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Risonanza Magnetica e Fisiopatologia della Sclerosi Multipla

Le tecniche di Risonanza Magnetica convenzionale hanno un'elevata sensibilità nel riconoscere le lesioni macroscopiche della Sclerosi Multipla, tuttavia, tali tecniche hanno anche limiti importanti. Innanzitutto, sono dotate di scarsa specificità per i diversi substrati patologici delle lesioni. Secondariamente, anche laddove consentono di identificare il substrato patologico principale di una lesione (come l'infiammazione nel caso delle lesioni captanti il mezzo di contrasto o la perdita assonale e la grave demielinizzazione nelle lesioni ipointense su sequenze T1-pesate), non consentono di quantificare il danno medesimo. Infine, non permettono di individuare e quantificare il danno a carico del tessuto cerebrale apparentemente normale, che è stato dimostrato essere diffusamente coinvolto dalla malattia in vari studi patologici.

[1] Risonanza Magnetica con impulso di magnetizzazione (Magnetization trasfer imaging)

a) Aspetti generali. Come negli altri tessuti, anche nel sistema nervoso centrale (SNC) i protoni possono essere associati a macromolecole, quali i componenti delle mielina e delle membrane assonali, oppure essere liberi. Le tecniche convenzionali di Risonanza Magnetica acquisiscono segnale dai protoni liberi, poichè i tempi di rilassamento dei protoni legati alle macromolecole sono troppo brevi per essere registrati. Tuttavia, i due "pool" protonici scambiano continuamente energia e con l'applicazione di un opportuno impulso di magnetizzazione ad una comune sequenza di Risonanza Magnetica (generalmente vengono usate sequenze pesate in DP) si può ottenere la saturazione dei livelli energetici dei protoni legati alle macromolecole con una conseguente riduzione del segnale registrabile dai protoni liberi. Tale riduzione di segnale sarà più elevata laddove è maggiore la quantità di protoni legati. Per quantificare questo effetto e per ottenere conseguentemente un'informazione indiretta della integrità tissutale del tessuto in esame, sono pertanto necessarie due sequenze, una con ed una senza l'applicazione dell'impulso MT.

Esempio di sequenza gradient eco senza (A) e con (B) impulso di magnetizzazione in un paziente affetto da Sclerosi Multipla.

In questo modo, la differenza tra l'intensità di segnale delle due sequenze può essere quantificata definendo il rapporto dell'intensità di segnale dei pixel corrispondenti delle due sequenze. Questo rapporto è noto con il nome di "MT ratio" (MTR) ed è ottenuto applicando, per ogni pixel delle due immagini, la seguente formula:

dove M₀ è l'intensità di segnale di un dato pixel prima dell'applicazione dell'impulso MT, e M_S è l'intensità di segnale dello stesso pixel quando è applicato l'impulso MT. Valori ridotti di MTR indicano, pertanto, una ridotta capacità delle molecole della matrice del tessuto cerebrale a scambiare la magnetizzazione con le circostanti molecole d'acqua libera.

Teoricamente, nella Sclerosi Multipla una riduzione dei valori di MTR può essere secondaria sia a una perdita di integrità della matrice macromolecolare, a seguito del danno a carico della mielina e degli assoni, sia ad una diluizione delle macromolecole associata ad edema tissutale. Tuttavia, esiste una notevole mole di dati sperimentali che indica come una marcata riduzione dei valori di MTR nelle lesioni della Sclerosi Multipla sia espressione di un grave danno tissutale. L'evidenza principale in tale ambito deriva da uno studio post-mortem (van Waeberghe et al., Ann Neurol 1999) che ha evidenziato forti correlazioni tra riduzione dell'MTR e percentuale di assoni residui e gravità della demielinizzazione sia nelle lesioni macroscopiche che nella sostanza bianca apparentemente normale (SBAN) di pazienti con Sclerosi Multipla.

b) "Post-processing". L'analisi dei valori di MTR prevede innanzitutto la creazione di mappe MTR.

Esempio di sezione assiale di mappa MTR dell'encefalo in un paziente con Sclerosi Multipla. I valori di MTR riportati corrispondono alla SBAN (MTR = 40-50%), a lesioni Sclerosi Multipla macroscopiche (MTR = 21-37%) e al liquido cefalorachidiano (MTR = 0%).

Queste vengono prodotte automaticamente dalle due serie di immagini acquisite con e senza l'impulso di MT. Sulle mappe MTR ogni pixel sarà caratterizzato da un valore di MTR e non da un valore di intensità di segnale. Le mappe MTR possono essere ottenute sia per lo studio dell'encefalo, che per quello del midollo cervicale e del nervo ottico.

Esempio di sezione assiale di mappa MTR del midollo cervicale in un paziente con Sclerosi Multipla.
La mappa si ottiene dalle immagini senza (M0) e con (MS) impulso di magnetizzazione in seguito all'applicazione, pixel per pixel, della formula sopraillustrata.
Per il calcolo dei valori di MTR del midollo, le strutture che circondano il midollo vengono rimosse dalla mappa.

L'analisi può poi proseguire su base regionale con la misura dell'MTR medio per specifiche regioni di interesse, che possono corrispondere a lesioni o ad aree di SBAN, o su base più globale mediante l'utilizzo dei cosiddetti istogrammi di MTR.

Sezione assiale dell'encefalo pesata in DP (A) di paziente con Sclerosi Multipla. Le lesioni iperintense sono state segmentate con tecnica semiautomatica e le corrispondenti regioni di interesse sono visibili in rosso. In B, mappa MTR corrispondente alla sezione A, dopo segmentazione dei tessuti extracerebrali e co-registrazione con l'immagine A. In C, alla mappa MTR sono state prima sovraimposte e poi sottratte le regioni di interesse corrispondenti alle lesioni iperintense segmentate sull'immagine B; questa mappa viene utilizzata per creare un istogramma MTR del tessuto cerebrale apparentemente normale.

Questi ultimi permettono di ottenere un'informazione circa il danno (sia micro- che macro-scopico) a carico di tutta la struttura anatomica di volta in volta analizzata. La recente introduzione di tecniche che consentono una segmentazione automatica della sostanza bianca e della sostanza grigia (SG) ha consentito di ottenere delle misure quantitativa del danno microscopico a carico di questi due compartimenti, separatamente.

Esempio di segmentazione automatica della mappa MTR dell'encefalo, con ottenimento della mappa MTR della sostanza bianca (SB) e della sostanza grigia (SG) in un paziente con Sclerosi Multipla.

Solitamente, l'istogramma MTR è normalizzato per il numero di pixel inclusi nell'analisi per permettere un confronto tra istogrammi di soggetti con volumi cerebrali differenti. Per ciascun istogramma vengono calcolati diversi parametri, quali l'altezza del picco dell'istogramma (ossia il numero di pixel con il valore di MTR più comune), la posizione del picco dell'istogramma (ossia il valore di MTR più comune) e il valore di MTR medio.

La Risonanza Magnetica-MT presenta tre principali vantaggi nello studio della Sclerosi Multipla rispetto alle tecniche di Risonanza Magnetica convenzionale. In primo luogo, fornisce informazioni con una specificità maggiore rispetto alla Risonanza Magnetica convenzionale per i substrati patologici più destruenti della Sclerosi Multipla. In secondo luogo, permette di valutare il contributo del danno altrimenti "invisibile" nella SBAN. Infine, con l'applicazione del metodo degli istogrammi MTR, la Risonanza Magnetica-MT fornisce, con una procedura singola, parametri multipli che consentono di avere informazioni globali sul danno microscopico e macroscopico nell'intero cervello o di sue parti.

c) Applicazione della Risonanza Magnetica-MT allo studio dei pazienti con sindromi clinicamente isolate suggestive di Sclerosi Multipla.
Nei pazienti con sindromi clinicamente isolate suggestive di Sclerosi Multipla è stata evidenziata una riduzione dei valori di MTR a livello della SBAN (Iannucci et al., AJNR Am J Neuroradiol 2000; Traboulsee et al., Neurology 2002) e l'entità di tali alterazioni si è dimostrata essere un predittore indipendente della successiva evoluzione a Sclerosi Multipla definita in uno di questi studi (Iannucci et al., AJNR Am J Neuroradiol 2000). Questi risultati non sono tuttavia stati confermati da altri autori (Kaiser et al., AJNR Am J Neuroradiol 2000; Brex et al., AJNR Am J Neuroradiol 2001). Recentemente è stata dimostrata una riduzione dei valori di MTR nella SG corticale e profonda in questi pazienti (Audoin et al., J Magn Reson Imaging 2004).

Lo studio con la Risonanza Magnetica-MT del midollo cervicale dei pazienti con sindromi clinicamente isolate non ha evidenziato alterazioni significative dei valori di MTR in questa struttura (Rovaris et al., Neurology 2004). Nei pazienti con neurite ottica è stata dimostrata una riduzione significativa dei valori di MTR nel nervo ottico colpito, che tende a peggiorare nel tempo (Hickman et al., Brain 2004; Melzi et al., Mult Scler 2007).

d) Applicazione della Risonanza Magnetica-MT allo studio dei pazienti con Sclerosi Multipla.
La Risonanza Magnetica-MT è stata ampiamente utilizzata per lo studio dei pazienti con Sclerosi Multipla definita. I principali risultati ottenuti dall'applicazione di tale metodica per la valutazione di questi pazienti sono i seguenti (Filippi M, Rocca MA; Neurotherapeutics 2007):

1. Nei pazienti con Sclerosi Multipla definita, è stata dimostrata una riduzione dei valori di MTR di entità variabile a livello delle lesioni iperintense sulle sequenze pesate in doppio-eco. I valori di MTR sono più elevati nelle lesioni con captazione omogenea, rispetto alle lesioni con captazione ad anello. Le lesioni captanti in almeno due esami mensili consecutivi hanno un MTR inferiore rispetto a quello delle lesioni captanti su una singola scansione mensile. Utilizzando esami Risonanza Magnetica-MT seriati, vari studi hanno dimostrato in modo consistente che, in media, l'MTR è molto ridotto al momento della comparsa di nuove lesioni. Tutte le lesioni presentano poi un incremento del loro valore di MTR nelle primissime settimane dopo il loro sviluppo. Nel periodo seguente, alcune lesioni continueranno a presentare un recupero dei loro valori di MTR, che potranno dopo qualche mese, essere molto simili a quelli della SBAN, mentre altre potranno avere valori di MTR stabili o, addirittura, valori progressivamente peggiori col passare del tempo. I valori più bassi sono quelli delle lesioni ipointense in T1.
2. Modifiche variabili del MTR della SBAN possono precedere la formazione di nuove lesioni Sclerosi Multipla.
3. L'applicazione della Risonanza Magnetica-MT allo studio del tessuto cerebrale apparentemente normale (TCAN) e, più recentemente, della SB e SG nei pazienti con Sclerosi Multipla definita ha dimostrato la presenza di alterazioni diffuse a carico di questi tessuti. Tali alterazioni sono più marcate nelle forme progressive di malattia, rispetto alle forme a ricadute e remissioni (RR) (Tortorella et al., Neurology 2000), mentre nelle forme benigne il danno a livello dei TCAN è relativamente modesto e minore rispetto a quello osservato nelle forma RR (De Stefano et al., Brain 2006).
4. Le alterazioni del TCAN, della SBAN e della SG sono solo in parte correlate all'estensione delle lesioni macroscopiche ed alla gravità del danno tissutale intrinseco alle lesioni stesse, suggerendo che le alterazioni della SBAN non sono solo il risultato di degenerazione Walleriana di fibre che attraversano lesioni di ampie dimensioni.
5. Le alterazioni delle misure di MTR sono state correlate sia al livello di disabilità fisica che alla presenza di deficit cognitivi, soprattutto nei paziento con Sclerosi MultiplaRR e secondariamente progressiva (SP).
6. Studi longitudinali hanno dimostrato che i valori di MTR del TCAN tendono a peggiorare nel tempo, soprattutto nei pazienti con Sclerosi MultiplaSP (Rovaris et al., Brain 2003), e che i valori di MTR della SG sono un predittore indipendente del successivo accumulo di disabilità irreversibile in un gruppo di pazienti seguiti per otto anni (Agosta et al., Brain 2006). Questi risultati indicano che questa metodica potrebbe fornire misure utili per il monitoraggio dell'evoluzione della malattia.
7. L'utilizzo di tecniche Risonanza Magnetica-MT per lo studio del nervo ottico nel corso di neuriti ottiche acute ha evidenziato che nei nervi lesi si ha una riduzione del valore di MTR, associato ad un allungamento dei tempi di rilassamento in T2, ad indicare una disorganizzazione tissutale. Esiste inoltre una correlazione significativa tra riduzione del MTR nel nervo ottico, lunghezza delle lesioni in T2 ed incremento della latenza dei potenziali evocati visivi, ma non tra riduzione del MTR e gravità della sintomatologia clinica. Studi longitudinali hanno dimostrato l'utilità di questa metodica per il monitoraggio del recupero clinico e funzionale in questa struttura (Hickman et al., Brain 2004).
8. La Risonanza Magnetica-MT è stata anche usata per la valutazione del danno a livello del midollo cervicale nei pazienti con Sclerosi Multipla. Questi studi hanno dimostrato una riduzione dei valori di MTR nei pazienti con Sclerosi Multipla rispetto a controlli sani e che, nel midollo cervicale, i pazienti con disabilità locomotoria o affetti da una forma progressiva di malattia hanno valori derivati dagli istogrammi MTR minori rispetto a quelli degli altri pazienti.

[2] La risonanza magnetica spettroscopica (Risonanza MagneticaS)

a) Aspetti generali. La Risonanza Magnetica spettroscopica (Risonanza MagneticaS) sfrutta segnali molto deboli derivanti da atomi contenuti in molecole di interesse biologico, al fine di ottenere informazioni circa la composizione chimica dei tessuti in esame. Tale tecnica permette di misurare in vivo la quantità di determinate componenti biochimice di tessuti, fornendo informazioni rilevanti sulle caratteristiche dei tessuti medesimi. La messa a punto di tecniche di Risonanza MagneticaS sempre più semplici ha permesso, negli ultimi anni, un loro utilizzo sempre più diffuso nella pratica clinica, tanto che oggi esami di Risonanza MagneticaS sono generalmente ottenuti in concomitanza di studi di Risonanza Magnetica convenzionale. Le maggiori applicazioni di tale tecnica nella neurologia clinica riguardano lo studio del cervello e del muscolo tramite la Risonanza MagneticaS dell'idrogeno (¹H) e del fosforo (³¹P).

I principi generali che sono alla base della Risonanza MagneticaS sono i medesimi delle altre tecniche di Risonanza Magnetica e risiedono nella proprietà di alcuni atomi di possedere, in quanto aventi un numero dispari di protoni e neutroni, un momento magnetico. Questo significa che, se sottoposti ad un campo magnetico, tali atomi si allineeranno nella direzione del campo magnetico stesso. Se a tali atomi viene poi inviato uno specifico impulso elettromagnetico, essi si ecciteranno ed assorbiranno energia, con conseguente perdita dell'equilibrio preesistente. L'impulso inviato (specifico per ogni nucleo) è breve, cosicchè i nuclei ritorneranno presto nelle condizioni iniziali quando l'impulso cessa, emettendo una certa quantità di energia che verrà registrata come un segnale sinusoidale chiamato "free induction decay" (FID). Tramite la trasformazione di Fourier, la FID registrata nel dominio del tempo potrà essere tradotta in uno spettro nel dominio della frequenza. Tale spettro è convenzionalmente rappresentato da un insieme di risonanze di una determinata frequenza ed intensità. Ciascuna risonanza presente nello spettro deriverà, chiaramente, da distinti composti chimici, poichè questi hanno una precisa frequenza di risonanza che dipende strettamente dall'ambiente chimico in cui sono situati i nuclei risuonanti (questo fenomeno prende il nome di "chemical shift"). Il "chemical shift" viene convenzionalmente espresso in termini di parti per milione (ppm). E', comunque, importante sottolineare che non tutti i composti contenenti nuclei con momento magnetico producono un segnale visibile spettroscopicamente. In genere, solo quei metaboliti che non hanno legami forti e che sono presenti in concentrazioni sufficientemente elevate producono un picco di risonanza distintamente visibile.

Nell'ambito della ricerca clinica sono state utilizzate due distinte tecniche di Risonanza MagneticaS: la tecnica "single voxel", che permette di ottenere un solo spettro da tutto il volume di interesse studiato,

Esempio di posizionamento di un singolo, largo, voxel a livello del corpo calloso per la quantificazione della concentrazione di diversi metaboliti cerebrali tramite Risonanza Magnetica spettroscopica.

e la tecnica "spectroscopic imaging", che permette di ottenere, tramite l'utilizzo di gradienti a codifica di fase, più spettri dal volume di interesse studiato (il quale può arrivare a comprendere parti relativamente ampie dell'encefalo). Tramite la "spectroscopic imaging" è possibile, infine, elaborare immagini a bassa risoluzione per ogni metabolita tramite l'integrazione dei segnali di risonanza. In queste immagini, ciascun pixel è caratterizzato da un'intensità di segnale proporzionale all'intensità del picco del metabolita in esame.

La ¹H-Risonanza MagneticaS del cervello può essere eseguita utilizzando tempi di "echo" (TE) relativamente lunghi (generalmente a 136 e 272 millisecondi). In questo caso, si rilevano quattro risonanze maggiori, una a 3.2 ppm, proveniente da composti contenenti colina (Cho), una a 3.0 ppm, proveniente dalla creatina (da sola o in forma di fosfocreatina) (Cr), una a 2.0 ppm, proveniente dal cosiddetto gruppo degli N-acetili, principalmente costituito dall'N-acetilaspartato (NAA) ed uno a 1.3 ppm, proveniente dal metile del lattato (Lac).

Esempio di Risonanza Magnetica spettroscopica in un soggetto sano. Le immagini metaboliche sono relative alla colina (Cho), creatina (Cr) e N-acetilaspartato (NAA).

Le modificazioni visibili tramite ¹H-Risonanza MagneticaS nella risonanza della Cho sono probabilmente il risultato di alterazioni dei livelli di "steady-state" di fosfocolina e glicerofosfocolina. Tali fosfolipidi di membrana sono rilasciati soprattutto in corso di danno della mielina. Questo è il motivo per cui il picco di risonanza della Cho aumenta significativamene nelle fasi acute di demielinizzazione. Al contrario, in caso di danno cronico della mielina la risonanza della Cho non si differenzia sostanzialmente dalle condizioni di normalità. Tale fenomeno è probabilmente dovuto al fatto che la perdita di mielina è in questi casi così lenta che i fosfolipidi di membrana rilasciati a seguito del processo distruttivo non riescono ad accumularsi in quantità sufficiente a modificare la risonanza della Cho. La Cr è distribuita omogeneamente nel cervello normale ed, essendo relativamente resistente ai cambiamenti, è usata come standard interno in studi di ¹H-Risonanza MagneticaS per correggere eventuali variazioni dell'intensità di segnale dovute ad inomogeneità del campo magnetico o della radiofrequenza. E' ormai certo che l'NAA è presente in maniera quasi esclusiva nei neuroni e nei processi neuronali del cervello maturo. Pertanto, questo metabolita è utilizzato come uno specifico marker di funzionalità neuronale. Recentemente è stata introdotta una tecnica di spettroscopia non localizzata che consente di quantificare la concentrazione di NAA dell'intero encefalo .

Esempio di Risonanza Magnetica spettroscopica dell'intero encefalo in un soggetto sano (A) ed in un paziente con sclerosi multipla (B). Nel paziente è visibile una riduzione del picco del N-acetilaspartato (NAA).

Il Lac è un prodotto della glicolisi, che si accumula quando il metabolismo ossidativo mitocondriale non può fornire l'energia richiesta.

La ¹H-Risonanza MagneticaS può essere ottenuta anche con TE relativamente brevi (generalmente della durata di 20-40 millisecondi). In questo modo, si possono ottenere spettri in cui sono visibili, oltre a quelli già descritti, una serie di altri metaboliti quali il mio-inositolo (mI), il GABA, il glutammato (Glu), la glicina (Gli) ed i lipidi.

b) Applicazione della ¹H-Risonanza MagneticaS allo studio dei pazienti con sindromi clinicamente isolate suggestive di Sclerosi Multipla.
Due studi di ¹H-Risonanza MagneticaS (Filippi et al., Brain 2003; Fernando et al., Brain 2004) hanno dimostrato la presenza di alterazioni metaboliche in pazienti nelle fasi iniziali della malattia. In particolare, Filippi et al. (2003) hanno dimostrato una riduzione della concentrazione di NAA dell'intero encefalo in un gruppo di pazienti studiati entro tre mesi dall'esordio della malattia, mentre Fernando et al. (2004) hanno evidenziato un aumento dei livelli di mI e Cr nella SB di questi pazienti. Questi risultati indicano che il danno assonale e la proliferazione gliale possono essere un evento precoce nel corso della Sclerosi Multipla. Lo studio con ¹H-Risonanza MagneticaS della SG di questi pazienti non ha mostrato alterazioni metaboliche significative a carico di questa struttura (Kapeller et al., Mult Scler 2002). Arevalo et al. (2004) hanno descritto una riduzione del rapporto NAA/Cr e del volume cerebrale in un gruppo di pazienti con sindromi clinicamente isolate e compromissione cognitiva rispetto ad un gruppo di pazienti senza compromissione cognitiva, mentre i due gruppi non differivano in termini di misure evidenziabili con la Risonanza Magnetica convenzionale.

c) Applicazione della ¹H-Risonanza MagneticaS allo studio dei pazienti con Sclerosi Multipla.
L'applicazione della ¹H-Risonanza MagneticaS allo studio dei pazienti con Sclerosi Multipla definita ha evidenziato che (De Stefano and Filippi, J Neuroimaging 2007):

1. Nelle lesioni Sclerosi Multipla in fase acuta è stato evidenziato un precoce aumento dell'intensità delle risonanze di Cho e Lac, a testimonianza della presenza di un importante processo infiammatorio e demielinizzante. A tali alterazioni si accompagna, nella maggior parte dei casi, anche una riduzione dell'intensità della risonanza dell'NAA, probabilmente secondaria a disfunzione assonale. In fase acuta, utilizzando TE brevi, è possibile inoltre rilevare un incremento di intensità delle risonanze dei lipidi. L'incremento delle risonanze dei lipidi può anche precedere la formazione di lesioni visibili su sequenze di Risonanza Magnetica convenzionale. Dopo qualche giorno dall'insorgenza della fase acuta, si assiste ad una progressiva riduzione dell'intensità del Lac. Successivamente (per un periodo che può durare anche alcuni mesi), le intensità di Cho e lipidi ritornano a valori di normalità. Diversamente, il picco dell'NAA può anche rimanere costantemente diminuito, indice questo di verosimile danno assonale permanente. Le lesioni croniche della Sclerosi Multipla sono caratterizzate da una marcata riduzione del rapporto NAA/Cr. Tali alterazioni sono più pronunciate nelle lesioni ipointense sulle sequenze pesate in T1.
2. Diversi studi hanno evidenziato che i livelli di NAA sono diminuiti non solo nelle lesioni della Sclerosi Multipla, ma anche nelle aree perilesionali ed in zone della SBAN distanti dalle lesioni stesse. Tali alterazioni sono più marcate nei pazienti con le forme progressive di malattia rispetto a quelli con Sclerosi MultiplaRR. Due sono le possibili origini (che non si escludono a vicenda) della riduzione dei livelli di NAA nella SBAN: la presenza di lesioni microscopiche al di sotto della risoluzione della Risonanza Magnetica convenzionale e la degenerazione Walleriana di fibre che hanno attraversato lesioni macroscopiche. Inoltre, va ricordato che anche per la SBAN si possono osservare transitorie diminuzioni dei livelli dell'NAA.
3. Recentemente sono state dimostrate alterazioni metaboliche, caratterizzate da una riduzione dell'NAA, della Cho e del glutammato e da un aumento del mI, nella SG dei pazienti con Sclerosi Multipla. Come per la SBAN, anche nella SG tali alterazioni sono più marcate nei pazienti con le forme progressive di malattia. Una riduzione della concentrazione di NAA è stata anche dimostrata nel talamo dei pazienti con Sclerosi MultiplaRR e Sclerosi MultiplaSP.
4. Numerosi studi di ¹H-Risonanza MagneticaS hanno valutato, tramite l'utilizzo di un unico voxel di grandi dimensioni posizionato all'altezza del corpo calloso corpo calloso, il ruolo sull'accumulo di disabilità del danno e della disfunzione assonale in un'ampia porzione di parenchima cerebrale ed hanno dimostrato che esiste nei pazienti con Sclerosi Multipla una correlazione significativa tra i livelli di NAA ed il grado di disabilità. Le alterazioni di NAA in specifiche regioni cerebrali sono state inoltre correlate alla compromissione clinica nei corrispondenti sistemi funzionali.
5. L'applicazione della ¹H-Risonanza MagneticaS per la valutazione del danno a livello del midollo cervicale ha dimostrato una riduzione della concentrazione di NAA nei pazienti con Sclerosi Multipla rispetto ai volontari sani.

[3] Tecniche di Risonanza Magnetica pesate in diffusione (Risonanza Magnetica-DT)

a) Aspetti generali. A causa dell'agitazione termica, le molecole sono sottoposte ad un moto traslatorio, noto come diffusione. Poiché tale moto è influenzato dalle caratteristiche del mezzo in cui le molecole sono immerse, la misura della diffusione nei tessuti biologici riflette la struttura microscopica del mezzo stesso. La Risonanza Magnetica costituisce l'unica tecnica di misura non invasiva di questo fenomeno. In particolare, l'introduzione delle immagini Risonanza Magnetica pesate in diffusione(Risonanza Magnetica-DT), ha rappresentato una notevole innovazione nello studio delle caratteristiche dei tessuti biologici, in quanto permette di indagarne in vivo la struttura, nonché l'orientamento e la distribuzione delle loro componenti. La diffusione, inoltre, riflette direttamente la mobilità molecolare, contrariamente ai tempi di rilassamento longitudinale (T1) e trasversale (T2), i quali riflettono più complicate interazioni a livello microscopico. Pertanto, la diffusione è definita al di fuori del contesto di Risonanza Magnetica e non dipende dalle caratteristiche dell'apparecchio utilizzato per la misura, come, ad esempio, l'entità del magnete permanente. Poiché, inoltre, non esiste correlazione fra diffusione e tempi di rilassamento, la diffusione costituisce un parametro indipendente da quelli misurati dalle tecniche convenzionali di Risonanza Magnetica.

b) Principi fisici. Le molecole d'acqua sono sottoposte ad un moto casuale noto come moto Browniano, che le porta a continui scontri e interazioni. Poiché ogni molecola si sposta in direzione casuale, lo spostamento medio è nullo all'equilibrio e nei sistemi omogenei nessun moto è osservabile a livello macroscopico. Una misura di tale moto è, quindi, possibile soltanto in termini statistici, definendo la probabilità che una certa molecola percorra una determinata distanza r in un tempo t. In un liquido isotropo, come l'acqua, tale probabilità è descritta da una distribuzione gaussiana a media nulla (in quanto lo spostamento medio macroscopico è nullo) e varianza proporzionale a t. Questo significa che la dislocazione media rispetto alla posizione di partenza, detta distanza di diffusione, aumenta linearmente con la radice quadrata del tempo entro cui viene misurata. All'interno dei sistemi biologici, invece, la struttura stessa dei tessuti limita il moto di diffusione, per cui la distanza di diffusione cresce linearmente con la radice quadrata di t, solo per tempi di misura molto brevi. All'aumentare degli stessi, a causa dell'interazione con le barriere incontrate dalle molecole, la distanza di diffusione si satura e il coefficiente di diffusione nei tessuti biologici, che per questo motivo è detto coefficiente di diffusione apparente (ADC), sarà sempre inferiore a quello dell'acqua libera. Poiché nell'acqua, nei tempi tipici di un esperimento Risonanza Magnetica, tale distanza è dello stesso ordine di grandezza delle dimensioni cellulari, la misura della diffusione fornisce una descrizione della configurazione microscopica che caratterizza il sistema in esame.

Nella maggior parte dei tessuti biologici, la diffusione non può essere considerata isotropa, cioè l'ADC non può essere assunto uguale in ogni direzione dello spazio. In particolare, i tessuti caratterizzati da una struttura poco organizzata presentano analoghe caratteristiche di diffusione in ogni direzione, mentre in quelli caratterizzati da un'architettura ordinata il coefficiente di diffusione dipende dalla direzione in cui lo stesso viene misurato. Un esempio di mezzo anisotropo è costituito dalla SB cerebrale, dove la presenza dei fasci nervosi praticamente non limita la diffusione in direzione parallela ai fasci stessi, mentre la limita significativamente in direzione perpendicolare.

Diffusione anisotropica nella sostanza bianca: il moto delle molecole è favorito in direzione parallela alla fibra.

In queste circostanze, un unico coefficiente scalare è insufficiente a caratterizzare quantitativamente il fenomeno. Una descrizione più adeguata può essere data in termini di tensore, un'entità descritta matematicamente da una matrice 3x3, simmetrica, i cui termini in diagonale costituiscono gli ADC misurati nelle tre direzioni ortogonali, mentre i termini fuori diagonale tengono conto della correlazione esistente fra le componenti ortogonali stesse. Gli elementi del tensore sono a loro volta ottenibili tramite misure di Risonanza Magnetica effettuate in più direzioni. Dal tensore è, in seguito, possibile derivare alcune grandezza scalari, come la traccia del tensore, cioè la somma delle componenti diagonali, e alcuni indici di anisotropia. Un terzo della traccia viene chiamata diffusività media (DM) e costituisce una misura della diffusione indipendente dal sistema di riferimento. Questo coefficiente, misurato pixel per pixel, può essere utilizzato per creare immagini analoghe a quelle dell'ADC, dove però la componente direzionale è eliminata. L'anisotropia frazionaria (AF), invece, è un indice che caratterizza l'integrità delle fibre in esame e permette di studiarne l'orientamento.

A livello della sostanza bianca il livello di anisotropia è altamente variabile: più elevato nelle regioni costituite da fibre parallele, e meno elevato laddove le fibre hanno orientamenti meno coerenti.

Direzionalità delle fibre dedotta dal tensore di diffusione

Gli approcci utilizzati per la quantificazione del danno cerebrale sulle sequenze pesate in diffusione nei pazienti con Sclerosi Multipla sono simili a quelli utilizzati per l'analisi delle immagini con impulso di magnetizzazione.

Immagini Risonanza Magnetica dell'encefalo pesate in diffusione di un paziente affetto da Sclerosi Multipla.
L'immagine pesata in DP (a) è riportata come riferimento.
In (b) è mostrata la mappa di diffusività media ed in (c) la mappa di anisotropia frazionaria.
Si noti l'aumento di diffusività e la diminuzione di anisotropia all'interno di alcune lesioni.

Anche per la Risonanza Magnetica-DT sono state applicate tecniche che consentono una segmentazione automatica della SBAN dalla SG,

Esempio di ottenimento della mappa di anisotropia frazionaria e diffusività media della sostanza bianca (SB) in un paziente con Sclerosi Multipla. Il segnale dei pixels appartenenti alle lesioni è stato rimosso da queste mappe

Esempio di ottenimento della mappa di diffusività media della sostanza grigia (SG) e della sostanza bianca (SB) in un paziente con Sclerosi Multipla. Il segnale dei pixels appartenenti alle lesioni è stato rimosso da queste mappe.

che pertanto permettono di quantificare separatamente il danno a carico di questi due compartimenti cerebrali. Infine, sono state anche sviluppate sequenze che consentono la quantificazione della DM e della AF a livello del midollo cervicale e del nervo ottico.

Immagini Risonanza Magnetica del midollo cervicale pesate in diffusione di un soggetto sano (A, B) e in un paziente affetto da Sclerosi Multipla (C).
In (A) è mostrata la mappa di diffusività media ed in (B) la mappa di direzionalità delle fibre (AF) del volontario sano, in cui il blu indica un prevalente orientamento cranio-caudale delle fibre.
Nel paziente, tale orientamento è perso, come indicato dalla presenza di aree verdi a livello midollare

c) Applicazione della Risonanza Magnetica-DT allo studio dei pazienti con sindromi clinicamente isolate suggestive di Sclerosi Multipla. Uno studio recente ha mostrato la presenza di alterazioni diffuse delle misure di Risonanza Magnetica-DT nella SBAN dei pazienti con sindromi clinicamente isolate suggestive di Sclerosi Multipla (Gallo et al., Arch Neurol 2005)), che tuttavia non erano predittive della successiva disseminazione di lesioni bel tempo (in base ai criteri di McDonald) a tre e 12 mesi.

d) Applicazione della Risonanza Magnetica-DT allo studio dei pazienti con Sclerosi Multipla. L'utilizzo della Risonanza Magnetica-DT nello studio del danno a carico del SNC nei pazienti con Sclerosi Multipla ha fornito i seguenti risultati (Rovaris and Filippi, J Neuroimaging 2007):

1. nelle lesioni della Sclerosi Multipla i valori di ADC e di DM sono più elevati e la AF è ridotta rispetto a quelli della SBAN. I valori di ADC e DM più elevati sono stati riscontrati nelle lesioni ipointense sulle sequenze pesate in T1, rispetto a quelle isointense; mentre i valori più ridotti di AF sono stati evidenziati nelle lesioni captanti, rispetto a quelle non captanti.
2. Un aumento dei valori di DM è stato anche osservato nelle aree di SBAN che precedono la formazione di nuove lesioni
3. Vari studi hanno dimostrato un aumento della DM nella SBAN e nella SG (compreso il talamo) ed una riduzione della AF nella SBAN dei pazienti con Sclerosi Multipla con vari fenotipi di malattia rispetto ai volontari sani. Queste alterazioni sono più marcate nei pazienti con Sclerosi MultiplaSP e primariamente progressiva (PP), rispetto ai pazienti con Sclerosi MultiplaRR.
4. Studi longitudinali hanno dimostrato che il danno a livello della SBAN e della SG tende a progredire nel tempo nei vari fenotipi clinici di malattia.
5. Le correlazioni dimostrate tra danno a livello della SG e gravità dei deficit cognitivi nei pazienti con Sclerosi Multipla indicano che la compromissione della SG è un fattore di rilievo che contribuisce al peggioramento clinico in questi pazienti.
6. La Risonanza Magnetica-DT è stata anche utilizzata per lo studio del danno a livello del nervo ottico dei pazienti con Sclerosi Multipla e neurite ottica, nei quali è stato dimostrato un aumento significativo dei valori di ADC rispetto a soggetti di controllo.
7. L'applicazione della Risonanza Magnetica-DT per lo studio del midollo cervicale ha infine dimostrato un aumento dei valori di DM ed una riduzione dei valori di AF nei pazienti con Sclerosi MultiplaRR, Sclerosi MultiplaSP e Sclerosi MultiplaPP rispetto a soggetti sani di controllo.

[4] La Risonanza Magnetica funzionale (Risonanza Magneticaf)

a) Aspetti generali. L'attivazione di aree della corteccia cerebrale determina un aumento del loro flusso ematico regionale. Questo meccanismo è tale da comportare una variazione della concentrazione ematica di deossiemoglobina nell'area attivata, che, a sua volta, determina incremento dell'intensità di segnale dell'area stessa su immagini di Risonanza Magnetica funzionale (Risonanza Magneticaf). Con l'introduzione di sequenze "veloci" di Risonanza Magnetica, è stato, pertanto, possibile ottenere immagini dell'attivazione di aree corticali dell'uomo. Nella Sclerosi Multipla, la Risonanza Magneticaf sta contribuendo a fornire informazioni uniche sulla abilità del SNC di ri-organizzarsi a seguito del danno da Sclerosi Multipla, sui meccanismi di recupero funzionale a breve e lungo termine e sulla validità di interventi terapeutici, quali la fisioterapia.

b) Applicazione della Risonanza Magneticaf allo studio dei pazienti con sindromi clinicamente isolate suggestive di Sclerosi Multipla.
Utilizzando la Risonanza Magneticaf, due diversi studi hanno descritto un alterato pattern di reclutamento cerebrale movimento correlato in pazienti con sindromi clinicamente isolate, valutati entro tre mesi dall'esordio della sintomatologia clinica, sia durante l'esecuzione di compiti motori semplici, che durante l'esecuzione di compiti motori complessi (Rocca et al., NeuroImage 2003; Filippi et al., Hum Brain Map 2004). Uno studio in cui i pazienti dei due studi precedenti sono stati rivalutati sia da un punto di vista clinico che di Risonanza Magnetica strutturale a distanza di un anno ha dimostrato che, al momento dell'esordio della malattia, i pazienti con successiva evoluzione a Sclerosi Multipla definita avevano un pattern di reclutamento cerebrale diverso rispetto ai pazienti che non presentavano tale evoluzione, ad indicare che l'attivazione delle aree normalmente deputate all'esecuzione di un determinato compito potrebbe rappresentare un fattore prognostico favorevole, mentre il reclutamento diffuso di aree aggiuntive possa essere un fattore prognostico sfavorevole (Rocca et al., 2005).

c) Applicazioni della Risonanza MagneticaF allo studio dei pazienti con Sclerosi Multipla.
L'utilizzo della Risonanza Magneticaf per lo studio della plasticità cerebrale nei pazienti con Sclerosi Multipla (Rocca and Filippi, 2007) ha dimostrato che:

• nei pazienti con Sclerosi Multipla e vari fenotipi clinici di malattia vi è un alterato pattern di reclutamento cortico-sottocorticale, evidenziato da studi del sistema visivo, motorio e cognitivo.

Pattern di attivazione cerebrale durante l'esecuzione di un movimento di flesso-estensione della mano destra in un volontario sano (A) ed in un paziente affetto da Sclerosi Multipla (B).
Nel paziente è visibile un'attivazione bilaterale del network motorio.

• I meccanismi di plasticità corticale variano con il progredire della malattia, come evidenziato da uno studio del sistema motorio condotto su pazienti con vari fenotipi clinici di Sclerosi Multipla (Rocca et al., 2005), nei quali è stato dimostrato che all'inizio della malattia si osserva principalmente un aumentato reclutamento delle aree normalmente deputate all'esecuzione di un determinato compito, nelle fasi successive l'attivazione di queste aree tende a diventare biemisferica, ed, infine, c'è il reclutamento di aree aggiuntive, che sono solitamente attivate nei volontari sani durante l'esecuzione di compiti relativamente più complessi.
• Vari studi hanno dimostrato delle correlazioni significative tra l'entità delle attivazioni cerebrali nei pazienti con Sclerosi Multipla e misure di danno strutturale, sia macroscopico che microscopico, a livello dell'encefalo e del midollo spinale, ad indicare la probabile natura adattativa dei meccanismi di plasticità cerebrale nel limitare i deficit funzionali secondari al danno diffuso della malattia.
• E' stato inoltre ipotizzato che non sempre un aumentato reclutamento di determinate aree cerebrali rifletta una situazione di compenso e di adattamento al sottostante danno strutturale. Ad esempio, nei pazienti con Sclerosi Multipla PP e SP si osserva una progressione della malattia ed un peggioramento della disabilità clinica in presenza di un'aumentata attivazione di alcune aree del network motorio. Analogamente, nei pazienti con Sclerosi Multipla RR che lamentano fatica dopo la somministrazione di interferone beta1a è stato dimostrato un alterato reclutamento di varie aree del network motorio.
• La Risonanza Magneticaf si è anche dimostrata utile per monitorare le variazioni longitudinali del pattern di attivazione corticale, sia in pazienti clinicamente stabili, che in pazienti dopo una ricaduta di malattia.
• Recentemente, la Risonanza Magneticaf è stata utilizzata per il monitoraggio di specifici trattamenti farmacologici e riabilitativi.

[5] Conclusioni

Nonostante la Risonanza Magnetica convenzionale abbia drammaticamente incrementato le nostre conoscenze circa le modalità di evoluzione della Sclerosi Multipla, essa fornisce informazioni limitate sui substrati patologici di questa condizione morbosa sia in termini di accuratezza che di specificità. Le moderne tecniche quantitative di Risonanza Magnetica hanno permesso di superare, almeno in parte, alcune delle limitazioni della Risonanza Magnetica convenzionale. Misure derivate dalla Risonanza Magnetica-MT e dalla Risonanza Magnetica-DT rendono possibile una quantificazione del danno tissutale a carico delle lesioni macroscopiche e dei tessuti apparentemente normali, con una specificità patologica maggiore di quella ottenibile con la Risonanza Magnetica convenzionale. La Risonanza MagneticaS fornisce informazioni preziose circa la natura biochimica delle suddette alterazioni strutturali, con la potenzialità di migliorare significativamente la nostra capacità di monitorare due aspetti fondamentali della Sclerosi Multipla, quali l'infiammazione/demielinizzazione e il danno neuro-assonale. La Risonanza Magneticaf è in grado di fornirci un quadro accurato della riorganizzazione del SNC secondaria al danno tissutale della Sclerosi Multipla e potrebbe contribuire a migliorare la conoscenza dei fattori associati all'accumulo di disabilità neurologica irreversibile in questi pazienti. Tuttavia, è anche evidente che nessuna delle tecniche di Risonanza Magnetica quantitativa è in grado, se considerata singolarmente, di fornire un quadro esaustivo della complessità dei processi fisiopatologici della Sclerosi Multipla e ciò dovrebbe sottolineare la necessità urgente di definire nuove misure basate su un approccio di Risonanza Magnetica multiparametrico, al fine di riflettere i diversi aspetti della malattia e per migliorare la capacità di monitorarla.