Monitorare in modo non invasivo l’attività cerebrale del feto è ora possibile grazie alla magnetoencefalografia fetale

La ricerca neurofisiologica si è mossa sempre di più verso lo studio del cervello in utero, facendo forza sulla potenza di questa tecnica totalmente non invasiva e completamente innocua sia per il feto che per la mamma. L’innovazione di questa tecnica è la capacità di monitorare in modo non-invasivo l’attività cerebrale del feto e rappresenta una svolta nella ricerca neonatale. Infatti poter comprendere e studiare la vita cerebrale del feto vuol dire muoversi sempre di più in una direzione di “tutela della salute” sia per il futuro bambino che per la mamma.

SARA: dispositivo utilizzato nella MEG fetale

Nel 2000 è stato installato, presso l’Università delle Scienze Mediche di Arkansas, il primo dispositivo dedicato esclusivamente alle registrazioni fetali e neonatali. L’innovativo dispositivo multicanale, composto da 151 array di sensori, prende il nome di “SARA” (Squid Array for Reproductive Assessment). Gli SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) sono dispositivi superconduttori usati per misurare campi magnetici poco intensi, quindi particolarmente adatti per i deboli campi magnetici generati dal cervello fetale.

Durante la registrazione, la mamma si appoggia in avanti su una struttura curva, che acquisisce i segnali da tutto l’addome. Il campo magnetico terrestre (di gran lunga maggiore rispetto ai segnali prodotti dal feto) ed i rumori ambientali provocano una distorsione nella rilevazione; per far fronte a questo problema e per acquisire l’attività corticale senza artefatti, il dispositivo è inserito in una camera schermata magneticamente. Sono altresì presenti altre fonti di rumore che si sovrappongono al segnale utile, come il battito del cuore e il movimento della respirazione della mamma, i quali devono essere opportunamente filtrati.

Tipologia di stimoli applicati e risposte ottenute

Con SARA, l’attenzione è rivolta allo studio delle risposte corticali del cervello fetale dopo l’applicazione di stimoli uditivi e visivi. La stimolazione uditiva è eseguita utilizzando uno speaker, situato fuori dalla stanza schermata e trasmesso all’addome materno attraverso tubi di plastica. I parametri di stimolazione acustica utilizzati sono: durata dello stimolo che va da 100 a 500 ms a frequenza di 500-1000 Hz e il livello sonoro di 100-120 dB registrato sopra l’addome. Il tempo di latenza (intervallo di tempo che trascorre tra lo stimolo e la reazione ad esso) è tra 200-300 ms nell’età gestazionale di 30-35 GA e 100-200 ms per 35-40 GA. Lo stimolo luminoso, invece,  è trasmesso al feto attraverso l’addome della madre, al quale arriva con un canale a fibra ottica. La sorgente luminosa, un array di diodi ad emissione (LED), è situata al di fuori della stanza schermata ed emette la luce nella gamma di lunghezze d’onda 630-670 nm (range ottimale per i tessuti biologici).

Rapporto tra lo sviluppo fisiologico e le risposte corticali ottenute

Da un punto di vista fisiologico, le risposte evocate dipendono dalla densità e dallo sviluppo corticale delle sinapsi, che definiscono l’attività corticale, particolarmente intensa dalle 24 settimane di età gestionale (GA) in poi. Iniziata questa fase, segue lo sviluppo del nervo uditivo (26 -29 GA) e la mielinizzazione del tronco cerebrale e delle vie uditive centrali (punto di partenza per le funzioni conoscitive basilari). Quindi, nel periodo 28-30 GA, sono presenti variazioni della risposta corticale e proprio per questo motivo la 28 GA è il punto di partenza per tutti gli studi della MEG fetale.  Il tempo di latenza, cioè l’intervallo di tempo che intercorre tra l’applicazione dello stimolo e la risposta ottenuta, è risultato essere inversamente correlato al processo di mielinizzazione: infatti all’avanzare di questo processo (che aumenta con GA) corrisponde una diminuzione del tempo di latenza.

Estrazione dell’attività fetale cardiaca e cerebrale in presenza di una fonte esterna di rumore ed interferenze interne.

(a) Disturbo esterno (b)segnale della contrazione uterina (c) segnale caridaco fetale (d)segnale cerebrale cardiaco (e) estrazione dell’attività cardiaca fetale (f) estrazione dell’attività cerebrale fetale. 

Università di Tubinga, 2015: come è stato condotto lo studio tra il metabolismo glucidico materno e l’attività celebrale fetale

La gravidanza determina un grosso impatto sul metabolismo materno, soprattutto glucidico, con l’obiettivo di assicurare un’adeguata nutrizione alla donna e al bambino. Il metabolismo glucidico riveste un ruolo centrale nel complesso meccanismo della crescita fetale, essendo il glucosio la principale fonte di energia per il feto. Avere un giusto metabolismo glucidico è per la mamma fondamentale perché il glucosio presente nel compartimento fetale determina la sintesi e la liberazione di insulina: di conseguenza, eccessi o difetti del glucosio determinano importanti modificazioni dell’accrescimento fetale.

La MEG fetale è stato lo strumento per cui, nel 2015, i ricercatori dell’Università di Tubinga (in Germania) hanno dimostrato che il metabolismo glucidico materno influenza la risposta del cervello fetale. Dallo studio, pubblicato nel Journal of Clinical Endicrinology & Metabolism, è stato dedotto che, quando le madri consumano bevande zuccherate, i feti delle donne affette da diabete gestazionale reagiscono più lentamente agli stimoli uditivi rispetto ai feti delle madri sane e questo risultato è considerato molto rilevante perché mai prima era stato studiato e capito come il diabete materno gestazionale possa condizionare l’attività cerebrale del bambino. L’analisi è stata condotta su 40 donne incinta, di cui 12 affette da diabete gestazionale.

Le donne sono state sottoposte a digiuno notturno, alla somministrazione di una soluzione contenente 75 grammi di glucosio e alla misurazione della glicemia a digiuno e dopo una e due ore dall’assunzione della bevanda. Lo stimolo uditivo, con la MEG fetale appunto, è stato inviato ogni volta che veniva riscontrata un aumento della glicemia e si è constatato che i feti delle donne con diabete producevano una risposta più lenta rispetto ai feti delle mamme sane (in particolare la latenza era di 296 contro 206 millisecondi). I ricercatori, al termine dell’indagine, hanno affermato che questi risultati indicano che la funzione cerebrale fetale è influenzata dal metabolismo materno, e in presenza di diabete gestazionale potrebbe causare obesità e diabete nel bambino.

Risultati ottenuti ed interrogativi aperti: un’ambiziosa sfida

Utilizzando sia uno stimolo uditivo che uno stimolo visivo, si ottiene una latenza minore con l’aumentare dell’età gestionale quindi ad un cervello più maturo corrispondono risposte più rapide. Partendo da questa considerazione, un’applicazione (al momento la più accreditata) di SARA è il monitoraggio del giusto sviluppo del cervello in un feto. Riuscire ad esplicitare il legame tra il metabolismo glucidico materno e l’attività cerebrale del feto è stata una grande conquista per la MEG fetale, e sicuramente l’ambizione più grande di SARA è ampliare i campi di applicazione per riuscire a diagnosticare, prevenire ed eventualmente intervenire sul feto.

Un ultimo studio che vogliamo citare, a testimonianza dell’importanza della tecnologia MEG nel monitoraggio della gravidanza, è quello recentissimo di quest’anno (di S. Lew et al.), presente nell’edizione di dicembre 2017 di Clinical Neurophysiology, in cui la MEG viene proposta come tecnologia principe per uno studio neurofisiologico dell’intero sistema utero materno – feto, quindi per monitorare la salute e il corretto funzionamento elettrofisiologico sia dell’organo cerebrale del feto, che degli organi materni, come mostrato nella figura sottostante.

Sezioni di interesse per lo studio elettrofisiologico del sistema utero materno – feto:
(a) torso; (b) cervello del feto (blu), occhi, cuore (rosso), polmoni, stomaco, vescica; (c) utero; (d) torso con il cervello del feto, cuore del feto, utero e cuore della madre (arancione).

Si può quindi concludere che questa tecnica non invasiva di neuroimaging ha riscontrato risultati davvero considerevoli nonostante la sua introduzione relativamente recente, per cui si prospetta una sfida molto promettente dal punto di vista degli sviluppi futuri della ricerca in questo settore.

Fonti e approfondimenti:

• Sheridan C.J., Matuzb T., Draganovab R., Eswarana H. and Preissl H., 2010. Fetal Magnetoencephalography – Achievements and Challenges in the Study of Prenatal and Early Postnatal Brain Responses: A Review. Infant Child Dev . 19(1): 80–93

• Eswaran H., Lowery C.L., Wilson J.D., Murphy P, Preissl H., 2005. Fetal magnetoencephalography-a multimodal approach. Developmental Brain Research 154: 57-62

• Linder K, Schleger F., Kiefer-Schmidt I, Fritsche L., Kümmel S., Heni M., Weiss M., Häring H.U., Preissl H., Fritsche A., 2015. Gestational Diabetes Impairs Human Fetal Postprandial Brain Activity. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism. 11: 4029-4036

• S. Lew et al., Toward noninvasive monitoring of ongoing electrical activity of human uterus and fetal heart and brain, ELSEVIER