Функциональная мрт в исследованиях мозга

Функциональная мрт в исследованиях мозга thumbnail

Функциона́льная магни́тно-резона́нсная томогра́фия, функциона́льная МРТ или фМРТ (англ. Functional magnetic resonance imaging) — разновидность магнитно-резонансной томографии, которая проводится с целью измерения гемодинамических реакций (изменений в токе крови), вызванных нейронной активностью головного или спинного мозга. Этот метод основывается на том, что мозговой кровоток и активность нейронов связаны между собой. Когда область мозга активна, приток крови к этой области также увеличивается[1].

фМРТ позволяет определить активацию определенной области головного мозга во время нормального его функционирования под влиянием различных физических факторов (например, движение тела) и при различных патологических состояниях.

На сегодняшний день это один из самых активно развивающихся видов нейровизуализации. С начала 1990-х годов функциональная МРТ стала доминировать в области визуализации процессов головного мозга из-за своей сравнительно низкой инвазивности, отсутствия воздействия радиации и относительно широкой доступности.

Функциональная магнитно-резонансная томография

История[править | править код]

В конце 19-го века Анджело Моссо изобрел аппарат «баланс человеческой циркуляции», который мог неинвазивными способами измерять перераспределение крови во время эмоциональной и интеллектуальной деятельности. Хотя аппарат был упомянут в работах Вильяма Джеймса, детали, точные разработки и данные о проведенных экспериментах долгое время оставались неизвестными до недавнего открытия исходного документа и отчетов Моссо Стефаном Сандро и его коллегами.[2] Рукописи Моссо не дают прямого доказательства того, что «баланс» в действительности был в состоянии измерить изменения мозгового кровотока в результате когнитивной деятельности, однако современная репликация аппарата, выполненная Дэвидом Филдом[3] в настоящее время, используя современные методы обработки сигналов, недоступные Моссо, показывает, что устройство могло обнаружить изменения в объеме кровотока головного мозга в результате когнитивной деятельности.

В 1890 году в университете Кембриджа Чарльз Рой и Чарльз Шеррингтон впервые экспериментально связали работоспособность мозга с кровотоком.[4] Следующим шагом в проблеме, как измерить кровоток мозга, было открытие Линуса Полинга и Чарльза Кореля в 1936 году. Открытие заключалось в том, что кровь, богатая кислородом с , слабо отталкивалась магнитными полями, в то время как кровь, обеднённая кислородом с , притягивалась магнитными полями, хотя меньше, чем ферромагнитные материалы, такими как железо. Сэйдзи Огавой из Белл Лабс было признано, что это свойство может быть использовано для усиления сигнала МРТ, так как различные магнитные свойства и вызовет заметные изменения в МРТ сигнале, вызванные кровотоком в активированные области мозга. БОЛД (зависимость уровня кислорода) — это МРТ контраст открытый Огавой в 1990 году. В фундаментальных исследованиях 1990 года, основанных на работах Тулборна и др., Огава и его коллеги изучали грызунов под воздействием сильного магнитного поля. Чтобы управлять уровнем кислорода в крови, они меняли содержание кислорода в воздухе, которым дышали животные. Как только доля кислорода падала, на МРТ появлялась карта кровотока.  Они проверили это путём размещения пробирок с кровью, богатой кислородом, и венозной кровью, а затем созданием отдельных изображений. Чтобы показать эти изменения кровотока, связанные с функциональной активностью мозга, они изменили состав воздуха, которым дышали крысы, и просмотрели их одновременно с мониторингом активности мозга на ЭЭГ.[5]

Физиология[править | править код]

Мозг функционально не предназначен для хранения глюкозы — основного источника энергии. Однако, для активации нейронов и действия ионных насосов, которые обуславливают нормальное функционирование мозга, нужна энергия, получаемая из глюкозы. Энергия из глюкозы поступает за счёт кровотока. Вместе с кровью в результате расширения кровеносных сосудов также транспортируются кислородосодержащие молекулы гемоглобина в красных кровяных клетках. Изменение кровотока локализуется в пределах 2 или в области нейронной активности. Обычно увеличение концентрации кислорода больше, чем кислорода, израсходованного на сжигание глюкозы (на данный момент не определено, окисляется ли вся глюкоза), и это приводит к общему снижению гемоглобина. При этом изменяются магнитные свойства крови, препятствуя её намагничиванию, что впоследствии ведет к созданию индуцированного МРТ процесса.[6]

Кровоток мозга неравномерно зависит от потребляемой глюкозы в разных областях мозга. Предварительные результаты показывают, что в некоторых областях мозга приток крови больше того уровня, который бы соответствовал потреблению. Например в таких областях, как в миндалине, базальных ганглиях, таламусе и поясной коре, которые набираются за быстрый отклик. В областях, которые имеют более совещательный характер, таких как боковая, лобной и латеральной париетальных долей, наоборот, исходя из наблюдений, следует вывод, что входящий поток меньше расхода. Это сильно влияет на чувствительность.[7]

Гемоглобин отличается тем, как он реагирует на магнитные поля, в зависимости от того, имеет ли он привязку к молекуле кислорода. Молекула гемоглобина лучше реагирует на действие магнитного поля. Следовательно, она искажает окружающее её магнитное поле, индуцированного магнитно-резонансного сканера, вызывая потерю намагниченности ядер быстрее через период полураспада. Таким образом, сигнал МРТ лучше в тех областях мозга, где кровь сильно насыщается кислородом и меньше, где кислорода нет. Этот эффект возрастает, как квадрат напряженности магнитного поля. У фмрт-сигнала, следовательно, проявляется необходимость в сильном магнитном поле (1.5 Т и выше) и последовательности импульсов, таких как ЭПИ, которая чувствительна к периоду полураспада.[8]

Читайте также:  Мрт и его значение для развития мирового хозяйства

Физиологическая ответная реакция кровотока во многом определяет временную чувствительность, то есть насколько точно мы можем измерить период активности нейронов и в какое именно время они активны, отмечая BOLD (Визуализация, зависящая от уровня кислорода в крови) фМРТ. Основным временным параметрическим разрешением является — ТР, который диктует, как часто определенный кусочек мозга возбуждается и теряет свою намагниченность. Трс может варьироваться от очень коротких (500 мс) до очень длинных (3 сек). Для фмрт в частности, гемодинамическая реакция длится более 10 секунд, поднявшись мультипликативно с пиком на 4 до 6 секунд, а затем падает мультипликативно. Изменения в системе кровотока, сосудистая система, интеграция ответных реакций нейронной активности с течением времени. Так как данная ответная реакция представляет собой гладкую непрерывную функцию, отбора проб. Больше точек на кривой отклика можно получить путём простой линейной интерполяции в любом случае. Экспериментальные парадигмы могут улучшить временное разрешение, но уменьшат число эффективных точек данных, полученных экспериментальным путём.[9]

Гемодинамическая ответная реакция зависимости уровня кислорода в крови (ЗУКВ)[править | править код]

Изменение МР сигнала от нейронной активности называется гемодинамической ответной реакцией (ГО). Она может задерживать нейронные события на 1-2 секунды, в связи с тем, что сосудистая система достаточно долго реагирует на потребность мозга в глюкозе. С этого момента она обычно достигает пика примерно через 5 секунд после стимуляции (в данном случае имеется в виду внедрение глюкозы). Если нейроны продолжают активную деятельность от непрерывного стимула, пик распространяется на плоском плато, в то время как нейроны остаются активными. После остановки активности ЗУКВ сигнал падает ниже исходного уровня, базового, что называют «отклонением от номинала». С течением времени сигнал восстанавливается до базового уровня. Есть некоторые доказательства того, что непрерывные метаболические требования в области мозга способствуют отклонению от номинала.[4]

Механизму, с помощью которого нервная система обеспечивает обратную связь с сосудистой системой, необходимо больше глюкозы, в том числе, частично высвобожденной из глутамата в рамках запуска нейронов. Глутамат влияет на ближайшие опорные клетки, астроциты, вызывая изменение концентрация ионов кальция. Это, в свою очередь, высвобождает оксид азота в точке контакта астроцитов и средних кровеносных сосудов, артериол. Оксид азота является вазодилататором, вызывая расширения артериол и привлечение к себе большего объема крови.[5]

Ответный сигнал одного вокселя в течение периода времени называется timecourse. Как правило, нежелательный сигнал, называемый шумом, со сканера, беспорядочной деятельности, помех и аналогичных элементов соизмерим с величиной полезного сигнала. Чтобы устранить данные шумы, фмрт исследования повторяют несколько раз.[10]

Пространственное разрешение[править | править код]

Пространственное разрешение фМРТ исследований определяется, как способность оборудования различать границы мозга и близлежащие места. Она измеряется размером вокселей, как в МРТ. Воксель — это трехмерный прямоугольный параллелепипед, размеры которого определяются толщиной среза, площадь среза, и сетки, наложенные на срез путём сканирования. При полном исследовании мозга используются более крупные воксели, а те, которые специализируются на конкретных регионах, представляющие интерес, как правило, используют меньшие размеры. Размеры варьируются от 4-5 мм до 1 мм. Таким образом размеры вокселей напрямую зависят от области измерения. Вместе с тем время сканирования напрямую увеличивается с увеличением количества вокселей, зависящих от среза и количества срезов. Это может привести к дискомфорту для субъекта внутри сканера и к потере намагниченности сигнала. Вокселя, как правило, содержат несколько миллионов нейронов каждый и десятки миллиардов синапсов.[11]

Сосудистая артериальная система, которая поставляет свежую кровь, насыщенную кислородом, разветвляется на меньшие и меньшие сосуды, которые входят в поверхностные участки мозга и в его внутренние структуры. Кульминацией является соединения капилляров внутри мозга. Дренажные системы, точно так же, сливается в более крупные и крупные вены, которые уносят кровь с низким содержанием кислорода. Гемоглобин вносит свой вклад в фмрт-сигнал от обоих капилляров вблизи зоны деятельности крупных и дренирующих вен Для хорошего пространственного разрешения, сигнал от крупных вен должен быть подавлен, поскольку она не соответствует площади участка нейронной активности. Это может быть достигнуто либо с помощью сильного постоянного магнитного поля или с помощью спин-Эхо последовательности импульсов. Вместе с этим фмрт может изучить пространственный диапазон от миллиметров до сантиметров, и можно, следовательно, определить Brodmann областях (centimers), подкорковых ядер, таких как хвостатые, скорлупа и таламус, гиппокамп, такие как объединенные зубчатой извилиной/СА3, СА1, и subiculum.[3]

Временное разрешение[править | править код]

Временное разрешение — это наименьший период времени нейронной активности который с высокой точностью можно определить с помощью фмрт.

Временное разрешение зависит от возможностей мозга обрабатывать данные за определенное время, находясь в различных ситуациях. Например, в широком диапазоне задается визуальная система обработки. То, что глаз видит, регистрируется на фоторецепторах сетчатки в пределах миллисекунд. Данные сигналы доходят до первичной зрительной коры через таламус за десятки миллисекунд. Активность нейронов, связанных с актом видения длится чуть больше 100 мс. Быстрые реакции, такие как резкий поворот, чтобы избежать аварии, занимает около 200 мс. Реакция происходит приблизительно во вторую половину осознания и осмысления произошедшего. Вспоминание подобного события может занять несколько секунд, и эмоциональные или физиологические изменения, такие как страх, возбуждение могут длиться минуты или часы. Распознавание лиц, событий могут длиться дни, месяцы или годы. Большинство экспериментов фмрт исследований процессов мозга, длящиеся несколько секунд, с исследованием, проведенным в течение нескольких десятков минут. Изменение психо-эмоционального состояния может изменить поведение субъекта и его когнитивные процессы.[9]

Читайте также:  Мрт головного мозга с контрастом что это значит

Линейное дополнение от многократной активации[править | править код]

Когда человек выполняет две задачи одновременно, ответная реакция ЗУКВ, как ожидается, добавляется линейно. Это фундаментальное предположение многих фмрт исследований. Линейное дополнение означает отдельное масштабирование каждого интересующего процесса и их последующего суммирования. Поскольку масштабирование — это просто умножение на постоянное число, это означает, что событие, которое вызывается, скажем, два раза в нейронных реакциях могут быть смоделированы, как определенное событие представленное два раза одновременно.[2]

См. также[править | править код]

  • ФМРТ как метод нейровизуализации

Примечания[править | править код]

  1. ↑ Logothetis, N. K.; Pauls, Jon; Auguth, M.; Trinath, T.; Oeltermann, A. (July 2001). «A neurophysiological investigation of the basis of the BOLD signal in fMRI». Nature. 412 (6843): 150–157. doi:10.1038/35084005. PMID 11449264. Our results show unequivocally that a spatially localized increase in the BOLD contrast directly and monotonically reflects an increase in neural activity.
  2. 1 2 Huettel, S. A.; Song, A. W.; McCarthy, G. Functional Magnetic Resonance Imaging. — Massachusetts. — Sinauer, 2009. — С. 229-237. — ISBN 978-0-87893-286-3.
  3. 1 2 Carr, V. A.; Rissman, J.; Wagner, A. D. «Imaging the medial temporal lobe with high-resolution fMRI». — 11 February 2010. — С. 298-308.
  4. 1 2 Huettel, S. A.; Song, A. W.; McCarthy, G. Functional Magnetic Resonance Imaging. — Massachusetts. — Sinauer, 2009. — С. 208-214. — ISBN 978-0-87893-286-3.
  5. 1 2 Ogawa, S.; Sung, Y. «Functional Magnetic Resonance Imaging». — Scholarpedia 2. — 2007.
  6. Huettel, S. A.; Song, A. W.; McCarthy, G. Functional Magnetic Resonance Imaging. — Massachusetts. — Sinauer, 2009. — С. 6-7. — ISBN 978-0-87893-286-3.
  7. Huettel, S. A.; Song, A. W.; McCarthy, G. Functional Magnetic Resonance Imaging. — Massachusetts. — Sinauer, 2009. — С. 199. — ISBN 978-0-87893-286-3.
  8. Huettel, S. A.; Song, A. W.; McCarthy, G. Functional Magnetic Resonance Imaging. — Massachusetts. — Sinauer, 2009. — С. 194. — ISBN 978-0-87893-286-3.
  9. 1 2 Huettel, S. A.; Song, A. W.; McCarthy, G. Functional Magnetic Resonance Imaging. — Massachusetts. — Sinauer, 2009. — С. 220-229. — ISBN 978-0-87893-286-3.
  10. Huettel, S. A.; Song, A. W.; McCarthy, G. Functional Magnetic Resonance Imaging. — Massachusetts. — Sinauer. — С. 243-245. — ISBN 978-0-87893-286-3.
  11. Huettel, S. A.; Song, A. W.; McCarthy, G. Functional Magnetic Resonance Imaging. — Massachusetts. — Sinauer, 2009. — С. 214-220. — ISBN 978-0-87893-286-3.

Эта статья или раздел содержит незавершённый перевод с иностранного языка.

Вы можете помочь проекту, закончив перевод. Если вы знаете, на каком языке написан фрагмент, укажите его в этом шаблоне.

Источник

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) — методика МРТ, которая измеряет гемодинамический ответ (изменение кровотока), связанный с активностью нейронов. фМРТ не позволяет увидеть электрическую активность нейронов напрямую, а делает это опосредованно, благодаря феномену нейроваскулярного взаимодействия. Данный феномен представляет собой региональное изменение кровотока в ответ на активацию близлежащих нейронов, поскольку при усилении их активности они нуждаются в большем количестве кислорода и питательных веществ, приносимых с током крови.

Основные принципы фМРТ. фМРТ является методикой нейровизуализации, использующей окси-гемоглобин и дезокси-гемоглобин в кровеносных сосудах как эндогенный контрастный агент. При этом используется принцип BOLD-контрастности (blood oxygenation leveldependent contrast — контрастность, зависящая от степени насыщения крови кислородом), открытый Seiji Ogawa в 1990 году. BOLD-контраст — это различие МР-сигнала на изображениях c использованием градиентных последовательностей в зависимости от процентного содержания дезоксигемоглобина. Методика BOLD- фМРТ заключается в следующем: повышение нейрональной активности вызывает местное увеличение потребления кислорода. Это ведет к увеличению уровня парамагнетика дезоксигемоголобина, который снижает уровень сигнала фМРТ. Но через несколько секунд нейрональная активность вызывает также увеличение церебрального кровотока и объема крови, что ведет к увеличению притока артериальной крови и, следовательно, к увеличению оксигемоглобина, который повышает уровень сигнала фМРТ. По неизвестным пока причинам количество оксигенированной крови, которая поступает в ответ на активность нейронов, сильно превышает метаболитическое потребление кислорода. Эта, своего рода, сверхкомпенсация оксигемоглобина ведет к изменению в соотношении оксигемоглобина и дезоксигемоглобина, что измеряется и является основой для BOLD- фМРТ сигнала.

Читайте также:  Что за процедура мрт позвоночника

Существуют два основных метода проведения фМРТ: [1] с измерением функциональной активности коры головного мозга при выполнении определенного задания по сравнению с его активностью в покое/с контрольным заданием (так называемая task-fMRI); [2] с измерением функциональной активности коры головного мозга в покое (так называемая resting state fMRI — RS-fMRI).

При проведении фМРТ-исследования с выполнением определенной парадигмы, задания, которые выполняет испытуемый, могут быть различными: двигательными, зрительными, когнитивными, речевыми и т.д. После проведения фМРТ полученные функциональные данные подвергаются статистическому анализу. Результатом является информация о зонах активации в виде цветных карт, наложенных на анатомические данные, и те же самые данные могут быть представлены в цифровом формате с указанием статистической значимости зоны активации, ее объема и координат ее центра в стереотаксическом пространстве. Однако в последние 10 лет всё больший интерес исследователей привлекает методика фМРТ покоя (фМРТп). Принцип ее действия остается таким же, как и при классической фМРТ (task-fMRI). Единственным отличием является отсутствие при фМРТп каких-либо парадигм (т.е. активных заданий или воздействий, предъявляемых пациенту). Во время проведения фМРТп обследуемый субъект находится в МР-томографе в состоянии покоя, ему даются инструкции максимально расслабиться и не думать о чем-либо конкретном. В различных работах встречаются разные взгляды относительно того, нужно ли обследуемому субъекту закрывать глаза или нет. Сторонники оставления глаз открытыми аргументируют свою позицию тем, что это предотвращает засыпание субъекта.

В каких же случаях проводят фМРТ?

Во-первых, в чисто научных целях: это исследование работы нормального мозга и его функциональной асимметрии. Данная методика возродила интерес исследователей к картированию функций головного мозга: не прибегая к инвазивным вмешательствам можно увидеть, какие зоны головного мозга отвечают за тот или иной процесс. Пожалуй, наибольший прорыв был сделан в понимании высших когнитивных процессов, включая внимание, память и исполнительные функции. Подобные исследования позволили применять фМРТ в практических целях, далеких от медицины и нейронаук (в качестве детектора лжи, при маркетинговых исследованиях и др.).

Во-вторых, фМРТ начинает активно применяться в практической медицине, в частности, для предоперационного картирования основных функций (двигательных, речевых) перед нейро-хирургическими вмешательствами по поводу объемных образований головного мозга или некурабельной эпилепсии. Как правило, оценивают моторные зоны для рук и ног, языка, а также речевые зоны — Брока и Вернике: их наличие, расположение относительно очага поражения, наличие гомологов в здоровом полушарии, компенсаторное усиление активации в противоположном полушарии большого мозга или вторичных зонах. Эта информация помогает нейрохирургам оценить риск послеоперационного неврологического дефицита, выбрать наиболее удобный и наименее травматичный доступ, предположить объем резекции.

В-третьих, исследователи также пытаются внедрить фМРТ в рутинную клиническую практику при различных неврологических и психических заболеваниях. Основной целью многочисленных работ в данной области является оценка изменения функционирования мозга в ответ на повреждение того или иного его участка — выпадение и (или) переключение зон, их смещение и т.п., а также динамическое наблюдение перестройки зон активации в ответ на проводимую медикаментозную терапию и (или) реабилитационные мероприятия. В конечном счете, фМРТ-исследования, проводимые на больных различных категорий, могут помочь определить прогностическое значение различных вариантов функциональной перестройки коры для восстановления нарушенных функций и выработать оптимальные алгоритмы лечения.

Дополнительная информация по теме фМРТ:

статья «Передовые технологии нейровизуализации» М.А. Пирадов, М.М. Танашян, М.В. Кротенкова, В.В. Брюхов, Е.И. Кремнева, Р.Н. Коновалов; ФГБНУ «Научный центр неврологии» (журнал «Анналы клиничес-кой и экспериментальной неврологии» №4, 2015) [читать];

статья «Функциональная магнитно-резонансная томография» Е.И. Кремнева, Р.Н. Коновалов, М.В. Кротенкова; Научный центр неврологии РАМН, Москва (журнал «Анналы клинической и эксперименталь-ной неврологии» №1, 2011) [читать];

статья «Применение функциональной магнитно-резонансной томографии в клинике» Беляев А., Пек Кюнг К., Бреннан Н., Холодный А.; Онкологический центр «Мемориал Слоан-Кеттеринг», лаборатория функциональной МРТ, отделение радио-логии, г. Нью-Йорк, США (Russian electronic journal of radiology, №1, 2014) [читать];

статья «Функциональная магнитно-резонансная томография покоя: новые возможности изучения физиологии и патологии мозга» Е.В. Селиверстова, Ю.А. Селиверстов, Р.Н. Коновалов, С.Н. Иллариошкин ФГБУ «Научный центр неврологии» РАМН, Москва (журнал «Анналы клинической и экспериментальной неврологии» №4, 2013) [читать];

статья «Функциональная магнитно-резонансная томография покоя: возможности и будущее метода» Ю.А. Селивёрстов, Е.В. Селивёрстова, Р.Н. Коновалов, М.В. Кротенкова, С.Н. Иллариошкин, Научный центр неврологии РАМН, Москва (Бюллетень Национального общества по изучению болезни Паркинсона и расстройств движений, №1, 2014) [читать];

статья «Функциональная магнитно-резонансная томография и нейронауки» М.Б. Штарк, А.М. Коростышевская, М.В. Резакова, А.А. Савелов; Институт молекулярной биологии и биофизики СО РАМН, г. Новосибирск; Институт «Международный томографический центр» СО РАН, г. Новосибирск; НПФ «Компьютерные системы биоуправления», г. Новосибирск (журнал «Успехи физиологических наук», №1, 2012) [читать]

Источник