Spingendo le frontiere dell'imaging cerebrale con fMRI in tempo reale e altro ancora
Scuola di Medicina dell'UNM Laboratorio di ricerca sull'imaging RM umano, in collaborazione con scienziati di tutto il mondo, sta aprendo nuovi orizzonti nello sviluppo di tecniche di risonanza magnetica per aiutare a capire come funziona il cervello e per far progredire la diagnostica per immagini nei pazienti con cancro.
I nostri team hanno sviluppato tecnologie di imaging avanzate, come la risonanza magnetica funzionale in tempo reale, che consentiranno ai neurochirurghi di prendere decisioni importanti in sala operatoria. Queste innovazioni spingono i confini delle tecnologie MRI esistenti per esplorare ciò che il flusso sanguigno può dirci sull'attività cerebrale.
Il lavoro più recente del team si basa sulle fondamenta della risonanza magnetica strutturale e funzionale:
- La risonanza magnetica strutturale è una tecnologia di imaging non invasiva per mappare la morfologia cerebrale e l'attività circolatoria utilizzando forti campi magnetici per allineare gli spin nucleari, onde radio per cambiare il loro orientamento e ricevere segnali dagli spin nucleari. Può produrre immagini ad alta risoluzione per mostrare le differenze tra i tessuti cerebrali.
- La risonanza magnetica funzionale (fMRI) consente ai medici di misurare e mappare le attività cerebrali in stati normali e patologici misurando i cambiamenti nell'intensità dell'immagine correlati ai cambiamenti nel flusso sanguigno. Può produrre immagini ad alta risoluzione per mostrare l'aumento del flusso sanguigno nelle aree attive del cervello, che produce un segnale più forte nella fMRI.
Per sviluppare e implementare nuove tecnologie MR, i nostri ricercatori lavorano con collaboratori a livello nazionale e internazionale, inclusa l'Università del Minnesota Centro per la ricerca sulla risonanza magnetica e l'Università di Copenaghen in Danimarca, nonché La rete di ricerca mentale nel New Mexico.
Formiamo anche alcune delle menti scientifiche più brillanti in fisica e ingegneria presso l'Università del New Mexico e scienziati clinici presso il Centro di scienze della salute dell'UNM. I tirocinanti provenienti da una varietà di discipline apportano nuove prospettive ai progetti in corso che estendono la tecnologia di imaging con l'obiettivo di aiutare più pazienti a superare le sfide neurologiche.
TurboFIRE: fMRI a riposo per dati intraoperatori in tempo reale
Stiamo sviluppando TurboFIRE (Turbo Functional Imaging in REal-time) per mappare l'attività cerebrale durante una scansione fMRI in corso per consentire ai medici di mappare la posizione precisa della corteccia eloquente (ovvero aree cerebrali con funzioni specifiche) per guidare la chirurgia del cancro al cervello.
Mentre i tradizionali metodi fMRI mappano l'attività cerebrale quando i pazienti si impegnano in un compito, la fMRI in stato di riposo mappa i sistemi cerebrali funzionali analizzando le fluttuazioni del flusso sanguigno quando i pazienti sono a riposo. Implementando l'imaging dello stato di riposo del cervello in tempo reale utilizzando la tecnologia TurboFIRE, siamo in grado di estendere i benefici della risonanza magnetica a pazienti feriti, disabili o giovani che non possono seguire le istruzioni per sottoporsi a fMRI tradizionale.
Inoltre, TurboFIRE è compatibile con i più recenti metodi di acquisizione dati fMRI ad altissima velocità che forniscono una risoluzione temporale di centinaia di millisecondi e migliorano notevolmente la sensibilità rispetto ai tradizionali metodi di acquisizione dati fMRI.
Attualmente stiamo traducendo questa tecnologia nel contesto intraoperatorio per consentire ai neurochirurghi di mappare la corteccia eloquente prima, durante e dopo l'intervento chirurgico utilizzando uno scanner MRI intraoperatorio. I nostri colleghi del Centro medico dell'Università del Minnesota stanno utilizzando uno scanner IMRIS che viene spostato nella sala operatoria per acquisire dati fMRI per monitorare il successo dell'intervento chirurgico.
Utilizzando TurboFIRE, i nostri esperti possono mappare funzioni specifiche come linguaggio, movimento o visione nell'area corrispondente dell'attività cerebrale in pochi millimetri mentre il cervello è in uno stato di riposo. L'obiettivo del nostro attuale lavoro è determinare se la fMRI in stato di riposo può aiutare a migliorare la precisione neurochirurgica fornendo una mappa dettagliata delle strutture eloquenti di un paziente che controllano il movimento, la parola e la cognizione.
Esistono molte applicazioni aggiuntive per questa entusiasmante tecnologia, dalla mappatura preoperatoria nei pazienti affetti da epilessia al monitoraggio dell'attivazione del linguaggio e all'utilizzo del neurofeedback per alterare gli stati cerebrali. TurboFIRE è attualmente in uso presso il Center for Magnetic Resonance Research e presso The MIND Research Network, e siamo ansiosi di implementarlo presso UNM Health.
Imaging metabolico ad alta velocità: PEPSI e oltre
Un altro entusiasmante sviluppo della risonanza magnetica nel nostro laboratorio è una tecnologia di imaging spettroscopico RM ad alta velocità chiamata PEPSI (Proton Echo Planar Spectroscopic Imaging) che ci consente di mappare le sostanze biochimiche del cervello in 3 dimensioni in tempi di scansione brevi. La spettroscopia MR è un metodo analitico biochimico che misura la composizione biochimica del tessuto in base al modello spettrale delle singole sostanze biochimiche.
L'imaging spettroscopico può rilevare i cambiamenti biochimici nel cervello associati ai tumori e questi sono specifici per diversi tipi di tumore. In altre parole, PEPSI ci consente di acquisire rapidamente immagini 3D biochimiche del cervello che aiutano i medici a diagnosticare, gestire e monitorare le dimensioni, la posizione e i tipi precisi di tumori cerebrali.
Abbiamo sviluppato questa tecnica ad alta velocità per consentire una scansione più precisa e rapida. Mentre la produzione di una tipica immagine spettroscopica può richiedere 20 minuti o più, PEPSI ci consente di produrre immagini 3D in appena tre minuti. Questo breve tempo di scansione ci consente di integrare PEPSI in un protocollo di imaging clinico.
Il futuro dell'imaging cerebrale è aperto. Altri esempi di ricerca in corso nel nostro laboratorio includono:
- Connettività allo stato di riposo ad alta frequenza nella fMRI ad alta velocità per superare i limiti tecnici della tradizionale fMRI allo stato di riposo.
- Mappatura delle proprietà di diffusione della biochimica cerebrale per sondare gli ambienti intracellulari dei tumori cerebrali.
- Combinando metodi di risonanza magnetica funzionale e metabolica per mappare simultaneamente la corteccia eloquente e la biochimica del cervello.
- Monitoraggio della risposta alla chemioterapia neoadiuvante nel carcinoma mammario mediante imaging spettroscopico RM 3D ad alta velocità della colina totale.
- Sviluppo di metodi di neurofeedback basati su fMRI in stato di riposo in tempo reale per mappare e alterare gli stati cerebrali.
Nello Human MR Imaging Research Lab, ogni giorno spingiamo i confini della tecnologia. È qui che accade l'entusiasmante scienza, mentre espandiamo la nostra conoscenza del cervello, costruiamo le basi per futuri progressi nel settore sanitario ed estendiamo la frontiera della conoscenza umana.
I tirocinanti danno contributi importanti in laboratorio
Sebbene comprendere il cervello sia una cosa seria, oI nostri apprendisti creativi si divertono molto in laboratorio. Provengono da una vasta gamma di discipline, come l'ingegneria nucleare, l'ingegneria elettrica, la fisica, la psicologia e la medicina e apportano una nuova prospettiva a ogni progetto.
I loro contributi sono tangibili. Applichiamo un rigoroso approccio scientifico e spesso le loro straordinarie idee diventano parte dei nostri progetti. I nostri stagisti e tirocinanti non solo acquisiscono esperienza pratica con tecnologie all'avanguardia, ma aiutano anche a costruirle.
Come scienziati, è importante riconoscere che esiste un limite a ciò che sappiamo. Nello Human MR Imaging Research Lab, ogni giorno spingiamo i confini della tecnologia. È qui che accade la scienza entusiasmante, mentre espandiamo la nostra conoscenza del cervello, costruiamo le basi per i futuri progressi nel settore sanitario ed estendiamo la frontiera della conoscenza umana.