T2 relaxometry for myelin water fraction: an ex vivo brain imaging study

Il cervello umano è un vasto e intricato paesaggio di miliardi di cellule, ma gran parte della sua struttura si basa su una sostanza grassa chiamata mielina. Questo materiale funge da guaina protettiva attorno alle linee di comunicazione del cervello, molto simile al rivestimento in plastica di un filo elettrico. Quando questa isolazione è sana, i segnali viaggiano in modo rapido ed efficiente; quando è danneggiata, come accade in condizioni quali la sclerosi multipla o la malattia di Alzheimer, la comunicazione si interrompe. Per decenni, gli scienziati hanno lottato per vedere direttamente questa mielina all'interno di una persona viva. Sebbene la risonanza magnetica nucleare, o MRI, possa scattare immagini del cervello, le scansioni standard spesso sfocano i dettagli fini di questo rivestimento grasso. I ricercatori hanno sviluppato una tecnica speciale chiamata imaging dell'acqua della mielina che cerca di misurare la minuscola quantità di acqua intrappolata tra gli strati della guaina mielinica. Contando questa specifica acqua, possono stimare quanta mielina sia presente. Tuttavia, questo metodo è complesso e richiede apparecchiature molto specifiche e spesso difficili da reperire. Per garantire l'accuratezza di queste misurazioni, gli scienziati devono testarle contro il "gold standard", ovvero l'osservazione diretta del tessuto cerebrale dopo il decesso della persona.

Un team di ricercatori della McGill University e del Douglas Mental Health University Institute si è posto l'obiettivo di risolvere un problema pratico in questo campo. Volevano sapere se una sequenza MRI ampiamente disponibile, chiamata turbo spin echo, potesse misurare la mielina altrettanto bene di una sequenza più specializzata e veloce chiamata gradient-and-spin-echo, che non è sempre accessibile a ogni centro di ricerca. Per farlo, non hanno scansionato persone vive. Invece, hanno lavorato con quaranta emisferi cerebrali umani che erano stati conservati in una soluzione di formaldeide dopo il decesso. Questi cervelli provenivano da individui con varie condizioni neurologiche, così come da individui senza alcuna patologia nota. I ricercatori hanno posizionato questi cervelli preservati in un potente scanner MRI ed hanno eseguito due diversi tipi di scansioni su ciascuno di essi. Una scansione utilizzava il metodo specializzato gradient-and-spin-echo, che impiega circa sette minuti e cattura una lunga serie di segnali. L'altra utilizzava il più comune metodo turbo spin echo, che impiega circa dieci minuti e cattura una serie di segnali più breve. L'obiettivo era vedere se la scansione più breve e comune potesse produrre risultati corrispondenti a quella specializzata, e se la scansione specializzata avesse davvero bisogno di essere così lunga per cominciare.

I ricercatori hanno prima verificato se potessero accorciare la scansione specializzata senza perdere informazioni importanti. Hanno preso i dati completi della scansione specializzata, che includeva trentadue diverse misurazioni di segnale, e hanno ricreato matematicamente la mappa utilizzando solo le prime quattordici misurazioni. Hanno scoperto che i risultati erano quasi identici. Le mappe dell'acqua della mielina apparivano uguali e i numeri erano quasi indistinguibili. Ciò suggeriva che per il tessuto cerebrale preservato, la versione molto lunga della scansione non fosse strettamente necessaria; una versione più breve poteva fornire la stessa informazione fondamentale. Questa è una scoperta significativa perché significa che i ricercatori potrebbero potenzialmente risparmiare tempo o usare il tempo risparmiato per migliorare altre parti della scansione.

Successivamente, il team ha confrontato i risultati della scansione specializzata con i risultati della comune scansione turbo spin echo. Hanno scoperto che entrambi i metodi producevano mappe che apparivano molto simili nei loro schemi generali. Le aree con alto contenuto di mielina apparivano elevate in entrambe le scansioni, e le aree con basso contenuto di mielina apparivano basse in entrambe. Tuttavia, i numeri non erano esattamente uguali. La scansione specializzata riportava costantemente quantità maggiori di acqua della mielina rispetto alla scansione comune. Infatti, la scansione comune tendeva a riportare meno acqua della mielina e più dell'acqua presente negli spazi tra le cellule. I ricercatori si sono resi conto che le due macchine non stavano solo misurando cose diverse; stavano smistando lo stesso segnale in categorie diverse in modi leggermente differenti. La macchina specializzata era più brava a separare la minuscola quantità di acqua intrappolata nella mielina dall'acqua circostante, mentre la macchina comune era un po' meno precisa in tale separazione.

Nonostante queste differenze nei numeri esatti, i due metodi erano fortemente collegati. I ricercatori hanno scoperto che, se conoscevano il risultato della scansione comune, potevano usare un modello computerizzato per prevedere con alta precisione ciò che la scansione specializzata avrebbe trovato. Hanno costruito un modello che analizzava l'intero schema dei segnali della scansione comune, non solo il numero della mielina, e lo ha usato per stimare il risultato specializzato. Questo modello funzionava molto bene, ricreando con successo le mappe dettagliate della scansione specializzata utilizzando solo i dati della scansione comune. Ciò significa che, anche se le due macchine forniscono numeri grezzi differenti, l'informazione che contengono è profondamente correlata. Un ricercatore che utilizza la macchina comune potrebbe comunque ottenere un'ottima immagine della salute della mielina, a condizione di utilizzare gli strumenti matematici corretti per tradurre i risultati.

Lo studio ha anche esaminato come il tempo trascorso dai cervelli nel fluido conservante influenzasse le misurazioni. Hanno scoperto che, più a lungo il cervello rimaneva nel fluido, più le misurazioni cambiavano. Entrambi i metodi di scansione mostravano un aumento dell'acqua della mielina calcolata con l'aumentare del tempo di conservazione. Questo non significa che il cervello stesse guadagnando mielina; piuttosto, i cambiamenti chimici causati dal conservante stavano alterando il comportamento dell'acqua, facendo apparire come se ci fosse più acqua della mielina di quanta ce ne fosse realmente. La scansione specializzata era leggermente più sensibile a questo cambiamento rispetto alla scansione comune, ma entrambi mostravano la stessa tendenza. Questo evidenzia come, quando si studiano i cervelli preservati, il tempo trascorso dal decesso e il tempo nel conservante siano fattori critici che devono essere tenuti in considerazione, poiché possono spostare i numeri in un modo prevedibile.

In definitiva, questo lavoro fornisce una via chiara per studiare l'isolamento del cervello dopo il decesso. Dimostra che la scansione specializzata, difficile da ottenere, non è l'unico modo per ottenere una buona visione della mielina. La scansione più comune e ampiamente disponibile può catturare gli schemi essenziali e, con l'aiuto di modelli computerizzati moderni, può essere tradotta per corrispondere ai risultati della scansione specializzata. I ricercatori hanno concluso che, sebbene i due metodi non siano intercambiabili senza aggiustamenti, sono profondamente connessi. La scansione comune detiene la chiave di quella specializzata, permettendo agli scienziati di studiare la struttura del cervello con un livello di dettaglio che precedentemente si pensava richiedesse strumenti rari e costosi. Ciò apre la porta a molti più laboratori per contribuire alla nostra comprensione delle malattie cerebrali, utilizzando dati che siano coerenti e confrontabili tra i diversi studi.