1.9: fMRI:機能的磁気共鳴画像法

機能的磁気共鳴画像法(fMRI)は、現在、ヒトの脳機能や認知機能を調べるために広く使用されている神経イメージング法です。fMRIは、正常な脳機能と異常または病気の脳状態の両方を調査するために使用できます。

この手法は、強力な磁石を利用して、ニューロンの活性化に関連する血流の変化を検出することにより、脳活動のマップを作成します。このイメージング技術は、優れた空間分解能と優れた時間分解能を持ち、注射を必要とせず、被験者を電離放射線にさらす必要がないため、非侵襲的です。

このビデオでは、fMRI信号の取得方法、基本的な実験デザイン、fMRIの取得、および基本的なデータ処理について説明します。

まず、磁気共鳴画像法の仕組みを見てみましょう。基本的には、MRI装置、または「スキャナー」ですか?は、通常1.5〜3テスラ(T)の非常に強力な電磁石で、体内の組織の磁気特性を利用して画像を作成します。

患者または研究参加者がスキャナーの外にいると、組織内の水分子に属する水素原子核が無秩序に回転します。磁場が印加されると、それらはより秩序化されます。磁場内の被験者が振動する無線周波数パルスにさらされると、回転する原子核の角度が状態から状態へと遷移し、スキャナーによって読み取られた信号を発して画像が生成されます。

機能的MRIが可能なのは、血液中のヘモグロビンが酸素と結合しているかどうかによって磁気特性が異なるためです。脱酸素化すると、「常磁性」になりますか?つまり、磁場の不均一性、または局所磁場のわずかな混乱を引き起こし、周囲の組織から得られる磁気共鳴信号を減少させます。

この現象を利用して、ニューロンの活性化に対する血流の反応に基づいて脳の活性化を測定することができます。ニューロンが発火すると、その代謝の増加により酸素化された血液が流入し、その結果、その領域の脱酸素化されたヘモグロビンの量が減少します。

これにより、不均一性が減少するため、活動ニューロンの周辺領域でより多くのシグナルが生成され、Blood Oxygenated Level Dependent(BOLD)シグナルと呼ばれます。

MRI信号のプロットは、血行動態応答関数と呼ばれ、ニューロンの活性化後に領域の信号強度が増加すると、次のようになります。

スキャナーは、血液の酸素化に敏感な画像シーケンスを使用して、この現象を画像化するように設定できます。BOLD効果のタイミングを捉えるために、脳全体の体積を数秒ごとに画像化する必要があります。

すべての科学実験と同様に、fMRIを含む実験も仮説を確立することから始まります。次に、刺激提示パターン、またはパラダイムを設計して、関心のある脳機能をテストする必要があります。設計は、長期間の刺激曝露を含む基本的なブロックパラダイムから、刺激が短時間提示され、試行の過程で間隔を空ける、より複雑なイベント関連設計までさまざまです。

実験デザインに有効な適切なスキャンパラメータも、BOLD信号に敏感なMRIシーケンスを使用して選択する必要があります。

ヒトを対象とした実験を行う前に、倫理委員会または施設内審査委員会からの承認が必要です。その後、適切な研究参加者を募集することができます。

スキャンの前に、被験者はまず MRI の安全性についてスクリーニングを受ける必要があり、心臓ペースメイキング装置の存在など、MRI の逆適応症を持つ参加者は除外する必要があります。書面によるインフォームドコンセントも取得する必要があり、すべての金属アイテムは被験者の体から取り除かれなければなりません。

次に、実験の性質と機能的なタスクの方向性を見直す必要があります。これは、被験者のパフォーマンスが堅牢な結果にとって重要であるためです。

スキャナールームでは、動きを減らすために、ヘッドコイルを頭の周りにパッドを付けて配置する前に、聴覚保護を提供する必要があります。刺激提示装置も設置する必要があります。ゴーグルやプロジェクターシステムは視覚的なプレゼンテーションによく使用されますが、他の種類の刺激伝達装置も存在します。

被写体が快適になると、スキャナーベッドがマグネットボアに送られます。次に、機能スキャンに再登録するための高解像度解剖学的スキャンを含むイメージングシーケンスが設定されます。

被験者はタスクの指示を思い出させるべきであり、機能的な獲得はタスクパラダイムの開始と同期する必要があります。正確なBOLD測定のためには、タスクのタイミングを画像取得のタイミングと一致させる必要があるため、これは非常に重要です。

スキャン中は被験者を監視し、必要に応じて追加の機能実行を実行する必要があります。最後に、被験者はスキャナーから助け出され、スキャナーベッドから出されます。

具体的な画像処理方法や使用するソフトウェアパッケージは、実験によって異なります。このビデオでは、一般的なBOLDタスクベースの処理方法について説明します。

まず、fMRデータを前処理して画像のアーティファクトを除去し、統計分析の準備をする必要があります。これには、スライス時間補正とモーション補正、および解剖学的画像への同時登録が含まれます。

グループ研究では、標準的なテンプレート空間への正規化も行われることが多いため、被験者間で脳の領域と空間座標を比較できます。

データの準備が整うと、統計分析が行われ、テストされた刺激または認知機能と相関する有意なMR信号を持つ領域が特定されます。一般線形モデルは、通常、タスクベースの実験を分析するために使用されます。このモデルは、予想される血行動態応答関数に一致する BOLD 信号が取得されたと仮定し、この機能を刺激設計に畳み込みます。

最後に、統計的な閾値を選択して結果を確認します。結果は、通常は統計的なパラメトリック マップとして表示され、色分けされたスケールを使用して、画像の統計的に有意な単位である「ボクセル」と呼ばれます。これは3Dピクセルと見なすことができます。必要に応じて、さらなる分析を行うことができます。

fMRI実験の設計、実行、解析の方法を紹介してきましたが、この手法の具体的な応用例を見てみましょう。fMRIは、「正常」を理解するために使用されます。人間の脳の機能と認知、例えば、運動、視覚、言語処理など。これらは一見基本的な機能ですが、これらの認知プロセスや他の多くの認知プロセスについては、まだ学ぶべきことがたくさんあります。

さらに、fMRIは、病気の脳状態や精神障害における脳機能を調べるために使用できます。不安障害、心的外傷後ストレス障害、自閉症、認知症など、多くの研究が盛んに行われています。

fMRIは、拡散テンソルイメージング、脳波計、脳波検査など、脳機能をさらに調査するために、他のMR技術や他のタイプのイメージングと組み合わせることもできます。脳波。。そして経頭蓋磁気刺激、または?TMSです。

また、独立成分解析や相互相関解析など、機能的結合性を調べるために使用できる静止状態fMRI解析技術もあります。

JoVEの機能的MRIに関するビデオをご覧になりました。このビデオでは、fMRI信号の取得方法、fMRI研究の基本的なデザイン、fMRIの取得、BOLD fMRデータ処理、およびアプリケーションについて説明しました。

fMRIは、ヒトの脳機能や認知の多くの側面を調査するために使用できる、堅牢で非侵襲的なイメージング技術であることを学びました。

ご覧いただきありがとうございます、実験の頑張ってください、そしてMRIの安全性が常に最優先であることを忘れないでください!