La Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI): una finestra sul Cervello nella Paralisi Cerebrale (Italian/English)

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Che cos’è la Risonanza Magnetica e a che cosa serve?

La Risonanza Magnetica (RM) è una delle tecniche diagnostiche più versatili per studiare il cervello. Grazie alla RM, possiamo ottenere immagini tridimensionali dettagliate della struttura cerebrale, ma anche esplorare il suo funzionamento attraverso una tecnica particolare: la Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI).

La RM è uno strumento fondamentale nella ricerca e nella clinica della Paralisi Cerebrale (CP), perché permette di studiare sia le lesioni cerebrali (dette “alterazioni morfologiche”) sia come tali regioni del cervello hanno riorganizzato le loro funzioni: informazioni preziose per sviluppare nuove strategie terapeutiche personalizzate.

Come funziona la Risonanza Magnetica?

La Risonanza Magnetica sfrutta l’impiego combinato di un intenso campo magnetico e di onde elettromagnetiche a radiofrequenza. La tecnica è considerata non invasiva, perché non utilizza radiazioni ionizzanti (come, per esempio, accade nella Tac o TC, Tomografia Computerizzata). L’esame non è doloroso e viene svolto in accordo alle norme e agli standard di sicurezza. Per eseguire un esame di Risonanza Magnetica è necessaria l’assenza di controindicazioni, che viene verificata preventivamente anche attraverso un questionario anamnestico.

Che cos’è la Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI)?

La fMRI è una tecnica avanzata che permette di studiare l'attività cerebrale in tempo reale. Si basa sul principio che quando una parte del cervello si attiva, quella regione richiede più “carburante” per funzionare e il corpo si regola aumentando in quella zona l’apporto di sangue e di ossigeno. Grazie proprio alle caratteristiche magnetiche del sangue, in particolare dell’emoglobina, è possibile rilevare questo cambiamento durante la Risonanza Magnetica.

Quindi possibile mappare quali aree cerebrali sono coinvolte in diverse “funzioni”, per esempio il movimento, la visione, il linguaggio e come le diverse aree del cervello comunicano tra loro.

Come si effettua l’esame RM? Prevede un mezzo di contrasto?

L’esame non prevede nessun mezzo di contrasto. Il paziente può essere sottoposto all’esame RM dopo che sia stata esclusa ogni possibile controindicazione, e il paziente, o il caregiver nel caso di un minorenne, abbia espresso il proprio consenso.

Il paziente indossa un camice monouso fornito dal personale del centro clinico, e occorre togliere tutti gli oggetti metallici, ferromagnetici o con supporto magnetico, come, ad esempio, gioielli, piercing, tessere magnetiche, monete, ecc.

In seguito, con l’assistenza dei clinici il paziente viene fatto sdraiare all’interno del Tomografo (il macchinario con cui viene effettuato l’esame), con una specie di casco. Il casco si chiama “bobina” e viene opportunamente posizionato, perché serve a eseguire l’esame sul cervello. Durante l’esame, tramite l’invio di onde elettromagnetiche a radiofrequenza, vengono acquisiti i dati e le immagini RM. In questa fase sono udibili dei rumori ritmici di intensità variabile provocati dal normale funzionamento dell’apparecchiatura RM. Le condizioni di ventilazione, illuminazione e temperatura sono tali da ridurre al minimo eventuali disagi, come possibili effetti claustrofobici.

Quanto dura un esame di Risonanza Magnetica e che cosa deve fare il paziente?

La durata di un esame di RM o di fMRI è compresa tra 45 e 60 minuti. Durante l’esecuzione di un esame RM è necessario che il paziente mantenga il massimo grado di immobilità: questo permette di avere immagini di buona qualità e quindi affidabili, come quando si scattano delle fotografie.  I clinici sono sempre presenti per assicurarsi della corretta esecuzione dell’esame, e pronti a intervenire in caso di necessità.

Tra una sequenza e l’altra, la macchina non fa rumore e il paziente può comunicare con gli operatori. Inoltre, è a disposizione un sistema di allarme che consente al paziente di richiedere l’interruzione dell’esame in qualsiasi momento.   Durante l’esame ci sono momenti in cui il paziente può tenere gli occhi chiusi o guardare un filmato tramite l’utilizzo di occhialini compatibili con la RM.

D’altra parte, durante l’esecuzione di un esame funzionale (fMRI), invece, il paziente può muoversi e compiere dei semplici compiti, come richiesto dai clinici, in base alle funzioni che si vogliono studiare con fMRI.

La Risonanza Magnetica è un esame sicuro?

La RM e la fMRI sono tecniche sicure e non invasive. Tuttavia, poiché il magnete è molto potente, è importante assicurarsi l’assenza di controindicazioni come, ad esempio, oggetti metallici nel corpo, come pacemaker o protesi metalliche. Per i bambini e le persone con difficoltà motorie, è possibile migliorare il comfort durante l'esame, come la presenza di un familiare o l'uso di video rilassanti.

Qual è il ruolo della fMRI nella paralisi cerebrale?

Nella Paralisi Cerebrale, il cervello presenta alterazioni che possono influenzare il movimento e altre funzioni. La fMRI aiuta a comprendere come il cervello si riorganizza dopo un danno precoce e quali aree compensano le funzioni compromesse. Questo è cruciale sia per la diagnosi che per la pianificazione di terapie personalizzate, come la riabilitazione basata sull'osservazione dell'azione (AOT, Action Observation Therapy) o la stimolazione cerebrale non invasiva (come la TMS o tDCS).

La ricerca sulla fMRI e la paralisi cerebrale

Numerosi studi, inclusi quelli condotti dal gruppo dell’IRCCS Fondazione Stella Maris, guidati da ricercatori come Giuseppina Sgandurra e Laura Biagi, hanno dimostrato che la fMRI può rivelare differenze nell'attività cerebrale tra pazienti con e senza Paralisi Cerebrale. Inoltre, queste ricerche hanno permesso anche di identificare alcuni effetti degli interventi riabilitativi. Ad esempio, in uno studio pilota il team di ricerca ha esaminato gli effetti della Action Observation Therapy sulla riorganizzazione del sistema motorio in bambini con emiplegia congenita.  Otto partecipanti, di età compresa tra 6 e 15 anni, sono stati assegnati casualmente a un gruppo sperimentale o a un gruppo di controllo.  Il gruppo sperimentale ha eseguito un trattamento che consiste nell’osservazione di azioni unimanuali e bimanuali, seguite dalla loro esecuzione, mentre il gruppo di controllo ha guardato videogiochi per lo stesso tempo, eseguendo poi le stesse azioni. Le valutazioni cliniche e le fMRI sono state effettuate prima del trattamento, una settimana dopo e otto settimane dopo la fine del trattamento. I risultati hanno mostrato un'espansione dell'attivazione cerebrale nel gruppo sperimentale dopo la fine del trattamento, associata a miglioramenti funzionali nella valutazione della mano affetta nelle attività bimanuali spontanee.

Un altro studio ha esplorato i potenziali vantaggi dell'uso della “fMRI a UHF” (Ultra High Magnetic Field), con un campo magnetico più intenso, per studiare la riorganizzazione della funzione sensitiva in giovani adulti con emiplegia congenita. I partecipanti con lesioni cerebrali unilaterali congenite sono stati sottoposti a valutazioni sensoriali e a fMRI durante una stimolazione tattile controllata. I risultati preliminari hanno indicato che la “fMRI a UHF” può fornire dettagli più precisi sulla riorganizzazione della funzione sensoriale grazie al maggior dettaglio di definizione delle immagini, offrendo nuove prospettive per comprendere i meccanismi di plasticità cerebrale.

Conclusioni

Gli studi sopra citati, condotti dal gruppo di ricerca dell’IRCCS Fondazione Stella Maris, evidenziano l'importanza dell'uso della fMRI per comprendere la plasticità cerebrale e valutare gli effetti di interventi riabilitativi nella Paralisi Cerebrale.

La Risonanza Magnetica Funzionale rappresenta quindi uno strumento fondamentale per esplorare il cervello nella Paralisi Cerebrale, contribuendo a migliorare la comprensione di questa condizione anche nell’ottica di ottimizzare la diagnosi e gli approcci terapeutici. Grazie ai continui progressi nella ricerca, possiamo sperare in strategie sempre più efficaci per migliorare la qualità di vita dei bambini con Paralisi Cerebrale.

Per questo contributo al Blog AINCP, ringraziamo le ricercatrici Laura Biagi e Francy Cruz dall’IRCCS Fondazione Stella Maris.

In un prossimo articolo parleremo anche dell’esame EEG, seguiteci!

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English translation

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI): a Window on the Brain in Cerebral Palsy

What is Magnetic Resonance Imaging and what is it used for?

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is one of the most versatile diagnostic techniques to study the brain. Thanks to MRI, we can have detailed three-dimensional images of the brain structure, but also explore its functions through a particular technique: functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI).

MRI is a fundamental tool in the research and clinical practice of Cerebral Palsy (CP), because it allows us to study both the brain lesions (called “morphological alterations”) and how these regions of the brain have reorganized their functions: these are valuable information to develop new personalized therapeutic strategies.

How does Magnetic Resonance Imaging work?

Magnetic Resonance Imaging uses an intense magnetic field combined with radiofrequency electromagnetic waves. The technique is considered non-invasive because it does not use ionizing radiation (as, for example, in CT or Computed Tomography). The exam is not painful and is performed in accordance with safety regulations and standards. To perform a Magnetic Resonance exam, the absence of contraindications is required, verified beforehand through an anamnestic questionnaire too.

What is Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)?

fMRI is an advanced technique that allows the study of the brain activity in real time. It is based on the principle that when a part of the brain is activated, that region requires more "fuel" to work and the body regulates itself by increasing the supply of blood and oxygen to that area. Thanks to the magnetic characteristics of blood, in particular hemoglobin, it is possible to detect this change during Magnetic Resonance Imaging.

Therefore, it is possible to map the brain areas that are involved in different “functions”, for example movement, vision, language and how the different areas of the brain communicate with each other.

How is the MRI exam performed? Does it involve a contrast agent?

The exam does not involve any contrast agent. The patient is allowed to undergo the MRI exam only after any possible contraindications have been ruled out, and the patient, or the caregiver in the case of a minor, has given his or her consent.

The patient wears a disposable gown provided by the clinical center staff, and all metallic, ferromagnetic or magnetic objects must be removed, such as, for example, jewelry, piercings, magnetic cards, coins, etc.

Then, with the assistance of the clinicians, the patient is made to lie down inside the Tomograph (the machine with which the exam is performed), with a kind of helmet-like device on the head. The helmet is called a “coil” and it has to be positioned properly, because it is used to perform the exam on the brain. During the exam, the MRI data and images are acquired by sending radio frequency electromagnetic waves. During this phase, rhythmic noises of varying intensity are audible, caused by the normal functioning of the MRI equipment. The ventilation, lighting and temperature conditions are managed so to minimize any discomfort, such as possible claustrophobic effects.

How long does a Magnetic Resonance Imaging exam last and what should the patient do?

The duration of an MRI or fMRI exam is between 45 and 60 minutes. During the execution of an MRI exam, the patient should lie still to the maximum degree: immobility allows for good quality and therefore reliable images, like when taking photographs. The clinicians are always present to ensure that the exam is performed correctly, and ready to intervene if necessary.

Between one sequence and another, the machine makes no noise, and the patient can communicate with the operators. In addition, there is an alarm system that allows the patient to request the interruption of the exam at any time. During the exam, there are times when the patient can keep their eyes closed or watch a video using glasses compatible with MRI.

On the other side, during the execution of a functional Magnetic Resonance Imaging exam (fMRI), the patient can move and perform simple tasks, as requested by clinicians, based on the functions that are to be studied with fMRI.

Is Magnetic Resonance Imaging a safe exam?

MRI and fMRI are safe and non-invasive techniques. However, since the magnet is very powerful, it is important to ensure that there are no contraindications, such as metal objects in the body, such as pacemakers or metal prostheses. For children and people with motor difficulties, it is possible to improve comfort during the exam, such as the presence of a family member or the use of relaxing videos.

What is the role of fMRI in Cerebral Palsy?

In Cerebral Palsy, the brain presents alterations that can affect movement and other functions. fMRI helps to understand how the brain reorganizes after early damage and which areas compensate for impaired functions. This is crucial both for diagnosis and for planning personalized therapies, such as Action Observation Therapy (AOT) or non-invasive brain stimulation (such as TMS or tDCS).

Research on fMRI and Cerebral Palsy

Numerous studies, including those conducted by the IRCCS Fondazione Stella Maris group, led by researchers such as Giuseppina Sgandurra and Laura Biagi, have shown that fMRI can reveal differences in brain activity between patients with and without Cerebral Palsy. Furthermore, these studies have also allowed us to identify some effects of rehabilitation interventions. For example, in a pilot study, the research team examined the effects of Action Observation Therapy on the reorganization of the motor system in children with congenital hemiplegia. Eight participants, aged 6 to 15 years, were randomly assigned to an experimental group or a control group. The experimental group performed a treatment consisting of observing unimanual and bimanual actions, followed by their execution, while the control group watched video games for the same amount of time, then performed the same actions. Clinical assessments and fMRI were performed before treatment, one week after, and eight weeks after the end of treatment. The results showed an expansion of brain activation in the experimental group after the end of treatment, associated with functional improvements in the assessment of the affected hand in spontaneous bimanual tasks.

Another study explored the potential benefits of using “UHF fMRI” (Ultra High Magnetic Field), with a stronger magnetic field, to study the reorganization of sensory function in young adults with congenital hemiplegia. Participants with congenital unilateral brain lesions underwent sensory assessments and fMRI during controlled tactile stimulation. Preliminary results indicated that “UHF fMRI” can provide more precise details on the reorganization of sensory function due to the greater image definition detail, offering new perspectives to understand the mechanisms of brain plasticity.

Conclusions

The above studies, conducted by the research group of the IRCCS Fondazione Stella Maris, highlight the importance of using fMRI to understand brain plasticity and evaluate the effects of rehabilitative interventions in Cerebral Palsy.

Functional Magnetic Resonance Imaging is therefore a fundamental tool for exploring the brain in Cerebral Palsy, contributing to improving the understanding of this condition also with a view to optimizing diagnosis and therapeutic approaches. Thanks to continuous progress in research, we can hope for increasingly effective strategies to improve the quality of life of children with Cerebral Palsy.

For the present contribution to the AINCP Blog, we thank the researchers Laura Biagi and Francy Cruz from the IRCCS Stella Maris Foundation.

In a future article we will also talk about the EEG exam, follow us!

 Photo @AINCP