Neuroimagem funcional por ressonância magnética - Profª. Drª. Renata Leoni

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Neuroimagem Funcional por 
Ressonância Magnética
Universidade de São Paulo
II Escola de Inverno FAMB
Ribeirão Preto
Julho/2016
Profa. Dra. Renata Leoni
2
Philips 3.0 T Achieva
(Philips, Best, Holanda)
Imagens anatômicas
Imagens 
funcionais
Evolução da IRM
1977: Experiências iniciais de Damadian
IRM hoje
M
elhor
Melhor
- Não invasiva
- Sensível a diferentes 
tecidos
- Flexível (diversas 
aplicações)
Imagem por ressonância magnética
Perfusão cerebral
Funcional
Difusão
(fibras nervosas no cérebro humano)Agiografia
Anatômica
1. Colocar o sujeito em um campo magnético intenso
2. Transmitir ondas de radiofrequência (RF) no sujeito [MHz]
3. Desligar o transmissor da onda de rádio
4. Receber as ondas de rádio re-transmitidas pelo sujeito
5. Converter os dados de RF medidos em imagem
Como é um exame de IRM?
1H
• Presente na H2O
• Momento magnético  se comporta
como um pequeno dipolo magnético
(ímã)
• Na presença de um campo magnético
forte (ex.: 3 T)
spin
B
0

w0 = g·B0
• g: razão giromagnética
• Para o hidrogênio, g = 42,58 MHz/T 
• B0: valor do campo magnético externo aplicado
B
dt
d 

 g
Equação do movimento:
Mz = M0 Mxy = 0
• No plano xy, não há coerência de fase.
Aplicação do campo de RF (B1)
• Campo magnético B1: pulso de RF, que
transfere energia para o vetor magnetização,
desviando-o do alinhamento.
wRadioFreq  w0 = g·B0
• Para o hidrogênio, g  42,58 MHz/T 
• B0 = 3 T 
w0 = 127,7 MHz
spin
B
0

z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
B1 campo 
de RF
z = B0
x
Sistema de Laboratório
Aplicação do campo de RF (B1)
z’
x’
Sistema girante de coordenadas
y’
z = B0
x
Sistema de Laboratório
B1 campo 
de RF
Aplicação do campo de RF (B1) – Pulso de 90°
Aplicação do campo de RF (B1)
• Momentaneamente, o vetor M gira no plano xy.
Logo após desligar B1 (pulso de 90°)
Fluxo magnético
     
 
 
tbobina
área da
tSdtBt

 cos SdBSdB 
 
 tV
dt
td
mef 

...
Força eletromotriz induzida:
Lei de Indução de Faraday
O que acontece algum tempo após desligarmos o 
campo de RF B1?
z = B0
x
Receptor 
de Rádio
Freqüência
tempo
sinal
Sinal Induzido
z = B0
x
Receptor 
de Rádio
Freqüência
tempo
sinal
Sinal Induzido
z = B0
x
Receptor 
de Rádio
Freqüência
tempo
sinal
Sinal Induzido
z = B0
x
Receptor 
de Rádio
Freqüência
tempo
sinal
Sinal Induzido
z = B0
x
Receptor 
de Rádio
Freqüência
tempo
sinal
Sinal Induzido
z = B0
x
Receptor 
de Rádio
Freqüência
tempo
sinal
Sinal Induzido
z = B0
x
Receptor 
de Rádio
Freqüência
tempo
sinal
Sinal Induzido
Prótons interagentes  Relaxação
• O campo magnético local que interage com os momentos magnéticos nucleares é
gerado na própria amostra.
• Este campo se sobrepõe ao campo magnético estático e é de natureza aleatória.
• Existem diferentes fontes para este campo magnético de fundo.
 Interação dipolar
 Paramagnetismo eletrônico
 Deslocamento químico
 Acoplamento escalar spin-spin
 Interação quadrupolar
x
x
y
y
z
z
x
x
x x
y
y
y y
z
z
z z
M L
M L
MT
ML
ML= Mo
MT= Mo
Exc i t a t i o n
MT = M0 e-t/T2
ML = M0 ( 1 - e-t/T1 )
tT2 T1<
2)0()(
Tt
et

 MM
)1()( 10
Tt
z eMtM

• Tempos de relaxação (T1,T2)
• Densidade protônica (r)
• Deslocamento químico (d)
• Velocidade (V)
• Suscetibilidade (c,T2*)
Imagens convencionais
Espectroscopia
Angiografia, Difusão, Perfusão
IRMf, Nano-partículas
Mecanismos de contraste
Relaxometria
(método quantitativo)
43
 Método não invasivo, que mede indiretamente a atividade neuronal com
alta resolução temporal
 Seu princípio baseia-se em detectar a resposta hemodinâmica transiente
provocada pela atividade neuronal (acoplamento neurovascular)
 Avalia como o cérebro funciona, em casos normais ou de doenças
 Avalia os potenciais riscos de cirurgias ou outros tratamentos invasivos
Imagem Funcional por Ressonância Magnética
 1890: Roy e Sherrington publicaram o artigo “On the regulation of blood
supply of the brain”. Eles sugeriram que a atividade neural é acompanhada
por um aumento regional em fluxo sanguíneo cerebral.
University of Cambridge
História
“ … the blood supply of the various parts of the brain can be varied 
locally in accordance with local requirements …” 
“… the increase in the volume of the brain which results from 
stimulation of the sensory nerves is mainly if not entirely due to 
passive or elastic distension of its vessels as a result of the blood-
pressure in the systemic arteries.”
• 1936: Linus Pauling e seu estudante de pós-graduação Charles Coryel –
Descoberta inicial das propriedades magnéticas do sangue. 
– Propriedades magnéticas da hemoglobin (Hb) dependem se ela está ou não
ligada à molécula de oxigênio
– Hemoglobina oxigenada (Hb)  diamagnética nenhum elétron
desemparelhado, momento magnético igual azero
– Hemoglobina desoxigenada (dHb)  paramagnética possui elétron
desemparelhado e momento magnético diferente de zero
História
 1990: Seiji Ogawa e colaboradores descobriram, em roedores, que o nível de
oxigenação do sangue pode servir como agente de contraste em IRM.
University of Tokyo
Stanford University
Neuroscience Research Institute – Republic of Korea
História
Oxigênio puro
Ar normal (21% O2)
Contraste BOLD
 Blood Oxygenation Level Dependent
Primeiras imagens funcionais
Kenneth Kwong et al. foram os primeiros a
utilizarem o efeito BOLD como contraste
endógeno em imagens funcionais do
cérebro humano.
Diferentes mediadoresNeurofisiologia Física - RM
Arthurs and Boniface, Trends in Neuroscience 2002
Paramagnetismo eletrônico
• O momento magnético do elétron é três ordens de magnitude superior ao núcleo.
• Elétrons desemparelhados nas camadas mais externas de átomos paramagnéticos
geram fortes centros de relaxação.
• Espécies paramagnéticas: lantanídeos, oxigênio molecular, radicais nitróxidos,
metais de transição ( Fe2+,3+, Cu2+, Mn2+,3+, Gd3+).
• Principio usado em agentes de contraste:
 Para redução predominante de T1 (agentes positivos pois aumentam o sinal),
normalmente o íon é ligado em uma molécula pra reduzir a toxicidade (Gd-
DTPA);
 Para redução predominante de T2 (agentes negativos pois diminuem o sinal),
normalmente o óxido de ferro é recoberto por um polímero para garantir a
absorção (SPIO, USPIO)
O sangue e o magnetismo
Hemoglobina:
Cadeias polipeptídicas + 
grupo hemo
 Oxihemoglobina (HbO2)
 Não tem elétrons desemparelhados
 Diamagnética (χoxi < 0)
 Deoxihemoglobina (Hb)
 Um par de elétrons desemparelhados
 Paramagnética (χdeoxi > 0)
O sangue e o magnetismo
Plasma (χplasma, T2plasma)
Hemácea
(χh, T2h)
𝐻𝑒𝑚𝑎𝑡ó𝑐𝑟𝑖𝑡𝑜 𝐻𝑐𝑡 =
𝑉ℎ𝑒𝑚á𝑐𝑒𝑎𝑠
𝑉𝑠𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒
Hct(normal) = 38-52%
𝜒𝑠𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒 = 1 − 𝐻𝑐𝑡 ∙ 𝜒𝑝𝑙𝑎𝑠𝑚𝑎 +𝐻𝑐𝑡 ∙ 𝜒ℎ
𝜒𝑠𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒 = 1 − 𝐻𝑐𝑡 ∙ 𝜒𝑝𝑙𝑎𝑠𝑚𝑎 +𝐻𝑐𝑡 ∙ 𝑌 ∙ 𝜒𝑜𝑥𝑖 + (1 − 𝑌) ∙ 𝜒𝑑𝑒𝑜𝑥𝑖
(Y: nível de oxigenação = concentração de oxihemoglobina) 
Mudança na oxigenação (ΔY): ∆𝜒𝑠𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒= 𝐻𝑐𝑡 ∙ ∆𝑌 𝜒𝑜𝑥𝑖 − 𝜒𝑑𝑒𝑜𝑥𝑖
𝐵𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 = 𝜇0𝐵0(1 + 𝜒) Mudança na oxigenação 
mudança no campo magnético local
O sangue e o magnetismo
Thulborn et al., 1982
Atividade Neuronal   Fluxo sanguíneo local (30-50%) 
 Consumo de oxigênio (até 30%)   Oxi-hemoglobina
 sinal de RM (2-5%)
 Fluxo sanguíneo normal
 [Hb]/[HbO2] normal
 Volume sanguíneo normal
  Fluxo sanguíneo
  [Hb]/[HbO2]
  Volume sanguíneo
  sinal de RM
Da sinapse à imagem
Deoxi-Hb
• paramagnética –
diminui o sinal
Oxi-Hb
• diamagnética – não 
altera o sinal
Resposta vascular e o sinal
 Ogawa e colaboradores: dois mecanismos para o contraste BOLD
 Atividade neuronal  ↑ demanda metabólica  ↑ consumo de O2 
↑ dHb (com fluxo sanguíneo constante)
 ↑ fluxo sanguíneo (com demanda metabólica constante)↑ dHb
 Contraste BOLD depende da quantidade de dHb presente na região
cerebral, que depende do equilíbrio entre consumo e fornecimento de
oxigênio
 ↑ Atividade neuronal  ↑ consumo de O2  ↑ dHb  ↓ sinal em
imagens ponderadas em T2*
 Depende da relação entre fluxo sanguíneo cerebral, nível de oxigenação do
sangue e metabolismo
Blood Oxygenation Level Dependent Contrast
Donahue et al., 2009
 Sinal BOLD: sensível ao nível de oxigenação, porém com uma dependência não
totalmente clara com fluxo sanguíneo (CBF) e volume sanguíneo (CBV) cerebrais.
O que medimos em BOLD-fMRI?
Mas a IRMf não é assim … É assim …
Aumento de sinal é pequeno (2-5%).
Sinal ruidoso.
Como fazer o experimento?
 Como a variação do sinal é 3-5%, dependendo da intensidade de campo e do
estímulo, há a necessidade de adquirir muitos dados para determinar uma
diferença estatística significativa.
 Entretanto, o tempo de máquina deve ser razoável para evitar desconforto e
movimentação do paciente.
 As imagens são adquiridas rapidamente.
 Ex.: para adquirirmos 100 imagens em cada condição (repouso e atividade),
cobrindo o cérebro todo (20 cortes), em 10 min, cada corte deve ser
adquirido em 150 ms.
 Imagens ponderadas em T2*; EPI.
Fixation
time
Thumb movement
Experimento de fMRI básico
Resposta Hemodinâmica
Aquisição de cada fatia ao longo do tempo
Imagens Funcionais
repouso atividade
Aquisição
Processamento
 Testa a significância do ajuste (GLM)
 Mapa Estatístico
ajuste
ajuste
repouso atividade
Processamento
Sujeitos
20 pacientes portadores de estenose carotídea e indicados a recanalização arterial
Estímulo auditivo
Voz masculina reproduzida de forma invertida (ininteligível); duração de 3 s
Mazzetto-Betti KC et al., JMRI 2012
Mapeamento auditivo
(a)
(b)
Sujeitos
20 voluntários saudáveis
Estímulo auditivo e visual
Geração de palavras
Leoni RF et al., Curr Trends in Neurol 2012
Estímulo Visual
Estímulo Auditivo
Mapeamento da linguagem
• Occipital Lateral
faces
lugares
objetos
Malach, 2002
• Fusiforme
• Parahipocampal
Áreas visuais específicas
Mapeamento funcional
 Homem de 49 anos, ataque isquêmico transitório, devido à oclusão da ACM
esquerda.
Murata et al., Stroke 2006
Aplicação – AVC isquêmico
 BOLD + estímulo visual
 CBF basal normal em
pacientes (ASL)
Dumas et al., Ann Neurol 2012
Aplicação – Angiopatia Amiloide Cerebral
Negative BOLD-FMRI response in patients with carotid 
artery steno-occlusive disease
Hemodynamic changes and impaired 
cerebrovascular reserve
Leoni et al., ESC 2014 (Nice)
 Avaliação da conectividade funcional
Aplicação – Redes de repouso (resting-state networks)
Departamento de Física – FFCLRP/USP
DF
HC
USP – campus Ribeirão Preto
Missão: Estudo estrutural e funcional do cérebro usando técnicas 
não invasivas para gerar conhecimento básico e metodologia a 
serem aplicados na prática clínica
Prof. Carlos Ernesto Garrido Salmon
 Acoplamento neuro-vascular-metabólico (TMS, EEG, fMRI, ASL, fMRS)
 Conectividade estrutural e funcional (TMS, DTI, fMRI)
 Técnicas quantitativas de IRM (relaxometria, transferência de 
magnetização, difusão, espectroscopia, fMRI) em diferentes patologias 
(epilepsia, doença de Alzheimer, esclerose múltipla, Parkinson, etc.)
Profa. Renata Leoni
ASL
Arterial Spin Labeling (marcação dos spins arteriais) 
Técnica de ressonância magnética não-invasiva para a quantificação de mapas
de fluxo sangüíneo cerebral
Utiliza pulsos de radiofreqüência para marcar magneticamente os spins da
água presente no sangue arterial (contraste endógeno)
Calamante et al., JCBFM 1999
Petersen et al., Br J Radiol 2006
Detre et al., Curr Opin Neurol 2009
M CBF 
Cerebral blood flow and vasoreactivity in 
healthy aging
Ícaro (mestrado)
Under normocapnia, mean CBF value across the entire gray matter
was significantly reduce for elderly (33± 9 mL/100g/min) compared
to young adults (42 ± 4 mL/100g/min, p = 0.05). Mean CBF maps
for (a) Elderly and (b) Young groups.
C
B
F
(m
L
/1
0
0
g
/m
in
)
(a) (b)
C
B
F
(m
L
/1
0
0
g
/m
in
)
Mean CVR maps for (a) Elderly and (b) Young groups. Reduced CVR in 
global gray matter and greater variability of CVR values in elderly.
2
0
C
V
R
(%
/m
m
H
g
)
(a)
C
V
R
(%
/m
m
H
g
)
2
0
(b)
Submetido ao Brazilian Journal of Medical 
and Biological Research
• Voxelwise analysis
• CBFhealthy subjects > CBFPatient
Region Related Function
Cingulate Gyrus Limbic system 
Middle Frontal Gyrus Working, memory, attention,control, planning
Superior Frontal Gyrus Premotor area (involuntary movements)
Cuneus Secondary visual areas
Putamen Motor
Superior Temporal Gyrus - Processing of auditory (sound) information
- Identifying auditory “objects” and 
identifying the location of a sound
Perfusão Cerebral - Esquizofrenia
Ícaro (mestrado)
 BOLD-fMRI conectividade funcional
 DTI conectividade estrutural
João (mestrado)
Doença de Alzheimer
 ASL Perfusão Cerebral
 BOLD-fMRI Conectividade Funcional
 DTI Conectividade Estrutural
Grupo controle Grupo pacientes (DA)
ASL e BOLD-fMRI no estado de repouso
BOLD
ASL
Default Mode Network (DMN) Visual Network
Luciana (mestrado)
ASL funcional
• Padrão ouro para fMRI sinal BOLD
• Por que ASL?
– Especificidade espacial maior à atividade neronal
– Valor quantitativo de CBF
– CBF & BOLD  CMRO2
• Objetivo: Desenvolvimento e implementação de sequências de 
ASL para estudos funcionais
• Aplicação: apnéia obstrutiva do sono
André (doutorado)
NEUROPLASTICIDADE
METODOLOGIA
PACIENTES – ESCLEROSE MÚLTIPLA
REHABILITAÇÃO
BOLD-fMRI e tarefas cognitivas
Pedro (mestrado)
TESTES 
NUROPSICOLÓGICOS
AMBIENTE RM
SDMT
FLUÊNCIA 
VERBAL
Scores
ADAPTAÇÃO
CORRELAÇÃO NEUROPLASTICIDADE
DTI
 Conectividade 
estrutural
BOLD-fMRI
 Mapas de ativação
 Conectividade 
funcional
 Conectividade 
efetiva
ASL-fMRI
 Mapas 
quantitativos de 
CBF
Estenose Carotídea Assintomática Ana Paula (doutorado)
Pedro (mestrado)
Auditory resting-state network for healthy elderly participants (above) and 
patients with asymptomatic unilateral carotid artery stenosis (below).
 Conectividade functional e perfusão cerebral x deficits
cognitivos
 Pós-doutorando
Dr. Carlo 
Conectividade (DTI, fMRI)
 Doutorandos
Felipe
Fisiologia do sinal 
BOLD (fMRI, ASL, 
fMRS)
Dr. Danilo 
ESI (EEG, fMRI)
Gustavo
Neurofeedback (fMRI
em tempo real)
Jeam
Quantificação de ferro 
(relaxometria, QSM)
 Mestrandos
Maíra Bruno
Conectividades estrutural e funcional 
no envelhecimento (DTI, fMRI)
• Neurovaschrp – Departamento de Neurociências e Ciências
do Comportamento (FMRP – USP)
– Prof. Dr. João Pereira Leite
– Prof. Dr. Octávio Marques Pontes Neto
• Divisão de Radiologia – Departamento de Medicina Interna
(FMRP – USP)
– Prof. Dr. Antonio Carlos do Santos
• CIERMag – IFSC (USP)
– Prof. Dr. Fernando Fernandes Paiva
Colaborações
OBRIGADA!!
PERGUNTAS
leonirf@usp.br
df.ffclrp.usp.br/inbrain