Risonanza magnetica: una finestra sul cervello

Quando Bradley Peterson, psichiatra e ricercatore alla Columbia University, si è offerto di scansionare il mio cervello con una risonanza magnetica delle dimensioni di un piccolo rimorchio Airstream, ho detto subito di sì. Ho passato 10 minuti a compilare una lista di controllo lunga una pagina (ho mentito sulla domanda chiedendomi se ero claustrofobico) e altri pochi minuti a svuotare le tasche e a liberarmi di chiavi, orologio da polso e penna, che potrebbero diventare missili all'interno del potente magnete della risonanza magnetica. campo.

Mi sdraiai su uno stretto pagliericcio che scivolò nella macchina come un cassetto in un obitorio. La macchina gemette e rimbombò mentre sbirciava all'interno del mio cranio, poi tacque. Con un leggero ronzio, il pagliericcio scivolò fuori e io mi rilassai. Più o meno nel tempo necessario per masterizzare alcuni CD sul mio laptop, Peterson era chino su uno schermo, mostrandomi un'immagine dettagliata del mio cervello in bianco e nero.

Questa storia faceva parte del nostro numero di dicembre 2005

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Le scansioni cerebrali come quella che ho fatto ora sono di routine, utilizzate per tutto, dall'individuazione di segni di ictus alla ricerca di sospetti tumori. Ma ricercatori come Peterson stanno spingendo la tecnologia della risonanza magnetica più in là di quanto chiunque pensasse potesse andare. Nell'ultimo decennio circa, la risonanza magnetica è stata riorganizzata per rivelare non solo l'anatomia del cervello, ma anche il modo in cui funziona.

Mentre le scansioni MRI convenzionali, come quella che mi ha dato Peterson, rivelano strutture fisiologiche, una variazione chiamata MRI funzionale (fMRI) può ora anche visualizzare il flusso sanguigno nel tempo, consentendo ai ricercatori di vedere quali aree del cervello sono attive durante determinati compiti.

In effetti, gli studi fMRI negli ultimi anni hanno fornito ai ricercatori immagini sorprendenti del cervello effettivamente al lavoro. Un'estensione ancora più recente è la spettroscopia MRI, un altro tipo di imaging funzionale che monitora l'attività di particolari sostanze chimiche nel cervello, fornendo indizi diversi sulla funzione cerebrale rispetto alla fMRI. E più recentemente, i ricercatori hanno aperto la strada a una tecnica di risonanza magnetica chiamata diffusion tensor imaging (DTI) che produce immagini 3D della fragile rete di fili che collega una parte del cervello all'altra.

La risonanza magnetica è diventata, afferma Robert Desimone, direttore del McGovern Institute for Brain Research del MIT, lo strumento più potente per studiare il cervello umano. Lo paragono all'invenzione del telescopio per gli astronomi. Desimone osserva che l'arrivo del telescopio non ha rivoluzionato immediatamente la comprensione scientifica dell'universo. Ciò ha richiesto tempo, poiché i ricercatori hanno imparato a utilizzare il loro nuovo strumento.

La stessa cosa sta accadendo con la risonanza magnetica, dice Desimone. I ricercatori stanno cominciando solo ora a rendersi conto del potenziale di queste tecniche, che sono state ampiamente utilizzate per la prima volta sugli esseri umani circa 15 anni fa. Stai vedendo molta eccitazione in campo, dice Desimone.

Diversi progressi tecnici hanno contribuito al miglioramento della risonanza magnetica. In cima alla lista c'è lo sviluppo di magneti MRI più potenti, che consentono scansioni più dettagliate e ad alta risoluzione. Quali sono i megapixel per una fotocamera digitale, i tesla, una misura dell'intensità del campo magnetico, sono per la risonanza magnetica: più ne hai, migliore è la qualità dell'immagine. Le nuove risonanze magnetiche generano campi magnetici di circa sette tesla, molte migliaia di volte più forti del campo magnetico terrestre e almeno due volte più forti di quelli tipicamente utilizzati negli ospedali. (Alcuni centri di ricerca, incluso il McGovern Institute, hanno scanner MRI da 9,4 tesla per studi sugli animali.)

Un altro sviluppo chiave è una successione di metodi di analisi computerizzata sempre più complessi. Questi consentono ai ricercatori di estrarre maggiori e migliori informazioni dai dati dello scanner e hanno migliorato non solo la fMRI, ma anche la spettroscopia MRI e la DTI.

L'obiettivo finale della ricerca sull'imaging cerebrale è quello di aiutare a spiegare come i miliardi di neuroni e connessioni nel cervello danno origine al pensiero. Ma i ricercatori stanno anche applicando le nuove tecniche di risonanza magnetica per un obiettivo più pratico e immediato: migliorare la diagnosi e il trattamento delle malattie mentali e dei disturbi dell'apprendimento. La speranza è che la risonanza magnetica fornisca una diagnosi molto più accurata delle malattie psichiatriche i cui sintomi possono assomigliarsi, prevenendo anni di sofferenza per i pazienti che assumono i farmaci sbagliati.

Come parte di questo sforzo, i ricercatori stanno utilizzando la risonanza magnetica per indagare sulle cause non solo dei disturbi psichiatrici, ma di tutti i tipi di anomalie cerebrali e disturbi dell'apprendimento, compresi quelli spesso riscontrati nei bambini nati prematuramente. E mentre i tentativi di utilizzare l'imaging cerebrale per migliorare l'assistenza sanitaria psichiatrica hanno avuto scarso successo nell'ultimo decennio, le nuove tecnologie di risonanza magnetica - in sostanza, telescopi molto più potenti sulla mente - stanno fornendo nuove speranze di trovare modi migliori per intervenire.

Impronta digitale bipolare

Uno dei leader nello sforzo di arruolare la risonanza magnetica nella diagnosi e nel trattamento dei disturbi psichiatrici è John Port presso la Mayo Clinic di Rochester, MN. Port è un neuroradiologo che ha iniziato la sua carriera studiando ingegneria elettrica e informatica al MIT e in seguito ha conseguito un dottorato di ricerca in biologia cellulare e un MD presso l'Università dell'Illinois. Quindi è in una buona posizione per ricercare sia la tecnologia di base della risonanza magnetica che le sue applicazioni in medicina.

Il lavoro di Port sulla risonanza magnetica potrebbe avere un'ampia applicazione in psichiatria, ma per ora si sta concentrando sul suo particolare interesse: il disturbo bipolare. Chiamato anche depressione maniacale, il disturbo bipolare è caratterizzato da sbalzi d'umore che vanno dall'esuberanza selvaggia alla depressione profonda, con periodi di stabilità nel mezzo. I raggi X o la risonanza magnetica convenzionale non mostrano alcuna differenza tra il cervello delle persone con disturbo bipolare e quelle senza di essa; le riviste mediche sono disseminate di tentativi falliti di utilizzare l'imaging per trovare segni distintivi della malattia.

Port pensa che molti di questi tentativi siano stati scientificamente errati. Ho una lista di animali domestici lunga un miglio, dice. Ci sono un milione di studi, ma i pazienti potrebbero essere su sei diversi farmaci. Quindi, quando vedi qualcosa di diverso, sono le medicine? O sta succedendo qualcosa? Un altro problema con molti studi precedenti, dice, è che includevano troppo pochi pazienti. Non puoi dire nulla da 10 pazienti. Molte ricerche non sono state così rigorose come dovrebbero essere.

In effetti, nonostante anni di lavoro, i neuroscienziati non sanno ancora cosa causa il disturbo bipolare o esattamente quali parti del cervello sono coinvolte. Questa mancanza di conoscenza ha gravemente ostacolato la ricerca di modi più sicuri ed efficaci per curare la malattia. I principali farmaci per il disturbo bipolare, litio e Depakote, esistono da decenni.

Entrambi sono stati scoperti per caso, quando i ricercatori che cercavano di fare qualcos'altro hanno notato che i farmaci alleviavano i sintomi dei pazienti con disturbo bipolare. E sebbene i farmaci possano essere ragionevolmente efficaci in alcune persone, i medici non hanno idea di come funzionino o di quali pazienti abbiano maggiori probabilità di trarne beneficio. Per trovare prodotti farmaceutici migliori, i ricercatori devono essere in grado di individuare i meccanismi o le strutture esatti coinvolti nel disturbo bipolare.

Individuare i meccanismi potrebbe anche portare a una valutazione più accurata del disturbo. Spesso, la diagnosi in psichiatria è fatta da una sorta di prove ed errori, in cui uno psichiatra fa un'ipotesi plausibile basata sul comportamento o sui sintomi auto-riferiti di un paziente, prescrive un farmaco e vede se aiuta o meno. In caso contrario, lo psichiatra considera una diagnosi diversa e un farmaco diverso, finché qualcosa non inizia a funzionare.

Ciò di cui hanno bisogno gli psichiatri è un test che dia loro la risposta: questo paziente ha la malattia o no, dice Port. Lui e altri ricercatori sperano che gli scanner MRI forniranno la diagnosi definitiva. E per quelli nella professione di salute mentale, questo cambierebbe tutto. Sto dedicando il resto della mia carriera a inventare un test di imaging che aiuterà gli psichiatri a diagnosticare il disturbo bipolare e altre malattie, dice Port.

Port è uno dei tanti ricercatori che ora stanno sperimentando la spettroscopia MRI, in cui il software produce un'immagine del cervello basata su una scansione spettroscopica. L'immagine è composta da singoli punti dati chiamati voxel, cubi analoghi ai pixel in un'immagine computerizzata 2-D. Ciascuno corrisponde a un volume delle dimensioni di un fagiolo. Per ogni voxel, Port ottiene una lettura sulla presenza o assenza di determinate sostanze chimiche che sono indicatori della funzione cerebrale.

Per capire come funziona la spettroscopia MRI, è necessario capire un po' come funziona la risonanza magnetica più in generale. Gli scanner MRI raccolgono segnali elettromagnetici estremamente deboli provenienti dai protoni negli atomi delle molecole che compongono i tessuti del corpo, in questo caso il tessuto cerebrale.

Pensalo come ascoltare uno spillo che cade in un temporale, dice Port. Ogni protone ha un campo magnetico che punta in una certa direzione, come fa quello terrestre. Quando la risonanza magnetica è accesa, il suo magnete allinea i campi magnetici dei protoni nella stessa direzione. Esplosioni di energia a radiofrequenza portano temporaneamente fuori allineamento alcuni protoni. Quando i protoni tornano in posizione, rilasciano energia, generando un segnale minuscolo che i rilevatori della risonanza magnetica possono rilevare. Capovolgendo i protoni in modi diversi e misurando varie proprietà di quei capovolgimenti, compreso il tempo che impiegano, i ricercatori possono identificare vari tessuti e sostanze chimiche nel cervello.

Utilizzando la spettroscopia MRI, Port può misurare i livelli di sostanze chimiche come l'n-acetil aspartato, che si trova solo nei neuroni, o il glutammato, che stimola l'attività delle cellule nervose. Quando Port ha usato la tecnica in molte aree del cervello nei pazienti bipolari e ha confrontato i risultati con quelli di controlli sani, ha trovato un'impronta digitale chimica che sembrava essere un indicatore del disturbo bipolare.

Quando abbiamo confrontato tutti i pazienti bipolari in qualsiasi stato d'umore con i loro soggetti di controllo normali abbinati, abbiamo scoperto che due aree del cervello erano significativamente diverse, dice Port. Port e il suo team hanno anche identificato cambiamenti in molte regioni del cervello di persone con disturbo bipolare che indicavano se erano in uno stato maniacale o depresso. Abbiamo trovato una misura chimica dello stato d'animo, dice.

Quindi Port ha trovato il test diagnostico a lungo cercato per il disturbo bipolare? La sua impronta chimica identifica in modo affidabile le persone che hanno il disturbo bipolare ed esclude quelle che non lo hanno?

Forse, ma non può ancora esserne sicuro. Pensiamo di avere qualcosa di buono, dice, ma dobbiamo controllarlo e assicurarci che sia clinicamente utile. Si tratta di provare la tecnica con un numero sufficiente di pazienti per essere sicuri che sia statisticamente valida, che non produca troppi falsi positivi o falsi negativi. Non deve essere perfetto, ma deve essere abbastanza buono da aggiungere informazioni utili a ciò che gli psichiatri possono discernere attraverso i loro metodi tradizionali di diagnosi, interviste e analisi delle storie dei pazienti.

Se Port ha ragione, tuttavia, e la tecnica si dimostra, sarebbe una pietra miliare nella ricerca psichiatrica: un test diagnostico per il disturbo bipolare. E se la tecnica funziona con il disturbo bipolare, potrebbe essere adattabile ad altre malattie psichiatriche.

Port e altri stanno anche sperimentando l'imaging del tensore di diffusione. DTI misura la diffusione dell'acqua nel cervello. L'acqua scorre attraverso il cervello come in qualsiasi altro luogo, lungo il percorso di minor resistenza. Nel cervello, è lungo gli assoni, le lunghe code dei neuroni, che trasmettono segnali elettrici ad altri neuroni. (È dall'isolamento grasso e bianco che circonda la maggior parte degli assoni che la materia bianca prende il nome; il resto del neurone e gli assoni non isolati costituiscono insieme materia grigia.)

Port sta appena iniziando a ricercare la tecnica. Ma alla fine i ricercatori saranno in grado di utilizzare clinicamente il DTI per cercare malattie che interferiscono con la sostanza bianca: la sclerosi laterale amiotrofica [malattia di Lou Gehrig] e la schizofrenia, afferma Port.

Diagnosi dello sviluppo

Le tecniche che Port sta studiando, se avranno successo, verranno utilizzate nella diagnosi di persone che già mostrano segni di malattia mentale. Ma che dire di altri che sono predisposti ai problemi ma non hanno ancora iniziato a manifestare sintomi? La tecnologia MRI può aiutare a trovare queste persone in modo che possano essere aiutate prima che compaiano i sintomi?

Alla Columbia, Peterson sta cercando di rispondere a questa domanda. Lui e i suoi collaboratori sono tra i primi a scansionare il cervello dei neonati prematuri, a volte entro pochi giorni dalla loro nascita. Lo scopo è catalogare i tipi di anomalie cerebrali che scoprono e escogitare modi per intervenire prima che mai per cercare di correggerli o compensarli.

Peterson si interessò per la prima volta alle complicazioni della nascita prematura circa 10 anni fa, quando iniziò la sua ricerca psichiatrica alla Yale University. Aveva scoperto qualcosa di molto insolito nel cervello delle persone con la sindrome di Tourette. La maggior parte di noi ha asimmetrie nel cervello: il lato sinistro non corrisponde esattamente al destro. La maggior parte di noi ha anche un occhio più grande dell'altro (come faranno notare i fotografi ritrattisti) e altre piccole asimmetrie.

Ma il cervello delle persone con la sindrome di Tourette era diverso. Nel cervello di Tourette sembrava esserci un'assenza di asimmetria, dice Peterson. Un'analoga assenza di asimmetria era stata osservata negli animali sopravvissuti a nascite complicate. Peterson decise di guardare ai bambini nati prematuramente. Come Port, sta utilizzando le più recenti tecnologie di risonanza magnetica per cercare di ottenere informazioni che non erano disponibili prima.

C'era una ragione per il suo interesse. I bambini nati prematuramente corrono un rischio maggiore di disturbi dell'apprendimento e persino di malattie psichiatriche. Capire come i loro cervelli sono diversi dovrebbe portare a nuovi modi per aiutarli.

Come è successo, Laura Rowe Ment, neurologa pediatrica a Yale, stava seguendo un gruppo di 500 bambini prematuri nati tra il 1989 e il 1992 come parte di uno studio in corso. Peterson e Ment hanno stabilito una collaborazione. C'erano rapporti di imaging che suggerivano vari tipi di problemi nel cervello, in termini di sviluppo del cervello. Ma erano incontrollati, i numeri erano piccoli – erano impressionisti, dice Peterson.

Anche date le loro dimensioni corporee più piccole, i bambini prematuri tendono ad avere teste sproporzionatamente piccole. L'ipotesi era che le dimensioni del cervello si sarebbero ridotte più tardi nella vita, dice Peterson. I ricercatori hanno anche ipotizzato che ci sarebbero stati danni alla materia bianca. I figli di Ment, che allora avevano circa otto anni, erano particolarmente utili perché lei e i suoi colleghi avevano documentato tutto quello che era loro successo da quando erano nati.

La prima cosa che ha fatto Peterson è stato usare lo scanner MRI per determinare le dimensioni del cervello dei bambini di otto anni. L'ipotesi era giusta: i loro cervelli erano più piccoli del normale. Ma la diminuzione delle dimensioni si è verificata solo in alcune regioni del cervello, le parti della corteccia che governano il movimento, la vista, il linguaggio, la memoria e il ragionamento visivo e spaziale. Queste regioni erano drammaticamente più piccole, dice Peterson. Le altre parti del loro cervello erano di dimensioni normali, o quasi.

Anche la seconda ipotesi, relativa ai danni alla sostanza bianca, si è rivelata corretta. C'era meno materia bianca nelle regioni motorie del cervello dei bambini, il che significa che c'erano relativamente pochi collegamenti elettrici lì. E la riduzione del volume era correlata ai punteggi del QI. Più grande è l'anomalia – più anormale era in tutte queste regioni – più basso era il loro QI, dice Peterson.

La domanda allora era: queste anomalie sono sorte prima o prima della nascita o qualche tempo dopo? Peterson ha iniziato a scansionare neonati normali e prematuri. Le scansioni dei neonati prematuri hanno mostrato che avevano le stesse anomalie cerebrali dei bambini di otto anni. Era così caratteristico, il modello di anomalie, è quasi impossibile guardare una scansione e non essere in grado di dire che si tratta di un bambino prematuro, dice Peterson.

Una delle differenze più salienti era nelle dimensioni delle minuscole cavità nel cervello note come ventricoli. I ventricoli sono massicciamente dilatati, circa quattro volte più grandi nei bambini nati prematuramente che nei bambini a termine, dice Peterson. Lo abbiamo visto nei bambini di otto anni e nei neonati. Il tessuto intorno a quei ventricoli è davvero danneggiato... Suggerisce che questi bambini hanno problemi di sviluppo anche prima di nascere. Peterson ha seguito i neonati per due anni e poi li ha testati con una sorta di test del QI pensato per i bambini piccoli. Prima nascevano, più i loro cervelli erano immaturi alla nascita. E più i loro cervelli sono immaturi, più bassi sono i loro punteggi di intelligenza.

Per i neuroscienziati, la scoperta che i bambini prematuri avevano anomalie cerebrali aveva senso. Gran parte della crescita e dello sviluppo del cervello avviene durante l'ultima metà della gravidanza. I neuroni iniziano la vita raggruppati vicino al centro di quello che diventerà il cervello, ma presto iniziano a migrare verso l'esterno. Le cellule gliali, che aiutano i neuroni a comunicare, attraversano un periodo di crescita esplosiva, responsabile della maggior parte dell'aumento di peso del cervello. I neuroni estendono tentacoli serpeggianti, cercando connessioni con altre cellule. Miliardi di connessioni vengono effettuate durante le ultime settimane di gravidanza. Gli assoni sviluppano quindi i loro cappotti di isolamento bianco e grasso. A questo punto, il cervello è enormemente sovrasviluppato, con troppi fili e connessioni. Quindi inizia a tagliare. È come se ogni connessione venisse testata, per determinarne il valore. I circuiti utili sono mantenuti; gli altri vengono tagliati via, lasciando una macchina elegante ed efficiente.

La nascita prematura probabilmente interrompe questi processi: la migrazione delle cellule nervose, la crescita delle cellule gliali e della sostanza bianca e il taglio. I bambini prematuri hanno la maggior parte dei neuroni che porteranno con sé nella vita adulta, ma è possibile che non siano nei posti giusti o correttamente collegati o testati. I ricercatori, afferma Peterson, stanno testando intensamente queste possibilità.

La ricerca di Peterson offre la speranza di aiutare i bambini a compensare qualsiasi peculiarità relativa al cervello che potrebbero avere. Vogliamo utilizzare l'imaging per prevedere chi avrà problemi particolarmente difficili nel corso dello sviluppo, in modo da poter intervenire in modo più efficace, afferma. Tale intervento potrebbe consistere in programmi educativi appositamente progettati o terapia fisica e altri trattamenti per compensare difficoltà fisiche ed emotive.

Quando Peterson ha iniziato questo lavoro, il suo interesse era professionale. Ma ora ha anche un interesse personale. Due anni fa sua figlia è nata prematura di quattro settimane. Mentre lei non mostra effetti negativi, dice che la osserva e si preoccupa.

Brainstorming

Quando Peterson mi ha scansionato, non ha trovato nulla di sbagliato o di preoccupante. Se avessi avuto un tumore al cervello o qualche anomalia prominente, l'avrebbe individuato. Ma si tratta di tutte le informazioni clinicamente utili che potrebbe ottenere da una rapida scansione. Se Peterson mi avesse sottoposto alle sofisticate scansioni che usa con i neonati prematuri, forse avrebbe potuto rilevare qualche stranezza nel modo in cui si comporta il mio cervello. Ma a causa della grande variabilità nella normale struttura e funzione del cervello, non sarebbe stato in grado di trarre conclusioni molto specifiche su come il mio cervello differisse da quello di altre persone.

Nei prossimi anni, tuttavia, mentre la tecnologia continua a migliorare, potrebbe diventare possibile per chiunque di noi, con o senza malattie evidenti o problemi neurologici, imparare molto di più sullo stato del nostro cervello, delle nostre percezioni e del nostro pensiero. La cattiva notizia è che, sebbene queste tecniche siano molto potenti, non sono dove dovremmo essere, afferma Desimone del MIT. Abbiamo bisogno di usare questi magneti per risonanza magnetica in modi che non sono stati usati prima.

Il McGovern Institute di Desimone ha appena inaugurato il Martinos Imaging Center. Una stanza al centro ospita uno scanner MRI all'avanguardia. Accanto c'è un'altra stanza che, per il momento, resterà vuota. Ce l'abbiamo lì per un nuovo dispositivo, dice Desimone. Non sa ancora quale sarà quel dispositivo. Questa è la nostra sfida: inventarla qui. L'idea è di andare oltre dove siamo ora, verso la tecnologia del futuro.

Il libro più recente di Paul Raeburn è Conoscenza della notte , un libro di memorie sull'educazione dei bambini con depressione e disturbo bipolare.

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