Risonanza magnetica funzionale. Nikolai Avdievich - sui nuovi dispositivi MRI e le loro capacità Risonanza magnetica funzionale del cervello

TECNOLOGIE

E.I. Kremneva, RN Konovalov, MV Krotenkova

Centro Scientifico di Neurologia dell'Accademia Russa di Scienze Mediche (Mosca)

Dagli anni '90. Nel 20° secolo, la risonanza magnetica funzionale (fMRI) è uno dei metodi principali per mappare le aree funzionali del cervello grazie alla sua non invasività, all'assenza di esposizione alle radiazioni e all'uso relativamente diffuso. L'essenza di questa tecnica è misurare i cambiamenti emodinamici in risposta all'attività neuronale (effetto BOLD). Per il successo di un esperimento fMRI, è necessario: la disponibilità di un supporto tecnico appropriato (tomografia MRI ad alto campo, attrezzature speciali per l'esecuzione di compiti), lo sviluppo di un progetto di studio ottimale e la post-elaborazione dei dati ottenuti . Attualmente, la tecnica è utilizzata non solo per scopi scientifici, ma anche nella medicina pratica. Tuttavia, è necessario tenere sempre presenti alcune limitazioni e controindicazioni, soprattutto quando si esegue fMRI in pazienti con varie patologie. Per la corretta pianificazione dello studio e interpretazione dei suoi risultati è necessario coinvolgere diversi specialisti: neuroradiologi, biofisici, neurologi, psicologi, poiché la fMRI è una tecnica multidisciplinare.

Parole chiave: fMRI, contrasto BOLD, disegno dello studio, post-elaborazione

Per secoli, scienziati e medici si sono interessati al funzionamento del cervello umano. Con lo sviluppo del progresso scientifico e tecnologico, è diventato possibile sollevare il velo di questo mistero. E l'invenzione e l'introduzione nella pratica clinica di un metodo non invasivo come la risonanza magnetica (MRI) sono diventate particolarmente preziose. La risonanza magnetica è un metodo relativamente giovane: il primo tomografo commerciale da 1,5 T ha iniziato a funzionare solo nel 1982. Tuttavia, nel 1990, il continuo miglioramento tecnico del metodo ha permesso di utilizzarlo non solo per studiare le caratteristiche strutturali del cervello, ma anche per studiarne il funzionamento. In questo articolo, ci concentreremo su una tecnica che consente di mappare varie aree funzionali del cervello: la risonanza magnetica funzionale (fMRI).

Principi di base della tecnica fMRI_

La fMRI è una tecnica di risonanza magnetica che misura la risposta emodinamica (cambiamento del flusso sanguigno) associata all'attività neuronale. Si basa su due concetti principali: interazione neurovascolare e contrasto BOLD.

La fMRI non consente di vedere direttamente l'attività elettrica dei neuroni, ma lo fa indirettamente, attraverso una variazione locale del flusso sanguigno. Ciò è possibile a causa del fenomeno dell'interazione neurovascolare: un cambiamento regionale nel flusso sanguigno in risposta all'attivazione dei neuroni vicini. Questo effetto si ottiene attraverso una complessa sequenza di reazioni interconnesse che si verificano nei neuroni, nella glia circostante (astrociti) e nell'endotelio della parete del vaso, poiché con una maggiore attività, i neuroni hanno bisogno di più ossigeno e nutrienti portati con il flusso sanguigno. La tecnica fMRI consente di valutare direttamente i cambiamenti nell'emodinamica.

Ciò è diventato possibile nel 1990, quando Seiji Ogawa ei suoi colleghi dei Bell Laboratories (USA) hanno proposto l'uso del contrasto BOLD per studiare la fisiologia cerebrale utilizzando la risonanza magnetica. La loro scoperta ha segnato l'inizio di un'era

moderno neuroimaging funzionale e ha costituito la base della maggior parte degli studi fMRI. Il contrasto BOLD (letteralmente - dipendente dal livello di ossigenazione del sangue, a seconda del livello di ossigenazione del sangue) è la differenza nel segnale MR sulle immagini utilizzando sequenze di gradienti a seconda della percentuale di deossiemoglobina. La deossiemoglobina ha proprietà magnetiche diverse dai tessuti circostanti, che, una volta scansionate, portano a una perturbazione locale del campo magnetico e una diminuzione del segnale nella sequenza "eco gradiente". Con un aumento del flusso sanguigno in risposta all'attivazione dei neuroni, la deossiemoglobina viene eliminata dai tessuti e viene sostituita da sangue ossigenato, che ha proprietà magnetiche simili ai tessuti circostanti. Quindi il disturbo di campo diminuisce e il segnale non viene soppresso - e vediamo la sua amplificazione locale (Fig. 1A).

Quindi, riassumendo tutto quanto sopra, lo schema generale della fMRI può essere rappresentato come segue: l'attivazione dei neuroni in risposta all'azione di uno stimolo e un aumento dei loro bisogni metabolici porta ad un aumento locale del flusso sanguigno, che viene registrato durante fMRI come segnale BOLD - il prodotto dell'attività neuronale e della risposta emodinamica ( Fig. 1B).

Riso. 1: A - illustrazione schematica del contrasto VOS nell'esperimento Oda\ha con una variazione della percentuale di ossigeno nel sangue dei ratti; quando viene inalata aria ordinaria (21% di ossigeno), le aree di diminuzione del segnale vengono determinate nella corteccia (nella parte superiore della figura), corrispondenti a vasi con un maggiore contenuto di deossiemoglobina; quando viene inalato ossigeno puro, si nota un segnale MR omogeneo dalla corteccia cerebrale (nella parte inferiore della figura); B - schema generale per la formazione del segnale VOS

Pianificazione dell'esperimento

Per condurre uno studio fMRI, è necessario disporre di un tomografo MRI ad alto campo (l'intensità del campo magnetico è 1,5 T e superiore), varie apparecchiature per eseguire attività durante la scansione (cuffie, occhiali video, un proiettore, vari telecomandi e joystick per il feedback dei soggetti, ecc.). Un fattore importante è la disponibilità del soggetto a collaborare.

Schematicamente, il processo di scansione stesso (nell'esempio della stimolazione visiva) è il seguente (Fig. 2): il soggetto è nel tomografo; attraverso uno speciale sistema di specchi fissati sopra la sua testa, ha accesso alle immagini visualizzate sullo schermo attraverso un videoproiettore. Per il feedback (se è implicito nell'attività), il paziente preme un pulsante sul telecomando. La fornitura di stimoli e il controllo del compito viene effettuato utilizzando la console nella sala di controllo.

I compiti che il soggetto svolge possono essere diversi: visivi, cognitivi, motori, vocali, ecc., a seconda degli obiettivi prefissati. Esistono due tipi principali di presentazione degli stimoli in un'attività: sotto forma di blocchi - un design a blocchi e sotto forma di stimoli separati e disparati - un design discreto (Fig. 3). È anche possibile una combinazione di entrambe queste opzioni: un design misto.

Il più utilizzato, soprattutto per i compiti motori, è il block design, quando gli stessi stimoli vengono raccolti in blocchi alternati tra loro. Un esempio è il compito di spremere una palla di gomma (ogni schiacciamento è uno stimolo separato) per un certo periodo di tempo (in media, 20-30 s), alternato a periodi di riposo della stessa durata. Questo disegno ha il massimo potere statistico, poiché i singoli segnali BOLD vengono sommati. Tuttavia è, di regola, prevedibile per i pazienti e non permette di valutare la risposta ad un singolo stimolo, e quindi non è adatto ad alcuni compiti, in particolare a quelli cognitivi.

Riso. 2: Schema dell'esperimento fMRI (adattato da http://psychology.uwo.ca/fmri4newbies, con modifiche)

Blocky

Discreto (relativo a eventi)

A 11 i A D1 iil iiiU I I,

Riso. 3: Principali tipi di disegni di studio fMRI

Risonanza magnetica funzionale

Per questo, esiste un design discreto, quando gli stimoli vengono dati in modo caotico a intervalli di tempo diversi. Ad esempio, a un soggetto con aracnofobia vengono mostrate immagini neutre (fiori, edifici, ecc.), tra cui di tanto in tanto compaiono immagini di un ragno, il che consente di valutare l'attivazione cerebrale in risposta a stimoli spiacevoli. Con un design a blocchi, questo sarebbe difficile: in primo luogo, il soggetto sa quando apparirà un blocco e si prepara già in anticipo, e in secondo luogo, se lo stesso stimolo viene presentato per molto tempo, la reazione ad esso diventa noiosa. È un design discreto che può essere utilizzato nella fMRI come rilevatore di bugie o nelle ricerche di mercato, quando ai volontari vengono mostrate varie opzioni di prodotto (la confezione, le forme, i colori) e si osserva la loro reazione inconscia.

Quindi, abbiamo scelto il design dell'attività, l'abbiamo scansionato. Cosa otteniamo di conseguenza? Innanzitutto, è una serie 4D di dati funzionali nella sequenza "eco gradiente", che consiste in scansioni multiple ripetute dell'intero volume della sostanza cerebrale durante l'attività. E in secondo luogo, il volume dei dati anatomici 3D ad alta risoluzione: ad esempio, 1 x 1 x 1 mm (Fig. 4). Quest'ultimo è necessario per un'accurata mappatura delle zone di attivazione, poiché i dati funzionali hanno una bassa risoluzione spaziale.

Post produzione_

I cambiamenti nel segnale MR nelle aree di attivazione del cervello in varie condizioni sono solo del 3-5%, sono sfuggenti all'occhio umano. Pertanto, inoltre, i dati funzionali ottenuti vengono sottoposti ad analisi statistica: viene costruita una curva di dipendenza dell'intensità del segnale MR nel tempo per ciascun voxel dell'immagine in vari stati: sperimentale (fornitura di stimolo) e controllo. Di conseguenza, otteniamo una mappa di attivazione statistica combinata con dati anatomici.

Ma prima di condurre direttamente tale analisi, è necessario preparare i dati “grezzi” ottenuti al termine della scansione e ridurre la variabilità dei risultati che non è correlata al compito sperimentale. L'algoritmo di preparazione è un processo a più stadi ed è molto importante per comprendere possibili errori ed errori nell'interpretazione dei risultati. Attualmente ci sono vari programmi

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Riso. 4: Serie di dati funzionali (A) e anatomici (B) ottenuti al termine della scansione

Software per l'elaborazione preliminare dei dati ricevuti, prodotto sia dai produttori di tomografi MRI che da laboratori di ricerca fMRI indipendenti. Ma, nonostante le differenze nei metodi utilizzati, nei nomi e nella presentazione dei dati, tutte le fasi della preparazione si riducono a pochi passaggi fondamentali.

1. Correzione del movimento della testa del soggetto. Quando si eseguono compiti, ciò è inevitabile, nonostante l'uso di vari dispositivi per il fissaggio della testa (maschere, morsetti sulla bobina della testa, ecc.). Anche il minimo movimento può portare a un pronunciato cambiamento artificiale nell'intensità del segnale MR tra volumi di dati successivi, soprattutto se il movimento della testa è associato all'esecuzione del compito sperimentale. In questo caso è difficile distinguere tra l'attivazione “vera” BOLD e quella “artificiale”, che nasce a seguito del movimento del soggetto (Fig. 5).

È generalmente accettato di non prendere più di 1 mm come spostamento ottimale della testa. In questo caso, lo spostamento perpendicolare al piano di scansione (direzione “testa-gambe”) è significativamente peggiore per una corretta elaborazione statistica dei risultati rispetto allo spostamento nel piano di scansione. In questa fase viene utilizzato l'algoritmo di trasformazione del corpo rigido, una trasformazione spaziale in cui cambiano solo la posizione e l'orientamento dell'oggetto e la sua dimensione o forma è costante. In pratica, l'elaborazione è la seguente: viene selezionato il volume funzionale di riferimento (solitamente il primo) delle immagini e tutti i successivi volumi funzionali vengono combinati matematicamente con esso, proprio come allineiamo i fogli di carta in una pila.

2. Co-registrazione dei dati funzionali e anatomici.

Le differenze nella posizione della testa del soggetto sono ridotte al minimo. Vengono inoltre effettuate elaborazioni informatiche e confronti di dati anatomici ad alta risoluzione e dati funzionali a bassissima risoluzione, per la possibilità di successiva localizzazione di zone di attivazione.

Riso. 5: Esempio di spostamento della testa del paziente durante la scansione durante l'esecuzione del paradigma motorio. Nella parte superiore della figura è riportato un grafico del movimento della testa del soggetto su tre piani reciprocamente perpendicolari: la curva centrale riflette lo spostamento del paziente lungo l'asse z (la direzione "testa-gambe") e devia chiaramente di all'inizio del movimento e alla sua fine. Nella parte inferiore - mappe statistiche di attivazione dello stesso soggetto senza correzione del movimento. Gli artefatti tipici del movimento sono determinati sotto forma di semicerchi lungo il bordo della sostanza cerebrale

Inoltre, le differenze associate alle diverse modalità di scansione sono ridotte al minimo (di solito per i dati funzionali, questa è la modalità "eco gradiente", per i dati anatomici, T1). Pertanto, la modalità eco gradiente può dare un certo allungamento dell'immagine lungo uno degli assi rispetto alle immagini strutturali ad alta risoluzione.

3. Normalizzazione spaziale. È noto che la forma e le dimensioni del cervello umano variano considerevolmente. Per confrontare i dati ottenuti da diversi pazienti, oltre che per elaborare l'intero gruppo nel suo insieme, vengono utilizzati algoritmi matematici: la cosiddetta trasformazione affine. In questo caso, le immagini delle singole regioni del cervello vengono trasformate: allungamento, compressione, allungamento e così via. - con la successiva riduzione dei dati strutturali ad un unico sistema di coordinate spaziali.

Attualmente, i più comuni nella fMRI sono due sistemi di coordinate spaziali: il sistema Taleras e il sistema del Montreal Neurological Institute. Il primo è stato sviluppato dal neurochirurgo francese Jean Talairach nel 1988 sulla base di misurazioni post mortem del cervello di una donna francese di 60 anni. Quindi sono state fornite le coordinate di tutte le regioni anatomiche del cervello relative alla linea di riferimento che collega le commissure anteriori e posteriori. Qualsiasi cervello può essere collocato in questo spazio stereotassico e le aree di interesse possono essere descritte utilizzando un sistema di coordinate tridimensionale (x, y, z). Lo svantaggio di un tale sistema sono i dati per un solo cervello. Pertanto, il sistema più popolare è quello sviluppato presso il Montreal Neurological Institute (MNI) sulla base di un calcolo totale dei dati dell'immagine T1 di 152 canadesi.

Sebbene entrambi i sistemi siano misurati dalla linea che collega le commessure anteriore e posteriore, le coordinate di questi sistemi non sono identiche, soprattutto quando si avvicinano alle superfici convesse del cervello. Questo dovrebbe essere tenuto presente quando si confrontano i risultati ottenuti con i dati dei lavori di altri ricercatori.

Va notato che questa fase di elaborazione non viene utilizzata per la mappatura preoperatoria delle zone di attivazione funzionale in neurochirurgia, poiché lo scopo della fMRI in una situazione del genere è valutare accuratamente la posizione di queste zone in un particolare paziente.

4. Levigatura. La normalizzazione spaziale non è mai esatta, quindi le regioni omologhe, e quindi le loro zone di attivazione, non corrispondono al 100% tra loro. Al fine di ottenere la sovrapposizione spaziale di zone di attivazione simili in un gruppo di soggetti, per migliorare il rapporto segnale-rumore e quindi migliorare l'affidabilità dei dati, viene applicata una funzione di smoothing gaussiana. L'essenza di questa fase di elaborazione è la "sfocatura" delle zone di attivazione di ciascun soggetto, a seguito della quale le aree della loro sovrapposizione aumentano nell'analisi di gruppo. Lo svantaggio è che la risoluzione spaziale è persa.

Ora, finalmente, possiamo passare direttamente all'analisi statistica, a seguito della quale riceviamo dati sulle zone di attivazione sotto forma di mappe di colori sovrapposte a dati anatomici. Gli stessi dati possono

Risonanza magnetica funzionale

Statistiche: p-va/ues aggiustato per il volume di ricerca

set-level non-lsotroplc regolato a livello di cluster a livello di voxel

R "- - - ---- mm mm mm

^ collegato "E ^ non corretto PFWE-con ^ FDR-con T (Y ^ non collegato

0.000 80 0.000 0.000 0.000 6.26 6.04 0.000 -27 -24 60

0.000 0.000 6.00 5.81 0.000 -33 -18 69

0.002 46 0.001 0.009 0.000 5.20 5.07 0.000 27 -57 -21

0.123 0.004 4.54 4.45 0.000 18 -51 -18

0.278 6 0.179 0.076 0.003 4.67 4.58 0.000 51 21 -21

0.331 5 0.221 0.081 0.003 4.65 4.56 0.000 -66 -24 27

0.163 9 0.098 0.099 0.003 4.60 4.51 0.000 -48 -75 -27

0.050 17 0.029 0.160 0.005 4.46 4.38 0.000 -21 33 27

0.135 10 0.080 0.223 0.006 4.36 4.28 0.000 3 -75 -33

0.668 1 0.608 0.781 0.024 3.83 3.77 0.000 6 -60 -9

Riso. 6: Un esempio di presentazione dei risultati della post-elaborazione statistica. A sinistra - zone di attivazione durante l'esecuzione del paradigma motorio (alzare - abbassare l'indice destro), combinate con la ricostruzione volumetrica del cervello. A destra: statistiche per ciascuna zona di attivazione

essere presentato in formato digitale indicando la significatività statistica della zona di attivazione, il suo volume e le coordinate nello spazio stereotassico (Fig. 6).

Applicazione fMRI_

Quando viene eseguita la fMRI? In primo luogo, per scopi puramente scientifici: si tratta dello studio del cervello normale e della sua asimmetria funzionale. Questa tecnica ha ravvivato l'interesse dei ricercatori per la mappatura delle funzioni cerebrali: senza ricorrere a interventi invasivi, è possibile vedere quali aree del cervello sono responsabili di un particolare processo. Forse il più grande passo avanti è stato fatto nella comprensione dei processi cognitivi superiori, tra cui l'attenzione, la memoria e le funzioni esecutive. Tali studi hanno permesso di utilizzare la fMRI per scopi pratici lontani dalla medicina e dalle neuroscienze (come rivelatore di bugie, nelle ricerche di mercato, ecc.).

Inoltre, la fMRI viene utilizzata attivamente nella medicina pratica. Attualmente, questa tecnica è ampiamente utilizzata nella pratica clinica per la mappatura preoperatoria delle principali funzioni (motorie, del linguaggio) prima di interventi neurochirurgici per masse cerebrali o epilessia incurabile. Negli Stati Uniti esiste persino un documento ufficiale, una guida pratica compilata dall'American College of Radiology e dall'American Society for Neuroradiology, che descrive in dettaglio l'intera procedura.

I ricercatori stanno anche cercando di introdurre la fMRI nella pratica clinica di routine in varie malattie neurologiche e psichiatriche. L'obiettivo principale di numerosi lavori in quest'area è valutare i cambiamenti nel funzionamento del cervello in risposta al danno a una o all'altra delle sue aree - perdita e (o) commutazione di zone, loro spostamento, ecc., nonché dinamica osservazione della ristrutturazione delle zone di attivazione in risposta a terapie farmacologiche in corso, misure terapeutiche e/o riabilitative.

Infine, gli studi fMRI eseguiti su pazienti di varie categorie possono aiutare a determinare il valore prognostico di varie varianti di riarrangiamento corticale funzionale per il ripristino delle funzioni compromesse e sviluppare algoritmi di trattamento ottimali.

Possibili fallimenti di studio_

Quando si pianifica una fMRI, si dovrebbe sempre tenere a mente le varie controindicazioni, limitazioni e possibili

fonti di errore nell'interpretazione dei dati ottenuti sia da volontari sani che da pazienti.

Questi includono:

Eventuali fattori che influenzano l'interazione neurovascolare e l'emodinamica e, di conseguenza, il contrasto BOLD; pertanto, è sempre necessario tenere conto di possibili variazioni del flusso sanguigno cerebrale, dovute ad esempio a occlusioni o gravi stenosi delle principali arterie della testa e del collo, assumendo farmaci vasoattivi; ci sono anche fatti noti di una diminuzione o addirittura di un'inversione della risposta BOLD in alcuni pazienti con gliomi maligni a causa di una ridotta autoregolazione;

La presenza di controindicazioni nel soggetto, comuni a qualsiasi studio di risonanza magnetica (pacemaker, claustrofobia, ecc.);

Strutture metalliche nell'area delle parti facciali (cervello) del cranio (dentiere non rimovibili, clip, placche, ecc.), Che danno artefatti pronunciati nella modalità "eco gradiente";

Mancanza (difficoltà) di cooperazione da parte del soggetto durante il compito, associata sia al suo stato cognitivo che ad una diminuzione della vista, dell'udito, ecc., nonché ad una mancanza di motivazione e dovuta attenzione al compito;

Movimento espresso del soggetto durante lo svolgimento dei compiti;

Disegno dello studio pianificato in modo errato (selezione di un compito di controllo, durata dei blocchi o dell'intero studio, ecc.);

Un attento sviluppo dei compiti, che è particolarmente importante per la fMRI clinica, nonché nello studio di un gruppo di persone o dello stesso soggetto in dinamica per poter confrontare le zone di attivazione risultanti; i compiti dovrebbero essere riproducibili, cioè gli stessi per tutto il periodo dello studio e disponibili per il completamento di tutte le materie; una possibile soluzione per i pazienti che non sono in grado di svolgere da soli compiti legati al movimento è l'uso di paradigmi passivi che utilizzano vari dispositivi per muovere gli arti;

Errata scelta dei parametri di scansione (tempo di eco - TE, tempo di ripetizione - TR);

Impostare in modo errato i parametri di post-elaborazione dei dati nelle varie fasi;

Errata interpretazione dei dati statistici ottenuti, errata mappatura delle zone di attivazione.

Conclusione

Nonostante le limitazioni di cui sopra, la fMRI è una tecnica di neuroimaging moderna importante e versatile che combina i vantaggi dell'elevata risoluzione spaziale e della non invasività con l'assenza della necessità di mezzi di contrasto per via endovenosa.

amplificazione ed esposizione alle radiazioni. Tuttavia, questa tecnica è molto complicata e per completare con successo i compiti assegnati a un ricercatore che lavora con fMRI, è necessario un approccio multidisciplinare, che coinvolga non solo neuroradiologi, ma anche biofisici, neurofisiologi, psicologi, logopedisti, professionisti clinici e matematici in lo studio. Solo in questo caso è possibile sfruttare tutto il potenziale della fMRI e ottenere risultati davvero unici.

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La risonanza magnetica è indispensabile nella diagnosi di molte malattie e consente di ottenere una visualizzazione dettagliata degli organi e dei sistemi interni.

Il reparto di risonanza magnetica della clinica NAKFF di Mosca è dotato di un tomografo Siemens MAGNETOM Aera ad alto campo con un design a tunnel aperto. La potenza del tomografo è di 1,5 Tesla. L'apparecchiatura consente l'esame di persone di peso fino a 200 kg, la larghezza del tunnel dell'apparato (apertura) è di 70 cm cervello. Il costo della diagnostica è abbordabile, mentre il valore dei risultati ottenuti è incredibilmente alto. In totale, vengono eseguiti più di 35 tipi di studi di risonanza magnetica.

Dopo la diagnostica MRI, il medico conduce una conversazione con il paziente ed emette un disco con una registrazione. La conclusione viene inviata via e-mail.

Addestramento

La maggior parte degli studi di risonanza magnetica non richiede una formazione speciale. Tuttavia, ad esempio, per la risonanza magnetica dell'addome e degli organi pelvici, si raccomanda di astenersi dal mangiare e dal bere 5 ore prima dell'esame.

Prima di visitare il centro di risonanza magnetica (il giorno dell'esame), è necessario indossare abiti comodi e privi di elementi metallici.

Controindicazioni

Le controindicazioni alla risonanza magnetica sono dovute al fatto che durante lo studio si forma un potente campo magnetico che può influenzare l'elettronica e i metalli. Sulla base di ciò, una controindicazione assoluta alla risonanza magnetica è la presenza di:

• stimolatore cardiaco;
• neurostimolatore;
• impianto elettronico dell'orecchio medio;
• clip metalliche su navi;
• pompe per insulina.

Installato pacemaker, neurostimolatore, impianto elettronico dell'orecchio medio, clip metalliche sui vasi, pompe per insulina.

Restrizioni

Se hai installato strutture metalliche di grandi dimensioni (ad esempio un'endoprotesi articolare), avrai bisogno di un documento che confermi la possibilità e la sicurezza dell'esecuzione della risonanza magnetica. Questo può essere un certificato per l'impianto (di solito rilasciato dopo l'operazione) o un certificato del chirurgo che ha eseguito l'intervento. La maggior parte di queste strutture sono realizzate in titanio medico, che non interferisce con la procedura. Ma, in ogni caso, prima dello studio, informi il medico del reparto di radiologia della presenza di oggetti estranei nel corpo: corone nella cavità orale, piercing e persino tatuaggi (in quest'ultimo si potrebbero usare vernici contenenti metallo ).

Il prezzo della risonanza magnetica dipende dalla parte del corpo da esaminare e dalla necessità di procedure aggiuntive (ad esempio l'introduzione del contrasto). Quindi una risonanza magnetica del cervello costerà più di una tomografia di una mano. Iscriviti per uno studio per telefono a Mosca: +7 495 266-85-01 o lascia una richiesta sul sito web.

Fornisce al ricercatore molte informazioni sulla struttura anatomica di un organo, tessuto o altro oggetto che rientra nel campo visivo. Tuttavia, per formare un quadro completo dei processi in corso, non ci sono dati sufficienti sull'attività funzionale. E proprio per questo esiste la risonanza magnetica funzionale BOLD (BOLD - contrasto dipendente dal livello di ossigenazione del sangue, o contrasto, a seconda del grado di saturazione di ossigeno nel sangue).

BOLD fMRI è uno dei metodi più utilizzati e ampiamente conosciuti per determinare l'attività cerebrale. L'attivazione porta ad un aumento del flusso sanguigno locale con una variazione della concentrazione relativa di emoglobina ossigenata (arricchita di ossigeno) e deossigenata (povero di ossigeno) nel flusso sanguigno locale.

Fig. 1.schema reazioni cerebrale flusso sanguigno in Rispondere sul eccitazione neuroni.

Il sangue deossigenato è paramagnetico (una sostanza in grado di essere magnetizzato) e porta a un calo del livello del segnale MRI. Se c'è più sangue ossigenato nell'area del cervello, il livello del segnale MRI aumenta. Pertanto, l'ossigeno nel sangue agisce come un agente di contrasto endogeno.

Fig.2.Volume cerebrale Riserva di sangue (un) e GRASSETTO-Rispondere fMRI (b) a Attivazione primario il motore abbaioumano. Segnale passa in 4 fasi. 1 palcoscenico – a causa di Attivazione neuroni si alza consumoossigeno, aumenta Quantità deossigenato sangue, GRASSETTO— segnale un po' diminuisce (sul graficonon mostrato, diminuire insignificante). Navi in espansione, a causa di che cosa parecchi diminuisceRiserva di sangue cerebrale tessuti. Palcoscenico 2 – prolungato aumento segnale. Potenziale Azioni neuronifinisce, ma fluire ossigenato sangue aumenta inerziale, Forse a causa di impattobiochimico marcatori ipossia. Palcoscenico 3 – prolungato declino segnale a causa di normalizzazioneRiserva di sangue. 4 palcoscenico – post-stimolo recessione – chiamato Lento restauro inizialeRiserva di sangue.

Per attivare il lavoro dei neuroni in alcune aree della corteccia, ci sono speciali compiti di attivazione. La progettazione delle attività è solitamente di due tipi: "a blocchi" e "correlata a eventi". Ogni tipo presuppone la presenza di due fasi alternate: uno stato attivo e il riposo. Nella fMRI clinica, vengono utilizzate più spesso attività di tipo "blocco". Eseguendo tali esercizi, il soggetto alterna i cosiddetti periodi ON- (stato attivo) e OFF- (stato di riposo) di uguale o disuguale durata. Ad esempio, quando si determina l'area della corteccia responsabile dei movimenti delle mani, i compiti consistono nell'alternarsi di movimenti delle dita e periodi di inattività, della durata media di circa 20 secondi. I passaggi vengono ripetuti più volte per aumentare la precisione del risultato fMRI. Nel caso del compito “relativo all'evento”, il soggetto compie una breve azione (ad esempio deglutire o stringere il pugno), seguita da un periodo di riposo, mentre le azioni, in contrasto con il disegno a blocchi, si alternano in modo non uniforme e incoerentemente.

In pratica, BOLD fMRI viene utilizzato nella pianificazione preoperatoria della resezione (asportazione) di tumori, nella diagnosi di malformazioni vascolari, negli interventi per forme gravi di epilessia e altre lesioni cerebrali. Durante l'intervento chirurgico al cervello, è importante rimuovere la lesione nel modo più accurato possibile, evitando allo stesso tempo danni inutili alle aree adiacenti funzionalmente importanti del cervello.

Fig.3.

un – tridimensionale risonanza magnetica— Immagine testa cervello. Freccia specificato Posizione il motore abbaio inprecentrale giro.

b – carta geografica fMRI—attività cervello in precentrale giro a movimento mano.

Il metodo è molto efficace nello studio di malattie degenerative come l'Alzheimer e il Parkinson, soprattutto nelle fasi iniziali. Non prevede l'utilizzo di radiazioni ionizzanti e di agenti radiopachi, inoltre non è invasivo. Pertanto, può essere considerato abbastanza sicuro per i pazienti che necessitano di esami fMRI a lungo termine e regolari. La fMRI può essere utilizzata per studiare i meccanismi di formazione delle crisi epilettiche ed evita la rimozione della corteccia funzionale nei pazienti con epilessia del lobo frontale intrattabile. Monitorare il recupero cerebrale dopo un ictus, studiare gli effetti di farmaci o altre terapie, monitorare e monitorare il trattamento psichiatrico: questo non è un elenco completo delle possibili applicazioni della fMRI. Inoltre, c'è anche la fMRI a riposo, in cui l'elaborazione di dati complessi consente di vedere le reti cerebrali che funzionano a riposo.

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4. Cervello, cognizione, mente: un'introduzione alla neuroscienza cognitiva. Parte 2 . B. Baars, N. Gage. M.: Binoma. 2014 pp. 353-360.

Testo: Daria Prokudina

I cambiamenti nell'attività del flusso sanguigno vengono registrati mediante risonanza magnetica funzionale (fMRI). Il metodo viene utilizzato per determinare la localizzazione delle arterie, per valutare la microcircolazione dei centri della vista, della parola, del movimento, della corteccia di alcuni altri centri funzionali. Una caratteristica della mappatura è che al paziente viene chiesto di svolgere determinati compiti che aumentano l'attività del centro cerebrale desiderato (leggere, scrivere, parlare, muovere le gambe).

Nella fase finale, il software genera un'immagine sommando tomogrammi a strati convenzionali e immagini del cervello con carico funzionale. Il complesso di informazioni mostra un modello tridimensionale. La modellazione spaziale consente agli specialisti di studiare l'oggetto in dettaglio.

Insieme alla spettroscopia MRI, lo studio rivela tutte le caratteristiche del metabolismo delle formazioni patologiche.

Principi di risonanza magnetica cerebrale funzionale

La risonanza magnetica si basa sulla registrazione della radiofrequenza alterata degli atomi di idrogeno in un mezzo liquido dopo l'esposizione a un forte campo magnetico. La scansione classica mostra i componenti dei tessuti molli. Per migliorare la visibilità dei vasi sanguigni, viene eseguito il contrasto endovenoso con il gadolinio paramagnetico.

La risonanza magnetica funzionale registra l'attività delle singole aree della corteccia cerebrale tenendo conto dell'effetto magnetico dell'emoglobina. La sostanza, dopo il ritorno della molecola di ossigeno ai tessuti, diventa un paramagnete, la cui radiofrequenza viene captata dai sensori del dispositivo. Più intenso è l'afflusso di sangue al parenchima cerebrale, migliore è il segnale.

La magnetizzazione dei tessuti è ulteriormente aumentata dall'ossidazione del glucosio. La sostanza è necessaria per garantire i processi di respirazione dei tessuti dei neuroni. La variazione dell'induzione magnetica viene registrata dai sensori del dispositivo ed elaborata dall'applicazione software. I dispositivi ad alto campo creano una risoluzione di un elevato grado di qualità. Sul tomogramma è possibile tracciare un'immagine dettagliata di dettagli con un diametro fino a 0,5 mm.

Lo studio MRI funzionale registra un segnale non solo dai gangli della base, dalla corteccia cingolata, dal talamo, ma anche dai tumori maligni. Le neoplasie hanno una propria rete vascolare, attraverso la quale il glucosio e l'emoglobina entrano nella formazione. Il tracciamento del segnale consente di studiare i contorni, il diametro, la profondità di penetrazione del tumore nella materia bianca o grigia.

La diagnosi funzionale della risonanza magnetica cerebrale richiede la qualifica di un medico di diagnostica delle radiazioni. Diverse zone della corteccia sono caratterizzate da una diversa microcircolazione. Saturazione con emoglobina, il glucosio influisce sulla qualità del segnale. Dovrebbe essere presa in considerazione la struttura della molecola di ossigeno, la presenza di sostituti alternativi per gli atomi.

Un forte campo magnetico aumenta l'emivita dell'ossigeno. L'effetto funziona quando la potenza del dispositivo è superiore a 1,5 Tesla. Impostazioni più deboli non possono non indagare sull'attività funzionale del cervello.

L'intensità metabolica dell'afflusso di sangue al tumore viene determinata al meglio utilizzando apparecchiature ad alto campo con una potenza di 3 Tesla. L'alta risoluzione ti consentirà di registrare una piccola messa a fuoco.

L'efficacia del segnale è scientificamente chiamata "risposta emodinamica". Il termine è usato per descrivere la velocità dei processi neurali con un intervallo di 1-2 secondi. L'afflusso di sangue ai tessuti non è sempre sufficiente per gli studi funzionali. La qualità del risultato è migliorata dalla somministrazione aggiuntiva di glucosio. Dopo la stimolazione, il picco di saturazione si verifica dopo 5 secondi, quando viene eseguita la scansione.

Caratteristiche tecniche dello studio funzionale della risonanza magnetica cerebrale

La diagnostica funzionale della risonanza magnetica si basa su un aumento dell'attività dei neuroni dopo la stimolazione dell'attività cerebrale eseguendo un determinato compito da parte di una persona. Uno stimolo esterno provoca la stimolazione dell'attività sensoriale o motoria di un determinato centro.

Per tracciare l'area, viene attivata la modalità eco gradiente in base alla sequenza ecoplanare degli impulsi.

L'analisi del segnale centrale sulla risonanza magnetica viene eseguita rapidamente. La registrazione di un tomogramma viene eseguita a intervalli di 100 ms. La diagnosi viene eseguita dopo la stimolazione e durante il periodo di riposo. Il software utilizza i tomogrammi per calcolare i fuochi dell'attività neuronale, sovrapponendo aree di segnale amplificato su un modello 3D del cervello a riposo.

Per i medici curanti, questo tipo di risonanza magnetica fornisce informazioni sui processi fisiopatologici che non possono essere tracciati con altri metodi diagnostici. Lo studio delle funzioni cognitive è necessario ai neuropsicologi per differenziare le malattie mentali e psicologiche. Lo studio aiuta a verificare i focolai epilettici.

La mappa di mappatura finale mostra più di semplici aree di maggiore stimolazione funzionale. Le immagini visualizzano le zone dell'attività del linguaggio sensomotoria e uditiva attorno al focus patologico.

La costruzione di mappe della posizione dei canali cerebrali è chiamata trattografia. Il significato funzionale della posizione del tratto visivo piramidale prima della pianificazione dell'intervento chirurgico consente ai neurochirurghi di pianificare correttamente la posizione delle incisioni.

Cosa mostra la fMRI?

La risonanza magnetica ad alto campo con test funzionali è prescritta secondo le indicazioni, quando è necessario studiare i fondamenti fisiopatologici del funzionamento delle aree motorie, sensoriali, visive e uditive della corteccia cerebrale. I neuropsicologi utilizzano la ricerca in pazienti con disturbi del linguaggio, dell'attenzione, della memoria e delle funzioni cognitive.

Utilizzando la fMRI, nella fase iniziale vengono rilevate numerose malattie: Alzheimer, Parkinson, demielinizzazione nella sclerosi multipla.

La diagnostica funzionale in diversi centri medici viene eseguita su diverse unità. Sa cosa mostra la risonanza magnetica del cervello, il medico-diagnostico. La consultazione con uno specialista è obbligatoria prima dell'esame.

Risultati di alta qualità si ottengono scansionando con un forte campo magnetico. Prima di scegliere un centro medico, ti consigliamo di conoscere il tipo di dispositivo installato. Importante è la qualifica di uno specialista, che deve avere conoscenza della componente funzionale e strutturale del cervello.

Il futuro della diagnostica MRI funzionale in medicina

La ricerca funzionale è stata recentemente introdotta nella medicina pratica. Le possibilità del metodo non sono utilizzate a sufficienza.

Gli scienziati stanno sviluppando tecniche per visualizzare i sogni, leggere i pensieri utilizzando la risonanza magnetica funzionale. Dovrebbe usare la tomografia per sviluppare un metodo di comunicazione con le persone paralizzate.

• eccitabilità neurale;
• attività mentale;
• Gradi di saturazione della corteccia cerebrale con ossigeno, glucosio;
• La quantità di emoglobina deossilata nei capillari;
• Aree di espansione del flusso sanguigno;
• Il livello di ossiemoglobina nei vasi.

Vantaggi dello studio:

1. Immagine temporanea di alta qualità;
2. Risoluzione spaziale superiore a 3 mm;
3. Capacità di studiare il cervello prima e dopo la stimolazione;
4. Innocuità (rispetto al PET);
5. Nessuna invasività.

L'uso massiccio della risonanza magnetica cerebrale funzionale è limitato dall'alto costo delle apparecchiature, da ogni singolo esame, dall'impossibilità di misurare direttamente l'attività neuronale, che non può essere eseguita in pazienti con inclusioni metalliche nel corpo (clip vascolari, protesi auricolari).

La registrazione del metabolismo funzionale della corteccia cerebrale è di grande valore diagnostico, ma non è un indicatore accurato per la valutazione dinamica dei cambiamenti nel cervello durante il trattamento, dopo l'intervento chirurgico.

La risonanza magnetica (MRI) è un metodo per ottenere immagini mediche tomografiche per l'esame non invasivo di organi interni e tessuti, basato sul fenomeno della risonanza magnetica nucleare (NMR). La tecnologia è apparsa diversi decenni fa e oggi è possibile sottoporsi a un esame utilizzando un tale dispositivo in molte cliniche moderne. Tuttavia, gli scienziati continuano a lavorare per migliorare l'accuratezza della tecnologia e sviluppare nuovi sistemi più efficienti. , Ricercatore senior presso l'Istituto Max Planck di Tubinga (Germania), è uno dei principali specialisti che sviluppa nuovi sensori per la risonanza magnetica sperimentale a campo ultra alto. Il giorno prima, ha condotto un corso speciale sul programma del master " Sistemi e dispositivi RF» ITMO University, e in un'intervista a ITMO.NEWS, ha parlato del suo lavoro e di come la nuova ricerca nel campo della risonanza magnetica aiuterà a rendere più efficiente la diagnosi delle malattie.

Negli ultimi anni hai lavorato nel dipartimento di risonanza magnetica ad alto campo del Max Planck Institute. Per favore, dicci di cosa tratta la tua attuale ricerca?

Sto sviluppando nuovi sensori a radiofrequenza (RF) per la risonanza magnetica. Qual è la risonanza magnetica, probabilmente, è già nota alla maggior parte delle persone, perché negli ultimi 40 anni, da quando questa tecnologia è stata sviluppata, è riuscita a raggiungere un numero enorme di cliniche e diventare uno strumento diagnostico indispensabile. Ma anche oggi, le persone stanno lavorando per migliorare questa tecnologia sviluppando nuovi sistemi di risonanza magnetica.

Una risonanza magnetica è principalmente un enorme magnete cilindrico in cui viene inserito un paziente o un volontario per ottenere un'immagine 3D. Ma prima di creare questa immagine, devi fare molto lavoro di ricerca. È condotto da ingegneri, fisici, medici e altri specialisti. Sono uno degli anelli di questa catena e faccio ricerca all'incrocio tra fisica e ingegneria. Nello specifico, stiamo sviluppando sensori per la risonanza magnetica sperimentale a campo ultra alto, che viene utilizzata nella fase di eccitazione, ricezione ed elaborazione di un segnale ottenuto come risultato dell'effetto fisico NMR.

Una delle direzioni principali è lo sviluppo di nuovi sistemi sperimentali di risonanza magnetica a campo ultra alto, ovvero utilizzando un campo magnetico costante più elevato, che migliora la risoluzione dell'immagine o riduce il tempo di scansione, che è molto importante per molti studi clinici e diagnostici.

I tomografi clinici convenzionali utilizzano campi costanti fino a 3 T, ma ora vengono visualizzati tomografi sperimentali con un campo magnetico di 7 T e superiore. È consuetudine chiamare tomografi con un campo magnetico di 7 T e un campo ultraalto superiore. Ci sono già un centinaio di tomografi con un campo di 7 T nel mondo, ma sono in corso sviluppi per aumentare ulteriormente il campo magnetico. Ad esempio, abbiamo una macchina per risonanza magnetica da 9,4 T al Max Planck Institute di Tubinga.

Ma anche con il passaggio da 7 a 9,4 T, sorgono molti problemi tecnici che richiedono seri sviluppi scientifici e tecnici, compreso il calcolo e la progettazione di sensori MRI di nuova generazione.

Quali sono queste difficoltà?

Un aumento del campo magnetico costante comporta un corrispondente aumento della frequenza dei sensori RF. Ad esempio, gli scanner clinici 3 T utilizzano trasduttori con una frequenza di risonanza di circa 120 MHz, mentre uno scanner 7 T richiede trasduttori con una frequenza di 300 MHz. Ciò porta principalmente ad un accorciamento della lunghezza d'onda del campo RF nei tessuti umani. Se la frequenza di 120 MHz corrisponde a circa una lunghezza d'onda di 35-40 centimetri, alla frequenza di 300 MHz diminuisce fino a un valore di circa 15 cm, che è molto più piccolo delle dimensioni del corpo umano.

Come risultato di questo effetto, la sensibilità dei sensori RF può essere gravemente distorta quando si esaminano oggetti di grandi dimensioni (maggiore della lunghezza d'onda). Ciò comporta difficoltà nell'interpretazione delle immagini e nella diagnosi di malattie e patologie cliniche. In un campo di 9,4 T, che corrisponde a una frequenza del sensore di 400 MHz, tutti questi problemi diventano ancora più critici.

Cioè, tali immagini diventano praticamente illeggibili?

Non direi così. Più precisamente, in alcuni casi ciò li rende di difficile interpretazione. Tuttavia, ci sono gruppi che sviluppano tecniche per ottenere immagini RM dell'intero corpo umano. Tuttavia, i compiti del nostro gruppo si concentrano principalmente sullo studio del cervello.

Quali opportunità per la medicina stanno aprendo la ricerca nel campo della risonanza magnetica a campo ultra alto?

Come sai, durante una risonanza magnetica, una persona deve rimanere immobile: se inizi a muoverti durante le misurazioni, l'immagine sarà distorta. Allo stesso tempo, alcune tecniche di risonanza magnetica possono richiedere fino a un'ora ed è chiaro che è difficile non muoversi durante tutto questo tempo. La maggiore sensibilità dei tomografi a campo ultra alto consente di ottenere immagini non solo con una risoluzione più elevata, ma anche molto più velocemente. Ciò è particolarmente importante nello studio di bambini e pazienti anziani.

È anche impossibile non menzionare le possibilità per la spettroscopia di risonanza magnetica ( MRS, un metodo che consente di determinare i cambiamenti biochimici nei tessuti in varie malattie mediante la concentrazione di determinati metaboliti - ed. ).

Nella risonanza magnetica, la principale fonte di segnale sono gli atomi di idrogeno delle molecole d'acqua. Ma oltre a questo, ci sono altri atomi di idrogeno che si trovano in altre molecole importanti per il funzionamento del corpo umano. Gli esempi includono vari metaboliti, neurotrasmettitori, ecc. La misurazione della distribuzione spaziale di queste sostanze mediante MRS può fornire informazioni utili per lo studio delle patologie associate ai disordini metabolici nel corpo umano. Spesso la sensibilità dei tomografi clinici è insufficiente per il loro studio a causa della loro bassa concentrazione e, di conseguenza, di un segnale più piccolo.

Oltre a questo, si può osservare il segnale NMR non solo dagli atomi di idrogeno, ma anche da altri atomi magnetici, che sono anche molto importanti per la diagnosi di malattie e la ricerca medica. Tuttavia, in primo luogo, il loro segnale NMR è molto più debole a causa del rapporto giromagnetico più piccolo e, in secondo luogo, il loro contenuto naturale nel corpo umano è molto inferiore agli atomi di idrogeno. La maggiore sensibilità della risonanza magnetica a campo ultra alto è estremamente importante per la risonanza magnetica.

Un'altra importante area delle tecniche di risonanza magnetica, per la quale una maggiore sensibilità è fondamentale, è la risonanza magnetica funzionale, che è una tecnica importante per gli studi cognitivi del cervello umano.

Finora, la stragrande maggioranza delle cliniche nel mondo non dispone di tomografie ad alto campo. Quali sono le prospettive per i tomografi 7 T e successivi 9 T da utilizzare nella diagnostica convenzionale?

Affinché il tomografo possa arrivare in clinica, deve essere certificato, controllato per le condizioni di sicurezza e deve essere redatta idonea documentazione. Questa è una procedura piuttosto complicata e lunga. Finora, c'è solo un'azienda al mondo che ha iniziato a certificare non solo i sensori che produciamo, ma anche il dispositivo stesso. Questa è Siemens.

Ci sono 7 tomografie a T, non ce ne sono così tante e non possono ancora essere definite completamente cliniche. Quella che ho chiamato è un'opzione preclinica, ma questo dispositivo è già certificato, cioè può essere potenzialmente utilizzato nelle cliniche.

È ancora più difficile prevedere quando appariranno nelle cliniche i tomografi a 9,4 T. Il problema principale qui è il possibile riscaldamento locale dei tessuti da parte del campo RF del sensore a causa di una forte diminuzione della lunghezza d'onda. Una delle aree importanti della ricerca ingegneristica nella risonanza magnetica a campo ultra alto è la simulazione numerica dettagliata di questo effetto per garantire la sicurezza del paziente. Nonostante tale ricerca sia svolta nell'ambito di istituzioni scientifiche, il passaggio alla pratica clinica richiede ulteriori ricerche.

Come viene costruita ora la cooperazione tra il Max Planck Institute e la ITMO University? Quali risultati congiunti sei già riuscito ad ottenere?

Il lavoro procede molto bene. Ora uno studente post-laurea presso la ITMO University sta lavorando con noi. Abbiamo recentemente pubblicato un articolo in una delle principali riviste sugli sviluppi tecnici nel campo della risonanza magnetica. In questo lavoro, abbiamo confermato sperimentalmente i risultati di precedenti studi teorici per migliorare la sensibilità dei sensori RF a campo ultra alto attraverso l'uso di antenne dipolo modificate e ottimizzate. Il risultato di questo lavoro, a mio avviso, si è rivelato molto promettente.

Ora stiamo anche lavorando su molti altri articoli dedicati all'uso di metodi simili, ma per altri compiti. E recentemente Georgy ha ricevuto una borsa di studio per un viaggio in Germania. Il mese prossimo verrà da noi per sei mesi e continueremo a lavorare insieme per sviluppare ulteriormente i sensori per la risonanza magnetica.

Questa settimana hai condotto un corso speciale sul programma del master "Sistemi e dispositivi a radiofrequenza". Quali sono gli argomenti principali che hai trattato?

Il corso è dedicato alle varie caratteristiche tecniche dello sviluppo di sensori per la risonanza magnetica. Ci sono molte sottigliezze in quest'area che devi conoscere, quindi ho presentato una serie di tecniche di base che vengono utilizzate per progettare e produrre questi sensori. Inoltre, ho presentato una conferenza sui miei ultimi sviluppi. In totale, il corso prevede otto lezioni di due ore accademiche, progettate per quattro giorni. C'è anche una dimostrazione alla fine per aiutare a spiegare queste tecniche più chiaramente.

Gli studenti del Master stanno ora scegliendo la loro direzione futura, quindi penso che questo corso fornirà loro ulteriori informazioni per valutare le loro prospettive.

E se parliamo di formazione nel campo delle tecnologie MRI in generale, che tipo di conoscenze e abilità, secondo te, sono principalmente richieste oggi da tali specialisti?

Nonostante il fatto che il nostro campo sia ora diventato molto popolare e promettente per l'uso nella diagnostica clinica, non esistono corsi di ingegneria in grado di formare specialisti altamente specializzati coinvolti nella produzione di bobine per risonanza magnetica. C'era un divario. E penso che insieme possiamo semplicemente riempirlo.

Elena Menshikova

Redazione del portale di notizie