Multimodal magnetic resonance imaging at 3 T and challenges for application at ultra-high field

Multimodal neuroimaging opens up a unique window of opportunity for the investigation of function and structure of the brain. Each imaging method probes specific physiological processes or tissue structures with characteristic spatial and temporal resolutions, giving a filtered view on one or more brain processes of interest. The combination of different imaging modalities can overcome the limitations of the single techniques, as it allows to 1) extend the coverage of the spatiotemporal domain and 2) get a more comprehensive view of physical and physiological properties of the brain. The present PhD dissertation gives an overview of the advantages and possibilities provided by brain magnetic resonance imaging and its integration with complementary neuroimaging techniques, with special interest towards simultaneous EEG-fMRI. The primary objective is to develop technical instruments for pre-processing, analysis, coregistration and fusion of multimodal information, to be used at normal or high magnetic field strengths. Multimodal imaging at ultra-high field offers enormous opportunities that are currently unfulfilled: in this respect, the PhD thesis is aimed at preparing the ground for future complex unimodal and multimodal analysis at ultra-high field. The first section deals with the pre-processing of EEG-fMRI data and is dedicated to the removal of cardiac-related artefacts from EEG data recorded at 3T and 9.4T. The performances of different sophisticated correction methods are quantitatively compared, in terms of their capability to reduce the artefact and recover the underlying physiological information. In the second part of the thesis, the interest is shifted towards the processing phase. Methods for complex fMRI connectivity analysis are described: in particular, a novel whole-brain parcellation scheme that integrates MRI anatomical and functional information is presented. The delicate issue of anatomical segmentation in images acquired at 7T is then introduced, to set the stage for future connectivity analysis at ultra-high field. In the last section, a set of methods for the analysis and integration of EEG, fMRI and NIRS data is shown. A comprehensive overview of the information of clinical utility that can be extracted from the EEG and fMRI techniques is given. In particular, the response of a photosensitive patient to intermittent photic stimulation (IPS) is compared to healthy subjects’ one. The negative BOLD responses to IPS are finally investigated by means of the NIRS technique, able to give insight into the BOLD determinants.

L’integrazione di diverse tecniche di neuroimaging rappresenta un’opportunità unica di indagine dell’anatomia e funzionalità cerebrale. Ogni modalità indaga specifici processi fisiologici o strutture cerebrali con risoluzioni spaziale e temporale caratteristiche, fornendo una visione filtrata di uno o più processi cerebrali di interesse. La combinazione di diverse tecniche è volta a superare le limitazioni legate alle singole, in quanto permette di 1) estendere la copertura del dominio spaziotemporale e 2) fornire una visione più completa delle proprietà cerebrali. La presente tesi di dottorato illustra i vantaggi e le possibilità del neuroimaging a Risonanza Magnetica (MRI) a 3T e a campo ultra-alto (≥ 7T), nonché dell’integrazione dell’informazione MRI con segnali ottenuti tramite tecniche complementari, con interesse specifico verso EEG-fMRI. Obiettivo primario è lo sviluppo di metodi di pre-processing, analisi, coregistrazione e fusione di informazioni multimodali, da utilizzare a campo magnetico normale e ultra-alto. La prima sezione della tesi è incentrata sulla fase di pre-processing di dati EEG-fMRI. Specificamente, viene operato un confronto tra diverse tecniche di rimozione degli artefatti cardiaci da dati EEG acquisiti a 3T e 9.4T. Nella seconda sezione, l’interesse è spostato verso la fase di elaborazione. Nell’ambito di analisi di connettività funzionale fMRI, viene descritto uno schema di parcellizzazione funzionale che integra l’informazione anatomica e funzionale. In preparazione a future analisi di connettività, sono introdotte le problematiche legate alla segmentazione anatomica di immagini acquisite a 7T. L’ultima sezione della tesi è dedicata all’analisi e l’integrazione di segnali fMRI, EEG e NIRS a 3T con applicazioni cliniche. I metodi di analisi vengono applicati allo studio degli effetti della stimolazione luminosa intermittente in soggetti sani e in una paziente fotosensibile, oltre all’approfondimento dei pattern di connettività responsabili delle anomalie epilettiche.