Shedding light into the brain: Methodological innovations in optical neuroimaging

La spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS) e la tomografia ottica diffusa (DOT) sono tecniche non invasive che, sfruttando le proprietà della luce nel vicino infrarosso, permettono di misurare l'attività cerebrale. Sorgente e detettore sono posti a contatto con il cuoio capelluto ad una distanza prestabilita. Dall'attenuazione subita dalla luce nel passaggio attraverso i tessuti cerebrali, è possibile ricavare le variazioni nell'attività corticale, che avvengono in seguito alla presentazione di uno stimolo. Rispetto alla risonanza magnetica funzionale (fMRI) ed all'elettroencefalografia (EEG), le tecniche ottiche sono più portatili, meno invasive e meno sensibili agli artefatti da movimento; sono pertanto tecniche ideali per esplorare l'attività cerebrale in numerosi ambiti cognitivi e in un gran numero di popolazioni, come neonati e bambini. FNIRS e DOT misurano la risposta emodinamica in seguito alla presentazione di uno stimolo nella forma di variazioni nella concentrazione di emoglobina ossigenata (HbO) e deossigenata (HbR) che avvengono in specifiche aree della corteccia. Tuttavia, il segnale misurato non contiene solo la risposta emodinamica d'interesse, ma anche rumore fisiologico, dovuto per esempio alla pulsazione cardiaca, alle oscillazioni dovute alla respirazione e all'onda vasomotrice. Inoltre, la risposta emodinamica d'interesse si presenta di solito con un'ampiezza ridotta rispetto alle componenti non informative del rumore fisiologico e con una frequenza molto simile a quella dell'onda vasomotrice. Da ciò si deduce come stimare la risposta emodinamica sia un compito molto difficile. Molti metodi sono stati proposti in letteratura per cercare di ridurre il rumore fisiologico e stimare la risposta emodinamica. Tuttavia, ad oggi, non esiste un metodo standard per l'analisi del segnale ottico. In questa tesi, quindi, è stato proposto e validato un nuovo algoritmo, messo a punto per far fronte agli svantaggi associati ai metodi presenti in letteratura. Nonostante la ridotta sensibilità agli artefatti da movimento, il segnale ottico ne risulta comunque contaminato, soprattutto durante acquisizioni di popolazioni patologiche (per esempio pazienti diagnosticati con ictus) o difficili (come per esempio i neonati). Sono state proposte numerose tecniche per correggere gli artefatti da movimento, invece di eliminare la parte di segnale da essi contaminata. Tuttavia, nessuna di queste tecniche, per il momento, è riuscita a emergere come la più adatta per l'analisi del segnale ottico. In aggiunta a questo, non esistono criteri oggettivi con cui sia possibile selezionare la tecnica migliore da applicare, dato un segnale misurato. Si suppone, infatti, che, data l'estrema variabilità presente negli artefatti da movimento in termini di forma, contenuto in frequenza e ampiezza, la tecnica da applicare sia dipendente dal segnale misurato nello specifico caso. Da ciò emerge la necessità di fornire agli sperimentatori dei criteri oggettivi, che permettano loro di selezionare la tecnica di correzione più adatta ad ogni segnale misurato. In questa tesi, quindi, è stato proposto un innovativo ed oggettivo approccio per la selezione della tecnica di correzione da utilizzare. La validazione è stata eseguita su dei segnali contenenti una tipologia di artefatto da movimento molto difficile da identificare e correggere. FNIRS permette di ottenere solo misure spettroscopiche delle variazioni di concentrazione di emoglobina; DOT invece è in grado di ricostruire immagini tridimensionali delle variazioni di concentrazione di HbO e HbR. Per aumentare l'accuratezza e l'interpretabilità delle immagini ricostruite con DOT, è necessario fornire accurate informazioni anatomiche di supporto. Numerosi modelli di teste per tecniche ottiche sono stati proposti e validati nella popolazione adulta. Al contrario, in quella neonatale, i modelli analoghi creati finora sono molto pochi e tutti riferiti ad una sola età neonatale. Tuttavia, nei neonati, il cervello è soggetto ad una crescita ed una maturazione molto rapida. Per questo motivo, modelli riferiti ad una singola età neonatale falliscono nel fornire informazioni anatomiche corrette per ogni neonato sotto esame. In questa tesi si è proposto un innovativo modello 4D di teste per tecniche ottiche, contenente informazioni anatomiche per neonati pretermine e a termine. Questo modello può fornire ai neuroscienziati che lavorano in ambito evolutivo la possibilità di selezionare il modello corrispondente all'età del neonato in esame e ricostruire quindi le immagini di variazione di concentrazione di emoglobina usando un'anatomia il più possibile vicina a quella reale. L'organizzazione della tesi è la seguente. Nei primi capitoli verrà analizzato lo stato dell'arte delle tecniche ottiche. In particolare nel capitolo 1 verrà presentata una breve introduzione dei principi fisici alla base di queste tecniche alla quale seguirà un confronto con le tecniche di neuroimmagini più diffuse. Il capitolo 2 descriverà le componenti del segnale ottico misurato e verrà illustrato lo stato dell'arte relativo ad algoritmi di rimozione del rumore fisiologico. Successivamente sarà esposta la teoria che sta alla base del processo di ricostruzione delle immagini. Nella parte finale del capitolo, invece, verranno presentati alcuni studi che hanno utilizzato tecniche ottiche sia nella popolazione adulta che in età evolutiva. Infine saranno presentati gli scopi di questa tesi. I capitoli 3, 4 e 5 saranno dedicati alla presentazione di nuovi strumenti e metodologie per l'analisi del segnale ottico e per la ricostruzione di immagini ottiche. In particolare nel capitolo 3 verrà introdotto un nuovo algoritmo per la rimozione del rumore fisiologico e la stima della risposta emodinamica. La metodologia proposta verrà validata tramite il confronto con due algoritmi preesistenti. Il capitolo 4 tratterà il problema degli artefatti da movimento e proporrà un innovativo e oggettivo approccio per la selezione della tecnica di correzione da utilizzare. Le principali tecniche di correzione verranno illustrate e il nuovo approccio verrà validato utilizzando dati cognitivi reali. Nel capitolo 5 verrà presentato un nuovo atlante 4D neonatale di modelli di teste per tecniche ottiche. Verranno descritti tutti i passaggi che hanno portato allo sviluppo di questo atlante e ne sarà riportato un esempio applicativo. La parte finale di questa tesi (capitoli 6, 7 e 8) presenterà tre distinti esempi applicativi, su dati neurali empirici, delle metodologie e strumenti proposti. L'algoritmo per la rimozione del rumore fisiologico proposto nel capitolo 3 sarà utilizzato nel capitolo 6 per stimare differenze temporali poco evidenti tra risposte emodinamiche, misurate in due diverse aree della corteccia durante compiti di movimento manuale di diversa durata. Nel capitolo 7 lo stesso algoritmo verrà applicato a dati acquisiti durante un paradigma di memoria visiva a breve termine. Infine nel capitolo 8 verranno ricostruite immagini di variazioni di concentrazione di emoglobina, utilizzando il modello di teste per tecniche ottiche presentato nel capitolo 5. I dati sono stati acquisiti da un neonato a termine e il modello di testa utilizzato nella ricostruzione è quello relativo all'età corrispondente. Nello stesso capitolo verranno ricostruite immagini di concentrazione sia in presenza che in assenza di tecniche di correzione di artefatti da movimento, evidenziandone così l'importanza.