Il laboratorio si occupa dello sviluppo, della caratterizzazione e dell’applicazione di tecniche fotoniche innovative per l’analisi funzionale del cervello e del muscolo. La spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (functional near infrared spectroscopy, fNIRS) è una tecnica non invasiva che utilizza luce diffusa per indagare le funzioni cerebrali e msucolari nell’uomo. Il contenuto informativo di questa tecnica nasce dalle variazioni che avvengono nei parametri ottici delle aree di un organo in cui vi siano variazioni del metabolismo ossidativo dell’ossigeno. La tecnica fNIRS utilizza radiazione ottica nell’intervallo 600-1000 nm in cui l’attenuazione dovuta ai costituenti del tessuto (quali acqua, lipidi, emoglobina ossigenata e deossigenata) è relativamente bassa e tale da permettere di sondare i tessuti in profondità per alcuni centimetri. La tecnica fNIRS permette il monitoraggio delle variazioni delle concentrazioni locali di HHb e O2Hb indotte dall attività cerebrale e muscolare, senza le problematiche intrinseche all’uso, ad esempio, delle tradizionali tecniche di Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI). Infatti, sebbene sia non invasiva, la tecnica fMRI presenta alcuni svantaggi, legati a: costo elevato, scarsa maneggevolezza, sensibilità a artefatti dovuti al movimento, spazio ridotto in cui è confinato il paziente durante l’esperimento ecc. La tecnica fNIRS può quindi rivelarsi un interessante alternativa in quanto può essere utilizzata in un ambiente naturale, presso il letto del paziente, su soggetti non collaborativi (es. bambini) e per lo studio di compiti che richiedono, ad esempio, un’attività motoria e/o cognitiva esplicita. In particolare il laboratorio impiega la tecnica NIRS risolta nel tempo (time resolved, TR). I vantaggi chiave della spettroscopia NIRS-TR sono: la naturale discriminazione tra i coefficienti di assorbimento e scattering, l’aumento della profondità di penetrazione e della risoluzione spaziale rispetto alle altre tecniche ottiche, la possibilità di valutare quantitativamente il contributo del tessuto cerebrale sfruttando l’informazione intrinsecamente codificata nel tempo di volo dei fotoni misurati.

Attrezzature

Il laboratorio è dotato di due prototipi per la misura e il monitoraggio della funzionalità cerebrale e muscolare più una workstation per lo studio di nuove soluzioni strumentali. Il primo prototipo, già impiegato come dispositivo medico per sperimentazioni cliniche con l’autorizzazione del Ministero della Salute Italiano, rappresenta la prima generazione di strumentazione fNIRS nel dominio del tempo del laboratorio, basata su laser a semiconduttore come sorgenti e fotomoltiplicatori multi-anodo come rivelatori. Questo strumento opera a due lunghezze d’onda (intorno a 690nm e 820nm), possiede 16 canali indipendenti di iniezione della luce sul campione e 16 canali indipendenti di ricezione del segnale, permettendo quindi la realizzazione di una mappa, in tempo reale, dell’attività muscolare e cerebrale su di un’area estesa. Il secondo prototipo rappresenta la seconda generazione di strumentazione fNIRS nel dominio del tempo del laboratorio, basata su laser a semiconduttore come sorgenti e rivelatori ibridi (fotocatodo più sensore a stato solido). Questo strumento opera a due lunghezze d’onda (intorno a 690nm e 820nm), possiede 16 canali indipendenti di iniezione e 8 canali indipendenti di ricezione. Le ridotte capacità di imaging sono compensate da un migliore rapporto segnale rumore, una migliore reiezione dei disturbi, una migliore dinamica ed una migliore risoluzione temporale. La workstation con 2 canali di iniezione e 2 di rivelazione rappresenta una piattaforma aperta e adattabile all’uso di diverse tecnologie sia per quanto riguarda la parte di rivelazione sia per quella sorgente.