Oltre il 40% dei segnali della risonanza magnetica funzionale non corrisponde all'attività cerebrale / Over 40% of Functional MRI Signals Don't Correspond to Brain Activity

Oltre il 40% dei segnali della risonanza magnetica funzionale non corrisponde all'attività cerebrale / Over 40% of Functional MRI Signals Don't Correspond to Brain Activity

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un nuovo studio ha scoperto che un segnale fMRI più elevato è associato ad una riduzione dell'attività cerebrale in circa il 40 percento dei casi.

Per quasi tre decenni, la risonanza magnetica funzionale (fMRI) è stata uno degli strumenti principali nella ricerca sul cervello. Eppure, un nuovo studio pubblicato sulla rinomata rivista Nature Neuroscience mette radicalmente in discussione il modo in cui i dati fMRI sono stati finora interpretati in relazione all'attività neuronale. Secondo i risultati, non esiste un accoppiamento generalmente valido tra il contenuto di ossigeno misurato dalla risonanza magnetica e l'attività neuronale.

I ricercatori dell'Università Tecnica di Monaco (TUM) e dell'Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Norimberga (FAU) hanno scoperto che un segnale fMRI aumentato è associato ad una riduzione dell'attività cerebrale in circa il 40% dei casi. Allo stesso tempo, hanno osservato una diminuzione dei segnali fMRI nelle regioni con attività elevata. La prima autrice, la Dott.ssa Samira Epp, sottolinea: "Questo contraddice l'ipotesi di lunga data secondo cui un aumento dell'attività cerebrale sia sempre accompagnato da un aumento del flusso sanguigno per soddisfare una maggiore richiesta di ossigeno. Poiché decine di migliaia di studi fMRI in tutto il mondo si basano su questo presupposto, i nostri risultati potrebbero portare a interpretazioni opposte in molti di essi".

I compiti di prova rivelano deviazioni dall'interpretazione standard

Il Dott. Valentin Riedl, ora Professore presso la FAU, e il suo collega Epp hanno esaminato più di 40 partecipanti sani durante il loro periodo alla TUM. A ciascuno sono stati assegnati diversi compiti sperimentali, come calcoli aritmetici mentali o richiamo di ricordi autobiografici, che notoriamente producono variazioni prevedibili del segnale fMRI in regioni cerebrali distribuite. Durante questi esperimenti, i ricercatori hanno misurato simultaneamente il consumo effettivo di ossigeno utilizzando una nuova tecnica di risonanza magnetica quantitativa.

A seconda del compito e della regione cerebrale, i risultati fisiologici variavano. L'aumento del consumo di ossigeno, ad esempio nelle aree coinvolte nel calcolo, non coincideva con l'aumento previsto del flusso sanguigno. Le analisi quantitative hanno invece mostrato che queste regioni soddisfacevano il loro fabbisogno energetico aggiuntivo estraendo più ossigeno dall'apporto ematico invariato. Pertanto, utilizzavano l'ossigeno disponibile nel sangue in modo più efficiente, senza richiedere una maggiore perfusione.

Implicazioni per l'interpretazione dei disturbi cerebrali

Secondo Riedl, queste intuizioni influenzano anche l'interpretazione dei risultati della ricerca sui disturbi cerebrali: "Molti studi fMRI su malattie psichiatriche o neurologiche – dalla depressione all'Alzheimer – interpretano le variazioni del flusso sanguigno come un segnale affidabile di ipoattivazione od iperattivazione neuronale. Data la validità limitata di tali misurazioni, questo deve ora essere rivalutato. Soprattutto nei gruppi di pazienti con alterazioni vascolari – ad esempio dovute all'invecchiamento od a malattie vascolari – i valori misurati potrebbero riflettere principalmente differenze vascolari piuttosto che deficit neuronali". Precedenti studi sugli animali puntano già in questa direzione.

I ricercatori propongono quindi di integrare l'approccio MRI convenzionale con misurazioni quantitative. A lungo termine, questa combinazione potrebbe costituire la base per modelli cerebrali basati sull'energia: anziché mostrare mappe di attivazione che dipendono da ipotesi sul flusso sanguigno, le analisi future potrebbero visualizzare valori che indicano la quantità di ossigeno – e quindi di energia – effettivamente consumata per l'elaborazione delle informazioni. Ciò apre nuove prospettive per esaminare l'invecchiamento, le malattie psichiatriche o neurodegenerative in termini di cambiamenti assoluti nel metabolismo energetico, e per comprenderli in modo più accurato.

ENGLISH

A new study has found that an increased fMRI signal is associated with reduced brain activity in around 40 percent of cases.

For almost three decades, functional magnetic resonance imaging (fMRI) has been one of the main tools in brain research. Yet a new study published in the renowned journal Nature Neuroscience fundamentally challenges the way fMRI data have so far been interpreted with regard to neuronal activity. According to the findings, there is no generally valid coupling between the oxygen content measured by MRI and neuronal activity.

Researchers at the Technical University of Munich (TUM) and the Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nuremberg (FAU) found that an increased fMRI signal is associated with reduced brain activity in around 40 percent of cases. At the same time, they observed decreased fMRI signals in regions with elevated activity. First author Dr. Samira Epp emphasizes: “This contradicts the long-standing assumption that increased brain activity is always accompanied by an increased blood flow to meet higher oxygen demand. Since tens of thousands of fMRI studies worldwide are based on this assumption, our results could lead to opposite interpretations in many of them.”

Test tasks reveal deviations from the standard interpretation

PD Dr. Valentin Riedl, now Professor at FAU, and his colleague Epp examined more than 40 healthy participants during their time at TUM. Each was given several experimental tasks – such as mental arithmetic or autobiographical memory recall – which are known to produce predictable fMRI signal changes in distributed brain regions. During these experiments, the researchers simultaneously measured the actual oxygen consumption using a novel quantitative MRI technique.

Depending on the task and the brain region, the physiological results varied. Increased oxygen consumption – for instance in areas involved in calculation – did not coincide with the expected rise in blood flow. Instead, the quantitative analyses showed that these regions met their additional energy demand by extracting more oxygen from the unchanged blood supply. Thus, they used the oxygen available in the blood more efficiently without requiring greater perfusion.

Implications for interpreting brain disorders

According to Riedl, these insights also affect the interpretation of research findings in brain disorders: “Many fMRI studies on psychiatric or neurological diseases – from depression to Alzheimer’s – interpret changes in blood flow as a reliable signal of neuronal under- or over-activation. Given the limited validity of such measurements, this must now be reassessed. Especially in patient groups with vascular changes – for instance due to aging or vascular disease – the measured values may primarily reflect vascular differences rather than neuronal deficits.” Previous animal studies already point in this direction.

The researchers therefore propose complementing the conventional MRI approach with quantitative measurements. In the long term, this combination could form the basis for energy-based brain models: rather than showing activation maps that depend on assumptions about blood flow, future analyses could display values indicating how much oxygen – and therefore energy – is actually consumed for information processing. This opens new perspectives for examining aging, psychiatric, or neurodegenerative diseases in terms of absolute changes in energy metabolism – and for understanding them more accurately.

Da:

https://www.technologynetworks.com/neuroscience/news/40-of-functional-mri-signals-dont-correspond-to-brain-activity-408029?utm_campaign=NEWSLETTER_TN_Breaking%20Science%20News&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz-_bQE0_E8W47vmJZ9Nx_jCF_uNAGTs7HVppIv-oC17EecegizeFOnpYFWyvymPw6SeljmcnGpwSP83ZHZe8KI2yBgMJEaH_2PGpDfU9GNNFu9R22cI&_hsmi=394884490&utm_content=394884490&utm_source=hs_email