Studio della connettività di regioni corticali a riposo mediante imaging funzionale basato sulla spettroscopia nel vicino infrarosso (fNIRS).

Abstract

La mappatura di reti cerebrali nello stato di riposo (Resting State-RS) consente di approfondire l'architettura funzionale e la fisiologia del cervello. È definito RS ciò che può essere osservato a livello cerebrale quando il soggetto non sta svolgendo alcuna attività. Mediante varie tecniche di neuroimaging, e.g., la risonanza magnetica funzionale (fMRI), durante il RS ci sono diverse aree cerebrali che comunicano fra loro, dimostrando l’esistenza di una connettività spontanea detta Default Mode Network. L’obiettivo di questo lavoro è quello di verificare la fattibilità di un’altra tecnica di neuroimaging, ottica e che non ha vincoli legati allo scanner, la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS), e la sua applicabilità al RS. Per lo studio sono stati reclutati 35 soggetti sani e, per uno pilota, due soggetti con sclerosi multipla (SM). Il protocollo sperimentale consiste nella registrazione dell’attività corticale a riposo durante 15 minuti di RS. La risposta emodinamica per ciascun soggetto è stata registrata usando il sistema fNIRS dotato di 16 sorgenti e 16 rilevatori. L’analisi è stata fatta sulle attività medie delle aree corticali di Brodmann nei soggetti sani mediante il calcolo della matrice di correlazione, mettendo in relazione l’attività inter- e intra-emisferica. I risultati mostrano che durante il RS esiste una forte correlazione inter-emisferica specifica per aree omologhe, con dei cluster in area prefrontale, sensorimotoria e associativa. I risultati ottenuti mediante l’uso di fNIRS mostrano l’attivazione a riposo di aree corticali compatibili con quelle rilevate mediante fMRI, dimostrando pertanto la fattibilità di questa tecnica innovativa di neuroimaging. Nello studio pilota la connettività funzionale dei soggetti con SM si rivelava più diffusa e asimmetrica rispetto ai soggetti sani, suggerendo attività compensatorie (neuroplasticità maladattiva) in seguito ad un possibile danno mielinico che altera la comunicazione tra le diverse

Mapping of brain networks in a resting state (RS) allows to explore the functional architecture and physiology of the brain. RS is defined as every brain activity that can be observed in the brain when the subject is not performing any task. By means of various neuroimaging techniques such as functional magnetic resonance imaging (fMRI), during RS there are different brain areas that communicate with each other, showing the existence of a spontaneous connectivity called Default Mode Network. The aim of our work is to verify the feasibility of another, optical, neuroimaging technique without constraints related to the scanner, i.e., functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), and its applicability to RS. For the main study, 35 healthy subjects and for a pilot study, two subjects with multiple sclerosis (MS) were enrolled, respectively. The experimental protocol consists in recording cortical activity during 15 minutes of RS. The hemodynamic response for each subject was recorded using an fNIRS system with 16 sources and 16 detectors. The analysis was made on the average activities of Brodmann areas in healthy subjects by calculating Pearson’s correlation matrices, relating inter- and intra-hemispherical activity. The results show that during RS there is a strong inter-hemispherical correlation specific for homologous areas, with clusters in prefrontal, sensorimotor and associative cortical areas. The results obtained in this fNIRS study show activation at rest of cortical areas compatible with those detected by fMRI, therefore demonstrating the feasibility of this innovative neuroimaging technique. In the pilot study, subjects with MS showed a functional connectivity more widespread and asymmetric with respect to healthy subjects, suggesting compensatory activities (maladaptive neuroplasticity) following a possible myelin damage inducing an impairment in the communication between cortical areas.