• fMRI
• olfattometro
• GLM

Questa tesi di laurea affronta le principali tematiche ingegneristiche relative ai tre aspetti fondamentali di uno studio neurofisiologico in vivo basato su Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI): progettazione e sviluppo di un idoneo apparato di stimolazione, predisposizione di un esperimento con prerogative tali da ottimizzare le caratteristiche dei dati ottenuti ai fini delle successive analisi, elaborazione di questi ultimi tramite modelli matematici di tipo statistico e lineare.
Lo studio di imaging funzionale in questione riguarda il sistema olfattivo umano e si avvale delle bioimmagini ottenute con fMRI, la tecnica che negli ultimi anni ha portato una vera e propria rivoluzione nell’ambito delle ricerche in vivo circa il funzionamento del cervello umano, soprattutto grazie all’impiego come mezzo di contrasto del segnale BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) originato da una variazione fisiologica della concentrazione di deossiemoglobina nel sangue che irrora le regioni cerebrali attivate, combinata con un aumento di flusso e volume locali di quest’ultimo.
L’occasione per confrontarsi con l’intera catena di processi che compone una sperimentazione fMRI (progettazione dello stimolatore – sviluppo di un task – elaborazione dei dati) è offerta da una ricerca incentrata sullo studio del sistema olfattivo e che vuole inizialmente esplorare le possibilità di individuare il maggior numero possibile delle regioni cerebrali coinvolte nella funzione olfattoria, servendosi di un olfattometro sviluppato ad hoc, semplice ma funzionale alle esigenze di uno studio fMRI di questo tipo.
La funzione olfattiva infatti possiede attrattive particolari perché il sistema olfattorio umano è scarsamente conosciuto ed è altresì complesso nei processi di integrazione ed elaborazione degli stimoli. Tale sistema gestisce un senso chimico con importanti implicazioni psicologiche e comportamentali, ma anche impegnato in numerosi quadri patologici sia congeniti che acquisiti.
Corteccia piriforme, amigdala, corteccia orbito-frontale ed insula sono le aree corticali la cui attivazione verrà ricercata come risultato finale degli esperimenti qui descritti.
La risonanza magnetica funzionale ha aperto le maggiori prospettive, ma anche nuove stringenti esigenze da tenere presenti nel dispositivo di somministrazione dello stimolo, nella progettazione dell’esperimento e nelle procedure di elaborazione dei dati misurati. Tali esigenze riguardano la compatibilità magnetica delle parti del sistema di stimolazione soggette al campo del magnete RM, la necessità di attuare un design sperimentale che assicuri un’elevata potenza statistica così da trarre risultati altamente significativi e la scelta fra diversi modelli emodinamici della risposta olfattiva, attraverso una comparazione della loro adeguatezza ai dati misurati.

La tesi si articola in cinque capitoli.
Nel primo introduco i principi fisici alla base del neuroimaging di risonanza magnetica (MRI), nell’ambito del quale anche la fMRI è collocata. Quindi illustro il concetto di risposta emodinamica e descrivo la struttura dei dati fMRI, evidenziandone l’organizzazione, fondata sul concetto di voxel e slice, e spiegando come avvengono nel tempo le scansioni che portano alla registrazione di serie temporali discrete, con un predeterminato passo di campionamento di 2 o 3 s. Enuncio anche i principi utilizzati per la formazione di mappe funzionali attraverso il confronto di due o più condizioni sperimentali che, alternandosi, innescano ciascuna almeno un differente processo cognitivo. Concludo il capitolo con una descrizione dell’anatomia e della fisiologia del sistema olfattivo umano, delle prerogative più importanti della stimolazione olfattiva e con una breve panoramica delle problematiche specifiche, oggettive ed incontrate da precedenti ricerche, negli studi fMRI dell’olfatto.
Nel secondo capitolo affronto il primo dei tre passaggi fondamentali in una sperimentazione neurofisiologica in vivo mediante fMRI: lo sviluppo di un sistema di stimolazione dedicato. Introduco una sorta di classificazione degli olfattometri in “seriali” (prodotti in serie, per lo più per scopi di analisi chimica, e molto costosi) e “adattati”, ovvero assemblati con componenti nati per usi diversi o modificati a partire da quelli di serie per soddisfare gli scopi di una ben specifica ricerca. Fra questi ultimi sono collocati anche gli olfattometri stimolatori impiegati nelle indagini funzionali del sistema olfattivo umano, sui quali presento un breve excursus con riferimenti alle relative pubblicazioni. Successivamente illustro la progettazione di un olfattometro amagnetico, in tutto compatibile con l’uso nella stanza che ospita il magnete del tomografo RM, esponendo le soluzioni componentistiche ed architetturali adottate per rispondere alle particolari necessità connaturate al suo futuro utilizzo.
Nel terzo capitolo mi propongo di riassumere i punti fondanti la predisposizione di un esperimento di fMRI, fino alla specializzazione al caso dello studio del sistema olfattivo umano.Concludo con la descrizione dettagliata delle caratteristiche dell’esperimento pensato per la ricerca qui in oggetto e basato su una stimolazione ottenuta con l’olfattometro al centro del precedente capitolo. In particolare puntualizzo i requisiti che qualificano un esperimento di risonanza magnetica funzionale e presento la classificazione dei paradigmi sperimentali fMRI in Block(ed) Design ed Event Related, sintetizzandone le diverse proprietà ed i rispettivi più adatti contesti di applicazione. Affronto anche il problema di una scelta oculata della proporzione fra la durata della fase di stimolazione e di quella di controllo al fine dell’ottenimento di una elevata potenza statistica, punto quanto mai rilevante per lo studio del sistema olfattivo, data la disomogeneità magnetica delle strutture che gli appartengono ed anche la necessità di contrastare i meccanismi di adattamento ed assuefazione all’odorante che possono interessare il soggetto durante la stimolazione, inficiando l’esito dell’esperimento.
Incentro il quarto capitolo sulla teoria alla base dei metodi univariati di elaborazione dei dati fMRI mirati all’individuazione delle regioni cerebrali coinvolte nelle risposte ad un certo task motorio, sensorio o più in generale cognitivo, eseguito da un soggetto durante una scansione. Il punto di vista rimane del tutto generale, non facendo riferimento alcuno all’applicazione al sistema olfattivo. Introduco dapprima l’analisi statistica in cui consiste l’ elaborazione primaria dei dati fMRI, cercando di spiegarne chiaramente i principi costitutivi ed il legame con i concetti di risposta impulsiva e convoluzione, che stanno alla base dei modelli impiegati. In seguito, avendo spiegato come l’individuazione delle regioni attivate avvenga sulla base della costruzione di un modello per la risposta emodinamica indotta dal task e per il livello di attività basale nella fase di riposo, introduco il GLM (General Linear Model) quale arsenale modellistico e la stima dei suoi parametri che consente l’ottenimento di un modello stimato per la serie temporale di ciascun voxel e la verifica della sua bontà rispetto all’andamento osservato. In quest’ottica presento la teoria della regressione lineare semplice, estendendola poi al caso di più predittori, inquadrando il GLM come un caso molto generale di regressione lineare multipla, con termine di errore gaussiano. Ulteriori approfondimenti riguardano l’analisi della regressione (e quindi del GLM) basata sulla statistica induttiva e su misure descrittive proprie dell’analisi della varianza (ANOVA). Infine descrivo come tutti questi concetti e questi strumenti si esercitino nell’elaborazione di dati fMRI, acquisendo significati e necessitando di interpretazioni particolari.
Nell’ultimo capitolo descrivo dettagliatamente l’analisi dei dati sperimentali acquisiti con scansioni fMRI per lo studio del sistema olfattivo introdotti nel capitolo III. A tale proposito definisco anche la quantità variazione percentuale di segnale, utilizzata per confrontare l’ampiezza della risposta emodinamica stimata in regioni ed acquisizioni differenti, cercando di metterla in relazione con la maggiore o minore concentrazione della soluzione odorante di stimolazione o con l’eventuale sommarsi di attivazioni tattili dovute alla bimodalità dell’odorante somministrato. In questa sede presento anche i risultati dell’analisi in merito al numero di regioni attivate fra quelle attese ed il confronto del livello di adeguatezza alle osservazioni dei tre GLM proposti.