Progetto ed ottimizzazione di una macchina pneumatica per risonanza magnetica funzionale

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II Capitolo 
Risonanza magnetica funzionale: stato dell’arte 
La risonanza magnetica riveste, nei fini della presente tesi, il compito di ri-attivazione 
cerebrale attraverso l‟ausilio di macchine.  
In letteratura non si sono trovati articoli approfonditi a riguardo: in questo capitolo verrà  
esposto un quadro completo – per quanto possibile – dei dispositivi meccanizzati esistenti 
utilizzati nello studio delle attivazioni cerebrali.  
Nel primo paragrafo si descrive il funzionamento della risonanza magnetica, come questa 
interagisce con il corpo umano e come venga utilizzata nella ricerca medica. In particolare si  
descrivono le caratteristiche richieste al dispositivo evidenziandone particolarità, pregi e 
difetti. 
Saranno in seguito descritte le diverse tecniche esistenti di analisi dell‟attivazione cerebrale 
utilizzate su individui che hanno perso le funzionalità motrici in seguito a traumi cerebrali: 
tutte le metodologie sono efficaci grazie alle caratteristiche di adattabilità del sistema nervoso 
centrale. 
Si presentano poi i principali dispositivi esistenti, sia sul mercato che in fase di ricerca: le 
descrizioni hanno il solo obiettivo di spiegare il funzionamento di ogni sistema (per dettagli 
ulteriori si rimanda alla bibliografia). Per i dispositivi di cui si è trovata documentazione 
sufficiente è stato dedicato uno spazio al controllo e alla regolazione: la sicurezza e il 
controllo sono fattori importanti su qualsiasi apparecchiatura, ma in modo particolare su 
macchine che lavorano a contatto diretto con gli arti di persone che hanno subito traumi 
cranici (o, più in generale, lesioni al sistema nervoso centrale) ed inoltre, sicurezza e 
controllo,  rivestono importanza notevole nell‟ambito degli studi di ingegneria meccanica.
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II.1 La risonanza magnetica nucleare funzionale (fMRI) 
La risonanza magnetica funzionale (fMRI) ha permesso di guardare per la prima volta 
all‟interno del cervello umano “in vivo”, o per tradurre letteralmente “guardarlo mentre 
lavora”. 
Questo ha rilevato le importanti capacità e funzioni del nostro cervello, ad esempio su come 
vediamo, sentiamo, ci muoviamo e organizziamo i ricordi. 
I cambiamenti dell'attività cellulare del cervello sono associati ai cambiamenti delle richieste 
energetiche: quanto maggiore è l'attività funzionale di un tessuto cerebrale, tanto maggiore 
sarà il suo metabolismo e, conseguentemente, le richieste energetiche  aumenteranno. 
Il cervello viene quindi ad essere interpretato come una macchina con il suo consumo, il suo 
effetto utile, il suo rendimento . 
 Negli ultimi 20 anni, si è assistito allo sviluppo di tecniche molto sofisticate che, sfruttando le 
variazioni emodinamiche prodotte dall'attività neuronale, sono in grado di identificare le aree 
attivate del cervello umano. Queste tecniche sono la risonanza magnetica funzionale (o fMRI) 
e la tomografia ad emissione di positroni (PET). 
La risonanza magnetica nucleare (MRI) è una  tecnica entrata in uso negli anni „70 allo scopo 
di ottenere immagini dettagliate dell‟anatomia cerebrale sfruttando le proprietà nucleari di 
certi atomi in presenza di campi magnetici. Attraverso tecniche di rilevamento ultrarapido dei 
dati, è divenuta possibile l‟acquisizione di immagini in tempi talmente ridotti (dell‟ordine del 
centesimo di secondo) da permettere di seguire nel loro svolgimento alcuni fenomeni 
metabolici: si parla in questo caso di MRI funzionale (fMRI). Applicato alla fisiologia del 
cervello, l‟fMRI ha permesso di visualizzare su una scala temporale estremamente fine le 
variazioni dell‟ossigenazione delle regioni corticali, variazioni che si considera siano in stretta 
relazione con il grado di attività delle regioni stesse. Si sono sfruttate a questo scopo le 
proprietà magnetiche di cui gode l‟emoglobina, che differiscono leggermente a seconda che 
questa sia legata o meno all‟ossigeno.  
La tecnica è sicura e si sta evolvendo verso lo studio di alcune patologie del nostro cervello. 
Capire il potenziale e le capacità adattive del nostro cervello permette ai medici un approccio 
razionale per potenziare le strategie riabilitative. 
In questi paragrafi rivedremo brevemente le applicazioni di questa tecnica per capire meglio il 
funzionamento del cervello umano in pazienti sani e in altri con disturbi neurologici.
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II.2 La risonanza magnetica e l’uomo 
Senza che ce ne rendiamo conto, il nostro cervello è composto da miliardi di piccoli magneti. 
Ogni atomo di idrogeno presente in ogni molecola d‟acqua nel nostro cervello è un piccolo 
dipolo magnetico; la dimensione di un cucchiaino da caffè ne contiene circa 100 · 10
21
 . 
Quando questi piccoli magneti presenti nel tessuto cerebrale sono posti in un potente campo 
magnetico, questi si allineano. 
Se un piccolo impulso a radiofrequenza (RF) perturba l‟equilibrio di questi magneti, essi 
perdono il loro allineamento e ritornano alla posizione originale liberando una piccola 
quantità di energia che può essere definita e ampliata grazie ad una antenna ricevente disposta 
attorno alla nostra testa. 
Il segnale percepito ci permette di distinguere le molecole d‟acqua e la loro quantità in ogni 
parte della testa. Infatti, come altri tessuti del nostro corpo, il nostro cervello è costituito dal 
70 % di acqua. Parti differenti del nostro cervello hanno diverse quantità d‟acqua; le cellule 
nervose sono ricche d‟acqua, mentre lo spesso ricoprimento delle fibra ne contiene meno. 
Questo genera contrasti fra la superficie della corteccia cerebrale e gli strati sottostanti della 
materia bianca; queste differenze permettono alla risonanza magnetica funzionale di 
determinare i dettagli delle varie strutture cerebrali. 
In figura 2.1 è presente un esempio di come la differente distribuzione di acqua nel nostro 
cervello determini differenti zone e differenti segnali fra la corteccia e la materia bianca. 
Attraverso la “finestra” della fMRI è possibile definire con una risoluzione inferiore a 0.5 mm 
la strutture interna del nostro cervello. 
E‟ da ricordare comunque che la tecnica MRI ha aumentato la conoscenza della struttura del 
cervello umano, ma non spiega come questo funzioni; tramite lo sviluppo dell‟imaging 
funzionale è possibile guardare dentro il cervello del paziente “in tempo reale” ad apprezzare i 
meccanismi neuronali che stanno dietro il suo funzionamento, piuttosto che osservare le 
conseguenze dei loro effetti.
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Fig. 2.1: Esempio di  neuroimmagine 
   
 
II.3 Il meccanismo fisico alla base del segnale MRI 
Definiamo ora brevemente la relazione fisica che sta alla base della tecnica della risonanza 
magnetica. 
Il segnale MRI nel normale uso clinico, deriva quasi interamente dai protoni dell‟acqua 
contenuta nei tessuti. L‟intensità dell‟immagine dipende, in primo luogo, dalla densità dei 
protoni ma può essere profondamente influenzata dall‟ambiente locale delle molecole 
d‟acqua. 
 
 
Fig. 2.2: Protoni in assenza di campo magnetico esterno
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I nuclei atomici sono masse cariche positivamente composte da protoni e neutroni ed alcuni di 
essi sono dotati di un movimento rotazionale attorno al proprio asse, regolato dal numero 
quantico di spin. Questo movimento delle cariche produce un campo magnetico, tale da poter 
assimilare questi nuclei a microscopici magneti con polarità nord-sud e orientati in tutte le 
direzioni. Nel corpo umano sono molti gli elementi che si prestano a questa visione, ma la 
scelta dell‟idrogeno è dovuta principalmente alla sua abbondanza sia sotto forma di acqua che 
legato chimicamente a formare zuccheri, grassi, proteine. 
All‟interno dei tessuti biologici i nuclei di idrogeno sono orientati casualmente ma quando 
vengono sottoposti a un campo magnetico statico di elevata intensità, costante nel tempo ed 
omogeneo nello spazio, si vanno ad orientare secondo tale campo nella direzione parallela o 
antiparallela a seconda della minore o maggiore energia dei nuclei.  
Dopo l‟eccitazione con un impulso a RF (vedi figure), che modifica l‟allineamento dei 
momenti magnetici dei protoni allontanandoli dalla direzione parallela al campo magnetico 
principale statico, i protoni recuperano quindi il loro allineamento originale assai lentamente, 
in un range temporale che va da alcuni decimi di secondo fino ad alcuni secondi. 
 
 
Fig. 2.3: Protoni allineati in modo parallelo o opposto rispetto a un campo magnetico esterno 
 
Il fornire questa energia alla stessa frequenza è il fenomeno che dà il nome (risonanza) al 
metodo; ad esempio si tratta dello stesso principio, per cui fornendo la spinta al momento 
giusto, si può aumentare l‟ampiezza delle oscillazioni di un‟altalena. 
Dopo l‟impulso, man mano che gli spin dei protoni tenderanno a tornare al loro stato iniziale 
di allineamento lungo il campo (fenomeno di rilassamento); tramite una bobina ricevente 
viene misurato l‟andamento della magnetizzazione nel piano perpendicolare al campo 
magnetico principale.
21 
 
Durante questo tempo la magnetizzazione che è stata creata in direzione trasversale al campo 
magnetico statico induce un segnale in tensione nell‟antenna che circonda il corpo oggetto di 
indagine. Se i protoni dell‟acqua vengono nuovamente eccitati prima del totale recupero, si 
ottiene un segnale di minor intensità. 
Variazioni nell‟attività cerebrale di un soggetto che creano uno sbilanciamento tra la 
sottrazione di ossigeno ed il flusso sanguigno producono un cambiamento nel segnale MRI 
attorno ai vasi che irrorano la corteccia, questo fenomeno può essere osservato nel caso in cui 
vengano usate sequenze di immagini MR sensibili alle disomogeneità del campo magnetico.   
Nell‟emoglobina deossigenata, dHb, il ferro dell‟eme è in uno stato ferroso (Fe
2+
) a spin-alto, 
prodotto dal fatto che quattro dei suoi sei elettroni esterni sono spaiati. Gli spin degli elettroni 
spaiati hanno un momento magnetico molto grande e le proprietà paramagnetiche a questo 
associate ne producono un comportamento simile a quello dei mezzi di contrasto esterni. 
Nell‟emoglobina ossigenata (Hb), uno degli elettroni viene trasferito alla molecola di 
ossigeno, ed il ferro dell‟eme cambia il suo stato in spin-basso, perciò non presenta più 
momento magnetico e, quindi, proprietà paramagnetiche. 
II.4 L’hardware in MRI 
I principali componenti di un apparecchiatura a risonanza magnetica sono: 
 il magnete; 
 il sistema shimming; 
 le bobine a radiofrequenza; 
 i gradienti di campo; 
 il computer; 
Il magnete è la componente principale di un tomografo RM: deve generare un campo 
magnetico di intensità opportuna, con grande omogeneità e stabilità nel tempo. Una bassa 
omogeneità di campo darà origine a immagini di scarsa qualità poiché i protoni del 
campione in esame, non trovandosi alla stessa intensità di campo magnetico, non 
risentiranno tutti dell‟impulso RF e non precederanno alla stessa frequenza di risonanza. 
Esistono in commercio tomografi che utilizzano diversi tipi di magnete e che possiedono, 
quindi, caratteristiche tecniche differenti, ma anche costi di acquisto e di gestione diversi. 
I più usati sono: 
 magnete permanente: formato da blocchi di materiale ad alta memoria magnetica 
che, una volta magnetizzati, mantengono “indefinitamente” il campo magnetico dopo
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aver subito un trattamento, tramite correnti elettriche di intensità molto elevata, che 
orienta i dipoli del materiale stesso. Sono vantaggiosi in quanto poco costosi 
soprattutto per la gestione; in compenso generano campi di bassa intensità (0,3 T) e 
omogeneità e tendono a deteriorarsi nel tempo. Sono impiegati per apparecchiature a 
bassa intensità di campo; 
 magnete resistivo: paragonabile a una elettrocalamita, formata da spire di materiale 
conduttore nel quale circola costantemente corrente ad alta intensità (figura 2.10). 
Sono apparecchi di costo contenuto nonostante il consumo di energia elettrica. Per 
contro i campi che si generano non superano i 0,5 T e sono disomogenei; sono poco 
usati anche perché producono calore; 
 
 
 
Fig. 2.4 Magnete resistivo 
 
 magnete superconduttivo: costruito con materiali che, alla temperatura prossima allo 
zero assoluto, si lasciano attraversare dalla corrente elettrica opponendo praticamente 
resistenza nulla e creando così un campo magnetico statico di elevata intensità. 
Questa caratteristica permette di ottenere correnti molto elevate nelle bobine con 
differenze di potenziale ridotte: è però necessario immergere il conduttore in elio 
liquido per mantenerlo alla temperatura occorrente. Questo fa lievitare i costi di 
gestione, in quanto il liquido deve essere inserito in un circolo di refrigerazione e 
reintegrazione continua. Per contro, i magneti superconduttivi consentono di 
raggiungere campi di intensità elevata (1,5 -2 T). La maggior parte dei tomografi RM 
è realizzata con magneti di questo tipo;
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 magnete ibrido: costruito unendo le tecnologie relative ai magneti permanenti e ai 
magneti resistivi; 
  
I magneti shimming sono bobine di compensazione utilizzate per aumentare l‟omogeneità del 
campo magnetico, possono essere sistemi passivi o attivi: i primi sono realizzati in fase di 
costruzione del magnete e correggono le disomogeneità dovute al magnete stesso, i secondi 
utilizzano bobine inserite internamente all‟apparecchio oppure gli stessi gradienti di campo al 
fine di correggere le disomogeneità nel volume centrale del magnete. 
Le bobine a radiofrequenza si possono considerare come delle vere e proprie antenne che 
servono ad emettere i segnali RF necessari a perturbare l‟allineamento protonico al campo 
magnetico statico (bobine di trasmissione) e a ricevere i deboli segnali emessi dai tessuti 
durante la fase di rilassamento (bobine di ricezione). 
Nei moderni sistemi RM esiste una bobina di trasmissione, fissata nella parte interna del 
magnete, che trasmette i segnali generati da un generatore di forme d‟onda (wave form 
generator)  e amplificati dall‟amplificatore di potenza.  
Le bobine di ricezione si dividono in bobine di volume e in bobine di superficie. Le prime 
hanno di solito la forma di un cilindro cavo, al cui interno si posiziona la struttura da 
esaminare; vengono dette anche bobine a “sella” e si hanno di differenti misure a seconda 
della parte anatomica da studiare. Ultimamente tali bobine sono state sostituite da quelle a 
“gabbia di uccello” (birdcage)  (figura 2.5) composte da una serie di sbarre dette rod, ciascuna 
delle quali riceve il segnale, migliorando notevolmente la qualità dell‟esame. 
 
 
 
Fig. 2.5 Modello di birdcage per la testa
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Le bobine di superficie, come lo stesso nome indica, sono in grado di ricevere il segnale dalle 
strutture superficiali contigue, con una caduta del segnale RM ad andamento quadratico, con 
l‟aumentare della distanza tra campione in esame e la bobina. 
I gradienti di campo sono bobine che generano campi magnetici variabili nello spazio e nel 
tempo che si sommano al  segnale a radiofrequenza. 
Vengono posizionati lungo le tre direzioni dello spazio X, Y, Z attorno al magnete e possono 
essere di selezione, di preparazione o di lettura, permettendo l‟identificazione spaziale di ogni 
unità di volume di tessuto (voxel) in esame e la ricostruzione dell‟immagine. 
 
 
Fig. 2.6 Componenti del tomografo RM. Si distinguono il magnete (a), il sistema dei gradienti 
(b) e il sistema RF (c)  
 
Infine il computer, nel tomografo, rappresenta il cervello del sistema e controlla, tramite 
opportune interfacce, tutte le operazioni eseguite, dalla sintonia delle bobine, alla 
digitalizzazione dei segnali analogici ricevuti, alla ricostruzione e alla visualizzazione 
dell‟immagine, a tutte le operazioni di processo, come il calcolo di distanze, superfici, 
intensità di segnale. Proprio per questo deve possedere una elevata capacità di calcolo oltre a 
una grande memoria e un‟alta velocità di acquisizione dei dati.
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II.5 L’utilizzo della fMRI nello studio del cervello  
La risonanza magnetica funzionale è utilizzata su soggetti sani per conoscere nuove e 
complesse capacità del nostro cervello ma anche per capire come persone con disabilità 
neurologiche, causate da varie patologie quali ictus, traumi cranici o ischemie, possano 
migliorare le proprie condizioni di vita e ciò è più pertinente in questa tesi. 
La rilevanza clinica della fMRI è stata sostenuta anche da recenti esperimenti applicati a 
specifiche strategie di riabilitazione associate al recupero di funzioni perse di tipo cognitivo o 
mobile. I metodi di  sensori motori ci consentono anche in questo caso di aprire nuove 
prospettive di indagine, poiché grazie a esse possiamo indagare su come il cervello si 
riorganizza dopo una lesione. Spesso infatti i pazienti migliorano sensibilmente, e ciò avviene 
sia in modo spontaneo che grazie alla riabilitazione. 
Con la risonanza magnetica funzionale è possibile osservare come la localizzazione 
dell‟attivazione cerebrale in un paziente che ha recuperato alcune delle sue capacità sia 
differente rispetto a quella osservabile in un soggetto normale. Queste modificazioni, spesso 
associate a un miglioramento clinico, sono espressione della capacità del cervello ad adattarsi, 
ovvero della plasticità cerebrale. 
La non invasività e la ripetibilità della tecnica fMRI hanno permesso di monitorare l‟abilità 
del cervello ad adattarsi con il tempo e di esaminare “in vivo” la rappresentazione delle 
mappe sensori-motorie contenute nel cervello e come queste si possono modificare grazie 
all‟esercizio. E‟ possibile quindi dimostrare l‟attivazione di diverse componenti della mappa 
motoria per movimenti selezionati della mano, del braccio o della gamba. Con la risonanza 
magnetica funzionale si è visto che è possibile modificare queste mappe addirittura con un 
semplice esercizio motorio di pochi minuti. Apprendere una sequenza motoria delle dita 
sempre più complessa ed eseguirla in modo rapido e preciso determina un allargamento della 
mappa funzionale della mano; ad esempio è riportata la relazione fra la dimensione della 
regione che controlla i movimenti delle mani di un musicista e il numero di anni di pratica 
nello studio dello strumento musicale. L‟estensione della corteccia motoria della mano nel 
cervello di suonatori di strumenti a corda è maggiore rispetto a quella osservata in soggetti 
normali. La variazione nella struttura di questa regione dipende dall‟esperienza piuttosto che 
dalle differenze individuali. 
Questi tipi di esperimenti suggeriscono che l‟attività cerebrale può essere regolata 
dall‟apprendimento e dall‟esperienza.
26 
 
II.6 La riorganizzazione plastica nel recupero di pazienti con lesioni  
Per  neuroplasticità s‟intende la capacità del sistema nervoso di andare incontro a 
modificazioni strutturali e funzionali in risposta ad eventi fisiologici, durante lo sviluppo del 
cervello, in risposta a stimoli ambientali, ad esempio l‟apprendimento, e ad eventi patologici; 
nei pazienti con lesioni del sistema nervoso i fenomeni di  neuroplasticità rappresentano uno 
dei meccanismi alla base del recupero spontaneo, ma, sottoposti ad adeguati stimoli 
ambientali, tali fenomeni di  neuroplasticità possono essere particolarmente stimolati, con 
ulteriori possibili vantaggi. 
Bisogna mirare a capire quali di questi possono fornire suggerimenti su come avviene una 
riorganizzazione funzionale dopo un danno cerebrale e in che modo possiamo “evocarla, 
migliorarla e guidarla”. 
Il cervello umano è quindi fisiologicamente sensibile all‟esperienza , ma soprattutto questa 
plasticità si mantiene nei casi di lesione. L‟apprendimento di nuove abilità motorie con un 
sistema nervoso centrale intatto e il recupero di abilità precedentemente apprese che sono 
state perdute dopo un danno cerebrale sembrano essere simili nei vari aspetti. 
Il cervello ha dunque la possibilità di compensare le lesioni cerebrali con meccanismi 
specifici e la  neuroplasticità è il collegamento tra recupero e premesse fisiologiche. 
Tale fenomeno poggia fondamentalmente su due processi: la riorganizzazione funzionale dei 
circuiti neuronali e il riarrangiamento strutturale dei circuiti stessi. Nel caso della 
riorganizzazione funzionale il recupero è da attribuire a strutture integre che assolvono a 
nuove funzioni normalmente non di loro pertinenza senza che per questo esse siano costrette 
ad abbandonare le funzioni che fino a quel momento avevano normalmente svolto. Il 
riarrangiamento strutturale consiste, invece, in quei processi di ricostituzione anatomica dei 
circuiti stessi nei punti in cui essi erano stati interrotti dalla causa lesiva. Tali meccanismi si 
identificano in una serie di processi essenzialmente a carico delle cellule nervose integre 
situate in aree topograficamente adiacenti all‟area cerebrale lesa. 
Le varie ipotesi teoriche avanzate a sostegno del recupero funzionale del sistema nervoso 
centrale possono essere schematicamente raccolte in due gruppi che identificano due tipi 
generali di recupero. Il primo tipo è definito dal termine recupero compensatorio o adattivo, 
secondo il quale la funzione non è sostituita, ma solo compensata. I cambiamenti 
comportamentali dopo un danno cerebrale, quindi, includono non solo le difficoltà ridotte dal 
danno, ma anche i cambiamenti nel comportamento che un individuo sviluppa allo scopo di 
compensare tali difficoltà. Le varie tecniche terapeutiche utilizzate mirano ad addestrare e a
27 
 
far acquisire una serie di abilità e di competenze, in grado di compensare le menomazioni 
motorie dell‟emicorpo leso. 
Il secondo tipo di recupero, comunemente definito come intrinseco, da molti ritenuto il vero 
recupero, è caratterizzato dalla possibilità di riottenere un controllo nervoso sugli arti 
paralizzati e di permettere il ripristino di una motricità funzionalmente utile. Secondo alcuni 
studiosi non esiste mai la restaurazione della funzione, ma modificazioni di adattamento tali 
che la funzione non venga più eseguita secondo la stessa strategia, utilizzando gli stessi 
identici circuiti neuronali, ma attraverso strutture diverse, alternative, al fine di assicurare 
prioritariamente le funzioni più importanti dell‟organismo. 
Per realizzarsi, entrambi i tipi di recupero indicati necessitano di modificazioni all‟interno del 
sistema nervoso centrale e dell‟attivazione dei processi di apprendimento. 
Uno studio condotto su alcuni pazienti colpiti da un tumore cerebrale nelle aree di controllo 
del movimento della mano ha evidenziato che, nonostante il danno, tutti avevano ottenuto un 
discreto recupero. I ricercatori evidenziarono che quando i pazienti muovevano le dita si 
attivavano aree dei centri motori che normalmente davano istruzioni a parti del corpo 
completamente diverse. Addirittura in alcuni di questi soggetti aree cerebrali totalmente al di 
fuori di quelle motorie si attivavano e sembravano presiedere ai movimenti delle dita. È 
questo il caso di una riorganizzazione su larga scala del sistema di connessioni neuronali. 
L‟agire riabilitativo può influire positivamente su un già presente recupero fisiologico per 
sostituire le aree lese con strutture nuove e/o per creare un nuovo assetto con un 
rimodellamento delle strutture preesistenti. Il compito della riabilitazione neurologica, 
dunque, è quello di aiutare il sistema nervoso leso a riorganizzarsi anche se a volte la 
riabilitazione spontanea non è sufficiente e, abbandonata a se stessa, potrebbe anche 
allontanare il paziente dalla abilità, anziché avvicinarlo. 
È necessario, quindi, superare definitivamente il dualismo corpo-mente e considerare 
nell‟esercizio terapeutico l‟impiego delle cosiddette funzioni corticali superiori quali 
l‟attenzione, la memoria, l‟intenzionalità e la percezione.
28 
 
II.7 Le basi dell’apprendimento motorio 
L‟uomo attraverso il movimento adatta l‟ambiente in cui vive e contemporaneamente si adatta 
ad esso. Ma se è vero che un movimento armonico presuppone una corretta percezione, è 
altrettanto vero che una percezione adeguata può essere realizzata solo attraverso l‟esecuzione 
di un perfetto orientamento dei meccanismi percettivi. 
L‟atto motorio è pregiudizialmente selezionato in relazione alle caratteristiche dell‟oggetto ed 
alle informazioni percettive che si vogliono raccogliere (la mano che viene toccata e punta, ad 
esempio da un ago, è diversa dalla mano che tocca per esplorare e riconoscere caratteristiche 
tipiche di un oggetto). 
Un‟adeguata raccolta di conoscenze presuppone pertanto l‟esecuzione di un corretto 
movimento, laddove percezione e movimento sono caratteristiche dello stesso processo. 
E‟ fondamentale che gli schemi del movimento siano immagazzinati su determinati circuiti 
cerebrali che comandano il sistema motorio al fine di attuare appropriate posizioni spaziali in 
una determinata sequenza temporale: l‟area premotoria frontale e le zone posteriori appaiono 
impegnate nell‟ideazione e progettazione del gesto, mentre quelle anteriori nella sua 
esecuzione. E‟ inoltre necessaria una continuità tra le vie che collegano le aree sensitivo-
sensoriali, dove viene formulato il progetto cinetico, e quelle motorie, dove l‟atto viene 
realizzato. 
Le nostre possibilità motorie sono saldate a due tipi di motilità, volontaria e/o 
semiautomatica. Pertanto alcune prassie sequenze motorie ancora “volontarie” negli atti 
iniziali, diventano poi prassie specializzate semiautomatiche o automatiche quando la 
ripetitività del gesto (per un ordine di grandezza di oltre 300.000 ripetizioni) ne migliora 
l‟apprendimento nel tempo. 
Il progetto di movimento viene inizialmente elaborato a livello delle regioni della corteccia 
dell‟emisfero dominante, da qui, attraverso vari circuiti associativi, viene trasmesso alle zone 
motorie più anteriori della corteccia donde va proiettato quale prassia cinetica. Il 
monitoraggio dell‟attività cinetica, quando appreso ed automatizzato quale prassia 
specializzata, spetta invece all‟emisfero minore che ha, tra gli altri, il compito di seguire con 
una attenzione diffusa la corretta esecuzione spaziale e temporale degli atti motori.  
Infine, i processi che portano ad un movimento compiuto possono quindi essere sintetizzati in 
tre momenti: 
 identificazione dell‟obbiettivo e finalità; 
 svolgimento del programma cinetico;
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 pianificazione e produzione del movimento; 
 
II.8 Dispositivi utilizzati in fMRI per lo studio delle attivazioni cerebrali 
La risonanza magnetica funzionale è una tecnica talmente recente che solo negli ultimi anni si 
sono sviluppati dispositivi a livello prototipale per lo studio delle attivazioni cerebrali. In 
questi paragrafi sono stati raccolte e analizzate alcune di queste apparecchiature, progettate 
con la speranza di riuscire in futuro a ripristinare le funzionalità neurologiche perdute su 
pazienti che hanno subito danni cerebrali.  
II.8.1 Sensore di forza MRI compatibile per i movimenti del polso  
La capacità di controllare e di misurare la forza esercitata dagli individui durante le analisi di 
risonanza magnetica funzionale fornirebbe ai ricercatori e ai medici un maggiore controllo e 
standardizzazione dell‟operazione e potrebbe migliorare la ripetibilità e l‟accuratezza negli 
studi di  neuroplastici. 
Durante l‟analisi fMRI e la formazione dell‟immagine, non esistono mansioni standardizzate, 
ampiamente accettate, da fare eseguire al paziente. Il monitoraggio della forza, tuttavia, può 
essere generalizzato secondo una percentuale di sforzo massimo. Ciò è estremamente 
importante in un confronto di plasticità neuronale fra vari soggetti per una migliore 
valutazione delle modalità terapeutiche. 
Sfortunatamente oggigiorno non esistono sistemi di misurazione della forza disponibili in 
commercio che possono misurare unicamente le forze applicate dalla mano dell‟individuo e i 
relativi momenti generati dal polso; avere quindi un dispositivo che possa controllare tutte 
queste variabili in tempo reale e visualizzarle lungo assi particolari potrebbe essere usato 
durante gli esami di “target matching” (letteralmente “corrispondenza dell‟obbiettivo”).  
E‟ stato sviluppato dalla JR3 di Woodland un modulo MRI compatibile adatto a misurare 
forze e momenti generati dal polso mentre simultaneamente viene effettuata l‟esplorazione del 
cervello mediante tecnica fMRI. Una cella di carico, in materiale amagnetico, a sei assi 
misura la forza esercitata su apposite maniglie di plastica.
30 
 
 
Fig. 2.7  Modulo MRI compatibile per il polso 
 
La cella di carico e la maniglia sono montate su un cuneo di plastica in maniera tale che, con 
paziente in posizione supina, il gomito sia flesso a 30°. Piccole scanalature su un foglio di 
polietilene permettono l‟ancoraggio del sistema. Quattro respingenti imbottiti e registrabili 
stabilizzano e bloccano l‟avambraccio anteriore contro la maniglia. 
Alle analisi di prova hanno partecipato individui adulti, collocati insieme al dispositivo in 
camera di risonanza magnetica.  
I segnali della cella di carico e l‟alimentazione del sensore sono stati trasferiti dalla stanza del 
dispositivo alla sala di controllo attraverso un pannello isolante. I segnali, letti da un 
calcolatore tramite un modulo elettronico, sono filtrati a 60 Hz prima di essere campionati a 
500 Hz.  
Una rappresentazione di come il paziente sia fissato al dispositivo e visibile in figura 2.8