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Mapping the Hierarchy of Functional Gait Disorders
On April 20th, I obtained my Master’s degree in Bioengineering for Neuroscience, defending a research thesis supervised by Prof. Mattia Veronese and Dr. Manuela Moretto.
This achievement represents for me not only the conclusion of an academic journey, but also an important experience of personal and professional growth.
During my thesis work, among code, plots, and brain images, I had the opportunity to apply what I had learned throughout my studies, immersing myself in a field that has fascinated me since the beginning of my academic path. I thus developed practical skills in the analysis of functional magnetic resonance imaging (fMRI) data and faced complex and stimulating challenges.
The thesis arises from the need to address some limitations in the literature on Functional Gait Disorders (FGD). In many previous studies, heterogeneous cohorts of patients with functional movement disorders are often considered, including different phenotypes, or traditional resting-state functional MRI (rs-fMRI) approaches limited to local synchronisation analyses. Moreover, there is still a lack of a quantitative biomarker capable of objectively describing this disorder, making it difficult to obtain a comprehensive and measurable understanding of the condition.
Therefore, my work focused on FGD, analysing a clinically homogeneous group of patients and comparing them with healthy controls, to investigate alterations in brain connectivity at multiple levels.
To this end, I adopted a multi-level approach combining different methodologies, including a voxel-wise seed-based analysis, a network-level connectivity analysis, and the study of functional gradients, which allow the hierarchical organization of the cerebral cortex to be described. The analysis was conducted on rs-fMRI data acquired from 15 patients with FGD and 15 healthy controls, collected at the University Hospital of Verona. The data were analysed both at the level of specific regions of interest and using the Schaefer parcellation. Within this framework, particular attention was dedicated to Gradient Distance, a metric useful for describing the hierarchical organization of brain connectivity. A particularly interesting aspect was the analysis of correlations between this parameter and clinical variables such as anxiety, depression, and alexithymia, to assess their potential relevance in the context of the disorder.
The results suggest that FGD is mainly characterised by a reduction in functional segregation and a compression of cortical hierarchy, rather than by focal alterations in specific brain regions. The multi-level approaches I used emerged, therefore, as promising tools for a more objective characterisation of the disorder and, in the future, for supporting the development of more targeted diagnostic and therapeutic strategies.
The discussion with the physicians involved in the study was particularly enriching, allowing me to go beyond the data and gain a deeper understanding of the clinical complexity of the disorder and the real impact that my research could have on patients.
This project was not only an opportunity to deepen my understanding of advanced analytical tools and methodologies, but also a complex challenge that allowed me to contribute, in my own small way, to a broader understanding of FGD.
Today, I see this experience as a key milestone and, at the same time, as a starting point. I carry with me technical skills, a critical perspective, and a new awareness in facing complex challenges, elements that will form the foundation for my next steps in bioengineering. A sincere thank you goes to my supervisors and to all the people I met along this journey; your support and shared enthusiasm have been invaluable.
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Il 20 aprile ho conseguito la laurea magistrale in Bioingegneria per le Neuroscienze, discutendo una tesi di ricerca svolta sotto la supervisione del Prof. Mattia Veronese e della Dr. Manuela Moretto.
Questo traguardo rappresenta per me non solo la conclusione di un percorso accademico, ma anche un’importante esperienza di crescita personale e professionale.
Durante il lavoro di tesi, tra codici, grafici e immagini cerebrali, ho avuto l’opportunità di mettere in pratica quanto appreso negli anni di studio, immergendomi in un ambito che mi ha appassionato fin dall’inizio del mio percorso. Ho sviluppato competenze pratiche nell’analisi di dati di risonanza magnetica funzionale e mi sono confrontata con problemi complessi e stimolanti.
La tesi nasce dall’esigenza di superare alcuni limiti presenti nella letteratura scientifica sui disturbi funzionali del cammino (Functional Gait Disorder, FGD). In molti studi precedenti, infatti, vengono spesso considerati campioni eterogenei di pazienti con disturbi funzionali del movimento, che includono diversi fenotipi, oppure approcci tradizionali di risonanza magnetica funzionale a riposo (rs-fMRI), limitati a sincronizzazioni locali. Inoltre, manca ancora un biomarcatore quantitativo in grado di descrivere in modo oggettivo questo disturbo, rendendo difficile averne una visione complessiva e misurabile.
Per questo, il mio lavoro si è concentrato sull’FGD, analizzando un gruppo clinicamente omogeneo di pazienti e confrontandolo con controlli sani, con l’obiettivo di studiare le alterazioni della connettività cerebrale a diversi livelli.
A questo scopo ho utilizzato un approccio multi-livello che combina diverse metodologie, tra cui un’analisi seed-based voxel-level, un’analisi di connettività su scala di network e lo studio dei gradienti funzionali, che permettono di descrivere l’organizzazione gerarchica della corteccia cerebrale. L’analisi è stata condotta su dati rs-fMRI acquisiti in 15 pazienti con FGD e 15 controlli sani, raccolti presso l’Ospedale Universitario di Verona. Le analisi sono state effettuate sia a livello di specifiche regioni di interesse sia utilizzando la parcellazione di Schaefer. All’interno di questo framework, particolare attenzione è stata dedicata alla Gradient Distance, un indice utile a descrivere l’organizzazione gerarchica della connettività cerebrale. Un aspetto particolarmente interessante è stato lo studio delle correlazioni tra questo parametro e alcune variabili cliniche, come ansia, depressione e alessitimia, per valutarne la possibile rilevanza nel contesto del disturbo.
I risultati suggeriscono che l’FGD è caratterizzato principalmente da una riduzione della segregazione funzionale e da una compressione della gerarchia corticale, più che da alterazioni circoscritte a specifiche aree. In quest’ottica, gli approcci multi-livello che ho utilizzato si rivelano strumenti promettenti per una caratterizzazione più oggettiva del disturbo e, in prospettiva, per supportare lo sviluppo di strategie diagnostiche e terapeutiche più mirate.
Il confronto con i medici coinvolti nello studio è stato particolarmente arricchente, mi ha permesso di andare oltre i dati, comprendendo meglio la complessità clinica del disturbo e il valore concreto che questo tipo di ricerca può avere sui pazienti.
Questo progetto non è stato solo un’occasione per approfondire strumenti e metodologie di analisi avanzata, ma una sfida complessa che mi ha permesso di contribuire, nel mio piccolo, a una visione più ampia dei disturbi funzionali del cammino.
Oggi vedo questa esperienza come un traguardo fondamentale e, allo stesso tempo, come un punto di partenza. Porto con me competenze tecniche, uno sguardo critico e una nuova consapevolezza nell’affrontare sfide complesse, elementi che saranno la base per i miei prossimi passi nel campo della bioingegneria. Un ringraziamento sincero va ai miei supervisori e a tutte le persone incontrate lungo questo percorso: il vostro supporto e l’entusiasmo condiviso sono stati preziosi.
Eleonora
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Bioengineering and Nuclear Medicine: data science in the service of clinical decision-making
On April 20, on the same day as Eleonora, I obtained my Master’s degree in Bioengineering, completing my research project developed under the supervision of Prof. Mattia Veronese and Dr. Stefano Pasetto. The project was carried out at IRCCS Sacro Cuore Don Calabria, in the Medical Physics unit led by Dr. Severi and within the Nuclear Medicine department led by Dr. Salgarello. This experience allowed me to immerse myself daily in the hospital environment, working closely with a multidisciplinary team composed of nuclear medicine physicians, medical physicists, and technicians.
The core of my project was the optimization of the internal dosimetry protocol in radioligand therapy (RLT), a frontier of precision oncology that uses radiopharmaceuticals to selectively target tumor sites. Internal dosimetry plays a crucial role in this context, as it enables monitoring of how the drug distributes and accumulates in different regions of interest through SPECT/CT acquisitions performed at various time intervals.
The challenge posed by the department arose from a very concrete logistical need: to verify whether it would be possible to move from the standard protocol—requiring two imaging sessions at 24 and 96 hours with patient hospitalization—to a Day Hospital regimen that would bring forward the first imaging session to just 4 hours after administration.
To address this question, I simulated and compared both protocols—the standard one and the early time-point one—by constructing multiple scenarios using Monte Carlo simulations, which allowed me to assess their accuracy and robustness. The aim was to provide the department with a solid scientific basis on which to ground an organizational decision with a tangible impact on both the facility and the patient.
The results showed that, although the ideal timing for acquiring the first time point theoretically lies between 8 and 12 hours, this window is not logistically feasible for the department’s organization. At the same time, the analysis highlighted that the early 4-hour protocol does not ensure the necessary statistical reliability when compared to the standard 24-hour protocol, which therefore remains the best possible compromise. Thus, starting from a real clinical question, the data analysis made it possible to confidently discard a potentially less robust procedure, scientifically validating the effectiveness of the protocol already in place.
Taking part in such a concrete project allowed me to engage in research with a clear purpose, within a niche field such as internal dosimetry, where nuclear medicine and particle physics intersect. Close collaboration with professionals from different areas was an extraordinary opportunity for growth: it taught me to approach clinical problems from multiple perspectives and to integrate different viewpoints into my work. It was an honour to contribute my bioengineering expertise, transforming data into a solid tool to support clinical decision-making.
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Il 20 aprile, lo stesso giorno di Eleonora, ho conseguito la laurea magistrale in Bioingegneria, concludendo un percorso di ricerca sviluppato sotto la supervisione del Prof. Mattia Veronese e del Dott. Stefano Pasetto. Ho svolto il mio lavoro di tesi presso l’IRCCS Sacro Cuore Don Calabria, presso il servizio di Fisica Sanitaria guidato dalla Dott.ssa Severi e nel reparto di Medicina Nucleare guidato dal Dott. Salgarello. Questa esperienza mi ha permesso di immergermi quotidianamente nell’ambiente ospedaliero, lavorando a stretto contatto con un team multidisciplinare composto da medici nucleari, fisici sanitari e tecnici.
Il cuore del mio progetto è stata l’ottimizzazione del protocollo di dosimetria interna nella terapia a radioligandi (RLT), una frontiera dell’oncologia di precisione che utilizza radiofarmaci per colpire selettivamente il bersaglio tumorale.
La dosimetria interna gioca un ruolo cruciale in questo contesto, poiché permette di monitorare come il farmaco si distribuisce e si accumula nelle diverse regioni di interesse attraverso acquisizioni SPECT/CT effettuate a vari intervalli temporali. La sfida lanciata dal reparto nasceva da una necessità logistica molto concreta: verificare se fosse possibile passare dal protocollo standard, che prevede l’acquisizione di due immagini a 24 e 96 ore con ospedalizzazione del paziente, a un regime di Day Hospital che anticipasse la prima immagine a sole 4 ore dopo la somministrazione.
Per rispondere a questo interrogativo, ho simulato e confrontato entrambi i protocolli—quello standard e quello con timepoint precoce—costruendo molteplici scenari mediante simulazioni Monte Carlo, che ne hanno permesso di valutare l’accuratezza e la robustezza. L’obiettivo era fornire al reparto una base scientifica solida su cui fondare una scelta organizzativa con un impatto concreto sia sulla struttura sia sul paziente.
Dai risultati è emerso che, sebbene il momento ideale per l’acquisizione del primo timepoint si collochi teoricamente tra le 8 e le 12 ore, tale finestra non risulta logisticamente infattibile per l’organizzazione del reparto. Parallelamente, l’analisi ha evidenziato che il protocollo precoce a 4 ore non garantisce la necessaria affidabilità statistica se confrontato con quello standard a 24 ore, che si conferma dunque come il miglior compromesso possibile. Quindi, partendo da una domanda clinica reale, l’analisi dei dati ha permesso di scartare con certezza una procedura potenzialmente meno robusta, validando scientificamente l’efficacia del protocollo già in atto.
Prendere parte a un progetto così concreto mi ha permesso di dedicarmi alla ricerca con uno scopo chiaro, in un ambito di nicchia come la dosimetria interna, dove medicina nucleare e fisica delle particelle si incontrano. La stretta collaborazione con professionisti di diverse aree è stata una straordinaria opportunità di crescita: mi ha insegnato ad affrontare il problema clinico da più prospettive e a integrare visioni differenti nel mio lavoro. È stato un onore poter offrire il mio contributo bioingegneristico, trasformando i dati in uno strumento solido a supporto delle scelte cliniche.
