Le GIF psichedeliche che mappano il cervello

Il Brain mapping è il più psichedelico tra i metodi di visualizzazione medica.
26 gennaio 2016, 10:37am

Nel 1956 mentre Aldous Huxley e lo psichiatra Humphry Osmond erano alla ricerca disperata di un termine per definire gli effetti di alterazione indotti dalla mescalina, Osmond coniò il neologismo "psichedelico" le cui radici vengono dal greco "psiche" (mente) e "delos" (manifestare, rivelare). Da allora questo aggettivo è stato abbinato a sostanze allucinogene, opere d'arte e persino rappresentazioni di Plutone.

Tuttavia, l'ambito applicativo in cui il termine andrebbe adoperato in senso letterale è sempre rimasto trascurato.

Il mio lavoro di ricercatore presso il Laboratory of Neuro Imaging (LONI) della University of Southern California, mi porta ogni giorno ad esaminare rappresentazioni del cervello tanto affascinanti dal punto di vista scientifico quanto da quello estetico. Queste immagini vengono generate utilizzando un ampio spettro di dati ottenuti mappando il cervello: dalle risonanze magnetiche con tensore di diffusione prodotte dallo Human Connectome Project, fino alle mappe cerebrali genetiche dell'ENIGMA Consortium e ai traccianti neuronali del Mouse Connectome Project.

Anche se gli strumenti di visualizzazione di questo genere di dati variano notevolmente in termini di modalità rappresentativa e obiettivi specifici, le immagini prodotte sono fondamentali per approfondire la nostra comprensione del cervello... oltre ad essere psichedeliche di brutto.

Se il termine "psichedelico" nella sua accezzione originale indica le "manifestazioni mentali", allora le immagini generate dagli studi di brain mapping sono l'essenza della psichedelia. Decorandole poi con uno stile tipica da "trip allucinogeno", allora possiamo dire che certi frattali algoritmici oppure certe rappresentazioni delle connessioni neurali colorate come l'arcobaleno non risulterebbero del tutto fuori luogo in un negozio di dischi di Haight-Ashbury. In un certo senso, "psichedelico" non è neanche il termine corretto da utilizzare; piuttosto, dato che le immagini sono letteralmente delle manifestazioni della mente rappresentate per mezzo di colori e motivi psichedelici, potremmo definirle "meta-psichedeliche."

Naturalmente, le rappresentazioni con cui lavoriamo al LONI non sono semplicemente belle immagini e le loro qualità che le fanno assomigliare alle allucinazioni da trip sono dei sottoprodotti non intenzionali del tentativo di rappresentare la più grande quantità di dati possibili in due dimensioni. Per questo articolo, però, ho volutamente esagerato la loro componente psichedelica, trasformando una serie di immagini del cervello già belle di per sé in delle GIF decisamente meta-psichedeliche, con l'aggiunta di pratiche didascalie per spiegarne il significato.

Corpo Calloso

Cos'è: una sezione del corpo calloso, una voluminosa lamina di fibre nervose che connette i due emisferi del cervello.

Dettagli: questa immagine è stata generata usando la risonanza magnetica pesata in diffusione che utilizza i gradienti di campo magnetico per registrare il movimento delle molecole d'acqua lungo gli assoni. Il movimento delle molecole d'acqua in prossimità dei percorsi neurali avviene solo parallelamente agli assoni e viene chiamato movimento anisotropo; in altre regioni del cervello, invece, si svolge in tutte le direzioni e prende il nome di movimento isotropico.

Il movimento anisotropico delle molecole d'acqua può essere rilevato attraverso gli impulsi dei gradienti di campo magnetico sfruttando la risonanza magnetica pesata in diffusione così da quantificarne grado e direzione. Quando si studia un cervello, si raccolgono circa un milione di "voxel" (l'equivalente 3D dei pixel), le informazioni comprese all'interno di ogni voxel possono essere elaborate attraverso una funzione matematica.

Agli albori dell'imaging, le informazioni direzionali venivano modellate utilizzando un tensore ("imaging con tensore di diffusione") il quale consentiva di rappresentare i dati di diffusione contenuti all'interno di ciascun voxel sottoforma di un singolo ellissoide. Tuttavia, questo metodo si è rivelato problematico perché ogni voxel misura un volume di 1-3 millimetri cubici, abbastanza da includere un numero eccessivo di popolazioni di fibre nervose differenti estese in varie direzioni.

Dato che un singolo ellissoide non era sufficiente per rappresentare le informazioni direzionali dei fasci di fibre perpendicolari venne sviluppato un nuovo metodo di modellazione dei dati—la distribuzione dell'orientamento fibra (FOD)—la quale illustra attraverso una serie di archi le varie direzioni delle fibre all'interno di ciascun voxel (guarda la progressione dall'altro verso il basso di questa immagine).

Una volta generati i FOD, si utilizza un algoritmo probabilistico per "unire i puntini" tra i vari FOD e tracciare i percorsi degli assoni, un processo noto come trattografia. Per eseguire la trattografia utilizzo il software LONI Pipeline, il quale fornisce un'interfaccia grafica per elaborare in contemporanea i dati provenienti da più cervelli. Gli input del programma prendono il nome di "seed regions" e "regions of interest" (le regioni del cervello che cerchiamo di connettere) le variabili su cui si possono intervenire sono angoli di curvatura, lunghezze dei tratti e soglie di interruzione dei tracciamenti.

DISTRIBUZIONE NELL'ORIENTAMENTO DELLE FIBRE

Cos'è: queste figure che ricordano dei palloncini a forma di animale sono i singoli FOD dei voxel rilevati nel chiasma ottico, il punto in cui la metà delle fibre nervose di ogni occhio si incrociano con le loro equivalenti dell'emisfero opposto.

Dettagli: come spiegato nella prima GIF, il FOD è un metodo per modellizzare la forza e la direzione del flusso d'acqua anisotropo all'interno di un voxel, ovvero il movimento non casuale di molecole d'acqua lungo la lunghezza degli assoni. Gli "archi" di ogni FOD rappresentano la probabilità della presenza di tratti di fibre lungo una determinata direzione. Questi FOD in particolare sono stati generati utilizzando un metodo in grado di gestire un elevato numero di gradienti di diffusione e un numero arbitrario di forze gradiente.

Ho scelto il chiasma ottico perché costituisce un punto di "incontro delle fibre", quindi presenta, ad esempio, due fasci di assoni che si incrociano all'interno dello stesso voxel. Grazie ai FOD, le direzioni delle fibre sono rappresentate in maniera definita e tracciabile con grande precisione da un algoritmo trattografia, un compito che sarebbe risultato molto più ostico con le tecniche precedenti.

CHIASMA OTTICO

Cos'è: il chiasma ottico, come appare dopo la trattografia utilizzando i FOD generati nella GIF precedente.

Dettagli: questa immagine è stata generata in maniera simile alla prima GIF, vale a dire utilizzando un algoritmo probabilistico di trattografia per collegare i FOD e modellizzare i percorsi di fibre cerebrali che viaggiano attraverso il chiasma ottico.

IL TRATTO CORTICOSPINALE

Cos'è: una sezione del tratto corticospinale (il percorso responsabile del movimento volontario) che collega il cervello al midollo spinale, sovrapposto ai FOD utilizzati per tracciarne il percorso.

Dettagli: lo sfondo di questa GIF è uno screenshot di tutti i FOD presi da una sezione coronale del cervello. Attraverso questi FOD, è stata eseguita la trattografia probabilistica per collegare la corteccia motoria primaria al tratto piramidale nel tronco encefalico. La corteccia motoria primaria è stata identificata automaticamente usando un software chiamato FreeSurfer. Il fascio piramidale è stato sovrapposto al tronco cerebrale dal sottoscritto, usando un software chiamato ITK-SNAP.

L'IPPOCAMPO

Cos'è: vari metodi di mappatura della superficie dell'ippocampo

Dettagli: la mappatura superficiale consente di rilevare le variazioni delle strutture cerebrali. Questa GIF illustra i progressi nella tecnologia di mappatura superficiale che utilizza un modello basato sulla rete distribuita di superfici. Ciò consente una analisi automatizzata molto accurata di un gran numero di soggetti.

L'IPPOCAMPO NELLA MALATTIA DI ALZHEIMER

Cos'è: variazioni nell'ippocampo nel caso di (a) lieve decadimento cognitivo precoce, (b) ritardo cognitivo lieve e (c) malattia di Alzheimer.

Dettagli: questa GIF sfrutta la tecnologia illustrata nella GIF precedente per mostrare come l'ippocampo muti in relazione la progredire della malattia di Alzheimer. L'ippocampo viene coinvolto pesantemente nella fisiopatologia dell'Alzheimer, rimpicciolendo di dimensioni. La nuova tecnologia di mappatura consente di identificare mutazioni nell'ippocampo in maniera più accurata e tempestiva, consentendo diagnosi precoci e monitoraggi più precisi dell'efficacia dei trattamenti.

IL TRIPPOCAMPO

Cos'è: questo è un rendering della superficie dell'ippocampo che ho trovato particolarmente evocativo di un trip, da qui il nomignolo Trippocampo.

IL PERCORSO VISIVO UMANO

Cos'è: il percorso dal chiasma ottico (vedi la terza GIF) al nucleo genicolato laterale e alla corteccia visiva primaria. La parte superiore della GIF (il chiasma ottico) si trova davanti, mentre la parte inferiore (la corteccia visiva primaria) è posizionata sulla parte posteriore del cervello.

Dettagli: questa GIF è il frutto della mia ricerca sui metodi automatizzati per mappare il percorso visivo utilizzando l'imaging ad alta risoluzione della diffusione. E´ stata prodotta utilizzando le tecniche descritte nelle prime tre GIF, vale a dire le distribuzioni nell'orientamento delle fibre e la trattografia probabilistica.

La principale difficoltà nel mappare i percorsi delle fibre consiste nel far sì che l'algoritmo di tracking probabilistico navighi la curva del loop di Meyer (la porzione di fibre nervose oculari che passano anteriormente al corno temporale prima di proseguire posteriormente alla corteccia visiva) perché l'algoritmo tende a proseguire lungo il percorso con minor resistenza, praticamente una linea retta.

Per ovviare a questo problema, abbiamo sviluppato un metodo di monitoraggio suddiviso in due fasi: svolgiamo la prima trattografia nel chiasma ottico e quindi utilizzato questi risultati per individuare automaticamente un secondo punto di partenza per le analisi situato nel genicolato laterale del talamo (la zona in cui inizia il loop di Meyer).

VOLARE ATTRAVERSO IL CORPO CALLOSO

Cos'è: un "volo" attraverso le due parti del corpo calloso partendo da quella anteriore per raggiungere quella posteriore

Dettagli: questa GIF è la versione estesa a tutto il cervello della prima GIF che riguardava solo una piccola sezione coronale del corpo calloso. E` stata creata utilizzando TrackVis, un software di visualizzazione in grado di scattare automaticamente degli screenshot lungo un dato percorso. Nel caso vi foste mai chiesto cosa si vede volando tra i due emisferi del vostro cervello (magari in acido). Eccovi servita la risposta.