Ricerche

Segnando una pietra miliare sulla strada verso il raggiungimento degli obiettivi dell'iniziativa BRAIN dei National Institutes of Health (NIH), una ricerca guidata da Bin He, capo del dipartimento di ingegneria biomedica della Carnegie Mellon University, fa progredire l'elettroencefalografia ad alta densità (EEG) come il futuro paradigma per la neuroscansione funzionale dinamica.

L'iniziativa Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) ha motivato i ricercatori a "produrre una nuova immagine rivoluzionaria dinamica del cervello che, per la prima volta, mostra come interagiscono singole cellule e circuiti neurali complessi, nel tempo e nello spazio".

Una tecnica ideale per la visualizzazione del cervello umano funzionale - una delle priorità dell'iniziativa - potrebbe descrivere l'attività cerebrale con alta risoluzione temporale, alta risoluzione spaziale e ampia copertura spaziale.

He, della Carnegie Mellon, ha fatto un grande balzo in avanti per il campo della neuroscansione funzionale. Uno studio finanziato dai NIH della durata di diversi anni, e che ha esaminato decine di pazienti con epilessia, ha prodotto una nuova fonte di scansione tecnologica che usa registrazioni ad alta densità EEG per mappare le reti cerebrali sottostanti.

Pubblicata su Nature Communications, questa ricerca è un grande passo verso lo stabilire la capacità di visualizzare dinamicamente le funzioni, e le disfunzioni, del cervello umano. Ciò potrebbe fornire informazioni importanti su dove e come avviene la sottostante elaborazione delle informazioni.

L'EEG è da tempo uno dei metodi funzionali più efficaci disponibili per la mappatura del cervello umano. Effettua letture in pochi millisecondi, e tuttavia la tecnologia lotta ancora per determinare l'estensione spaziale dell'attività all'interno del cervello.

L'approccio proposto da He e dalla sua squadra può stimare con precisione per la prima volta la dimensione e la portata delle aree attive nel cervello usando l'EEG ad alta densità, nonché le interazioni tra le regioni che sono funzionalmente collegate. I loro risultati sono stati convalidati con le registrazioni cliniche effettuate alla Mayo Clinic, analizzando un totale di 1.027 picchi EEG e 86 crisi epilettiche registrate da 36 pazienti.

Il metodo della squadra, definita tecnica 'spazio-temporale rapida a scarsità di bordo iterativamente riponderata' (FAST-IRES, fast spatio-temporal iteratively reweighted edge sparsity), usa l'apprendimento automatico di sorgenti di segnale stimate oggettivamente e attività che variano nel tempo. A differenza delle tecniche di scansione precedenti, non ha bisogno di un algoritmo ad hoc o di un intervento umano per determinare l'estensione della fonte e richiede solo un intervento minimo e intuitivo dai medici.

La FAST-IRES potrebbe avere un forte impatto sulla ricerca e il trattamento di vari disturbi neurologici e mentali come l'Alzheimer, il Parkinson, l'ictus, il dolore cronico e anche la depressione. Tuttavia, questo metodo ha un impatto unico e immediato per chi soffre di epilessia farmaco-resistente.

Circa l'1% della popolazione mondiale soffre di epilessia, e circa un terzo dei casi sono farmaco-resistenti, richiedendo un intervento chirurgico. Tuttavia, finora nessuna modalità attuale di scansione non invasiva aveva la specificità spaziale per determinare con precisione la zona epilettogena (EZ), che rappresenta la quantità minima di tessuto che deve essere rimossa per fermare le convulsioni.

"Analizzando le reti dell'epilessia con la nostra proposta di struttura FAST-IRES, abbiamo dimostrato che l'EZ può essere determinato oggettivamente e in modo non invasivo con alta precisione dalle registrazioni EEG di alta densità del cranio", hanno scritto He e i co-autori.

I risultati sono stati convalidati confrontandoli con le letture di registrazioni intracraniche invasive convenzionali e con i risultati chirurgici di ogni paziente, dimostrando l'efficacia della FAST-IRES.

Lo studio marca anche una delle prime volte che si usa l'EEG ad alta densità per studiare le crisi epilettiche. La più potente tecnologia di scansione, che prevede più del doppio degli elettrodi generalmente usati in ambito clinico, è ora disponibile per i pazienti trattati alla Mayo Clinic. He ritiene che entro i prossimi cinque anni, la metodologia FAST-IRES inizierà a influenzare il nostro modo di intendere una serie di disturbi neurologici:

"Questo lavoro dimostra che la scansione EEG può diventare il paradigma non invasivo ad alta risoluzione spaziale e temporale per la tecnologia di scansione del cervello umano, un importante obiettivo dell'iniziativa BRAIN".

La ricerca di He può cambiare la vita di chi soffre di epilessia e potrebbe dare benefici a ricercatori e medici in tutto il campo della neurologia, della neurochirurgia e delle neuroscienze umane. Questo lavoro porta il NIH e la comunità scientifica un passo più vicini ad acquisire una nuova immagine dinamica rivoluzionaria del cervello.