chiave includono ricercatori del dipartimento di radiologia dell'ospedale generale dell'Università di Harvard/Massachusetts, tra cui Kawin Setsompop, un ingegnere all'avanguardia nella tecnologia di accelerazione delle immagini; Lawrence Wald, un fisico che progetta e integra la tecnologia delle bobine; e Jonathan Polimeni, uno scienziato focalizzato sulla fMRI ad alta risoluzione.

"La risoluzione migliorata deriva dalle innovazioni nella progettazione dell'hardware, controllo dello scanner e calcolo delle immagini, " disse Liù, il co-responsabile del progetto.

Galante, Liu e Silver sono anche membri dell'Helen Wills Neuroscience Institute e della Berkeley Brain Initiative.

Berkeley e risonanza magnetica

"Il risultato di questa risonanza magnetica ad altissima risoluzione sarà la visione più avanzata di come le proprietà della mente, come la percezione, memoria e coscienza, emergono da operazioni cerebrali, " Feinberg ha detto. "La capacità di osservare i disturbi nelle strutture e nelle funzioni cerebrali farà avanzare radicalmente la diagnosi e la comprensione delle malattie neurologiche e neurodegenerative".

La UC Berkeley è stata coinvolta nello sviluppo della risonanza magnetica da quando, poco dopo la scoperta della risonanza magnetica nucleare, negli anni '40. Il defunto fisico dell'Università di Berkeley Erwin Hahn ha fatto diverse scoperte chiave, compreso l'effetto spin echo, che ha portato alla moderna risonanza magnetica.

Hahn ha descritto i principi della creazione di un segnale di eco gradiente commutando rapidamente un gradiente magnetico, e l'eco gradiente è diventato il fondamento dell'imaging echo planar (EPI), ora utilizzato essenzialmente per tutti fMRI, ha detto Feinberg. EPI, che crea fotogrammi di filmati istantanei del cervello per eseguire fMRI, è stato inventato da Sir Peter Mansfield, che nel 2003 ha condiviso il Premio Nobel per la fisiologia o la medicina per lo sviluppo della risonanza magnetica.

Il premio BRAIN Initiative a Feinberg è la più grande delle quattro sovvenzioni quinquennali per un totale di 39,7 milioni di dollari annunciate la scorsa settimana dal National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, assegnato ai ricercatori che sviluppano strumenti di imaging non invasivi per studiare il cervello umano

"Ogni progetto si basa su concetti nuovi, che rappresentano i tipi di strumenti di cui abbiamo bisogno per il futuro dell'imaging non invasivo per la comunità delle neuroscienze, " disse Guoying Liu, direttore del programma MRI presso il NIBIB.