fMRI: Funkcjonalny rezonans magnetyczny

Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) jest obecnie szeroko stosowaną metodą neuroobrazowania do badania funkcji ludzkiego mózgu i funkcji poznawczych. fMRI może być używany do badania zarówno normalnej funkcji mózgu, jak i nieprawidłowych lub chorych stanów mózgu.

Metoda ta wykorzystuje silne magnesy do tworzenia map aktywności mózgu poprzez wykrywanie zmian w przepływie krwi, które są sprzężone z aktywacją neuronów. Ta technika obrazowania ma doskonałą rozdzielczość przestrzenną i czasową oraz jest nieinwazyjna, ponieważ nie wymaga iniekcji ani nie wiąże się z wystawianiem badanych na promieniowanie jonizujące.

W tym filmie omówiono, w jaki sposób uzyskuje się sygnał fMRI, podstawowy projekt eksperymentalny, akwizycję fMRI, a także podstawowe przetwarzanie danych.

Najpierw przyjrzyjmy się, jak działa rezonans magnetyczny. Zasadniczo maszyny do rezonansu magnetycznego lub "skanery" są bardzo silnymi elektromagnesami, zwykle o natężeniu 1,5 - 3 tesli (T), które wykorzystują właściwości magnetyczne tkanki w ciele do tworzenia obrazów.

Gdy pacjent lub uczestnik badania znajduje się poza skanerem, jądra wodoru należące do cząsteczek wody w tkance wirują w nieuporządkowany sposób. Po przyłożeniu pola magnetycznego stają się one bardziej uporządkowane. Kiedy obiekt znajdujący się w polu magnetycznym jest wystawiony na oscylujące impulsy o częstotliwości radiowej, kąt wirujących jąder przechodzi ze stanu w stan i wysyła sygnał odczytany przez skaner w celu wytworzenia obrazu.

Funkcjonalny rezonans magnetyczny jest możliwy, ponieważ hemoglobina w naszej krwi ma różne właściwości magnetyczne w zależności od tego, czy jest związana z tlenem, czy nie. Po odtlenieniu jest "paramagnetyczny", co oznacza, że powoduje niejednorodność pola lub niewielkie zakłócenie lokalnego pola magnetycznego, które zmniejsza sygnał rezonansu magnetycznego uzyskany z otaczającej tkanki.

Wykorzystując to zjawisko, aktywację mózgu można zmierzyć na podstawie tego, jak przepływ krwi reaguje na aktywację neuronów. Kiedy neurony wystrzeliwują, ich zwiększony metabolizm powoduje napływ natlenionej krwi, co skutkuje zmniejszeniem ilości odtlenionej hemoglobiny w regionie.

Powoduje to więcej sygnału w obszarze otaczającym aktywne neurony ze względu na zmniejszoną niejednorodność i jest określane jako sygnał zależny od poziomu natlenienia krwi lub BOLD.

Wykres sygnału MRI, zwany funkcją odpowiedzi hemodynamicznej, wygląda następująco, z intensywnością sygnału w regionie wzrastającą po aktywacji neuronów.

Skaner można skonfigurować tak, aby obrazował to zjawisko za pomocą sekwencji obrazów czułej na natlenienie krwi. Cała objętość mózgu musi być obrazowana co kilka sekund, aby uchwycić czas wystąpienia efektu BOLD.

Podobnie jak wszystkie eksperymenty naukowe, te z udziałem fMRI rozpoczynają się od ustalenia hipotezy. Następnie należy zaprojektować wzorzec prezentacji bodźca lub paradygmat, aby przetestować funkcję mózgu, która jest przedmiotem zainteresowania. Projekty mogą wahać się od podstawowego paradygmatu blokowego, zawierającego wydłużone okresy ekspozycji na bodziec, do bardziej złożonego projektu związanego ze zdarzeniem, w którym bodźce są prezentowane krótko i rozłożone w czasie trwania badania.

Należy również dobrać odpowiednie parametry skanowania, które będą pasować do projektu eksperymentalnego, przy użyciu sekwencji MRI czułej na sygnał BOLD.

Przed przeprowadzeniem jakiegokolwiek eksperymentu na ludziach wymagana jest zgoda komisji etycznej lub instytucjonalnej. Następnie można zrekrutować odpowiednich uczestników badania.

Przed badaniem badani muszą najpierw zostać przebadani pod kątem bezpieczeństwa MRI, a wszyscy uczestnicy z przeciwwskazaniami do rezonansu magnetycznego, takimi jak obecność urządzenia do badania serca i rozrusznika serca, muszą zostać wykluczeni. Należy również uzyskać pisemną i świadomą zgodę, a wszystkie metalowe przedmioty muszą zostać usunięte z ciała uczestnika.

Następnie należy dokonać przeglądu charakteru eksperymentu i kierunków zadań funkcjonalnych, ponieważ wyniki badanego mają kluczowe znaczenie dla uzyskania solidnych wyników.

W pomieszczeniu skanera należy zapewnić ochronę słuchu przed umieszczeniem cewki głowicy z wyściółką wokół głowy w celu ograniczenia ruchu. Konieczne jest również zainstalowanie sprzętu do prezentacji bodźców. Systemy gogli lub projektorów są często używane do prezentacji wizualnej, ale istnieją inne rodzaje sprzętu dostarczającego bodźce.

Gdy obiekt poczuje się komfortowo, łoże skanera jest wysyłane do otworu magnesu. Następnie ustawiane są sekwencje obrazowania, w tym skan anatomiczny o wysokiej rozdzielczości w celu ponownego zarejestrowania się w skanach funkcjonalnych.

Podmiotowi należy przypomnieć instrukcje dotyczące zadania, a akwizycja funkcjonalna musi być zsynchronizowana z początkiem paradygmatu zadania. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ czas zadania musi być dopasowany do czasu akwizycji obrazu, aby uzyskać dokładne pomiary BOLD.

Pacjent powinien być monitorowany podczas skanowania, a w razie potrzeby należy wykonać dodatkowe czynności funkcjonalne. Na koniec pacjentowi pomaga się wydostać ze skanera i zejść z łóżka skanera.

Konkretna metoda przetwarzania obrazu i używany pakiet oprogramowania będą się różnić w zależności od eksperymentu. W tym filmie omówimy typowe metody przetwarzania oparte na zadaniach BOLD.

Po pierwsze, dane fMR powinny zostać wstępnie przetworzone w celu usunięcia artefaktów obrazu i przygotowania go do analizy statystycznej. Obejmuje to korekcję czasu wycinka i korekcję ruchu, a także jednoczesną rejestrację do obrazu anatomicznego.

W przypadku badań grupowych często przeprowadza się również normalizację do standardowej przestrzeni szablonu, dzięki czemu można porównać obszary mózgu i współrzędne przestrzenne między badanych.

Po przygotowaniu danych przeprowadzana jest analiza statystyczna w celu zlokalizowania regionów ze znaczącym sygnałem MR skorelowanym z badanym bodźcem lub funkcją poznawczą. Ogólny model liniowy jest zwykle używany do analizowania eksperymentów opartych na zadaniach. Model ten zakłada, że uzyskano sygnał BOLD, który odpowiada oczekiwanej funkcji odpowiedzi hemodynamicznej i łączy tę funkcję z projektem bodźca.

Na koniec wybierany jest próg statystyczny w celu przejrzenia wyników, które są zwykle wyświetlane jako statystyczna mapa parametryczna, przy użyciu skali oznaczonej kolorami w celu wskazania statystycznie istotnych jednostek obrazu zwanych "wokselami", które można uznać za piksele 3D. W razie potrzeby można przeprowadzić dalszą analizę.

Teraz, gdy przedstawiliśmy, w jaki sposób eksperyment fMRI jest projektowany, uruchamiany i analizowany, przyjrzyjmy się niektórym konkretnym zastosowaniom tej metody. fMRI służy do zrozumienia "normalnych" funkcji ludzkiego mózgu i funkcji poznawczych, takich jak przetwarzanie motoryczne, wzrokowe i językowe, by wymienić tylko kilka. Choć są to pozornie podstawowe funkcje, wciąż jest wiele do nauczenia się na temat tych i wielu innych procesów poznawczych.

Ponadto fMRI może być stosowany do badania funkcji mózgu w chorobowych stanach mózgu i zaburzeniach psychicznych. Istnieje wiele aktywnych obszarów badań, takich jak zaburzenia lękowe, zespół stresu pourazowego, autyzm i demencja.

fMRI można również łączyć z innymi technikami MR lub innymi rodzajami obrazowania w celu dalszego zbadania funkcji mózgu, takich jak obrazowanie tensora dyfuzji, elektroencefalografia lub "EEG", a nawet przezczaszkowa stymulacja magnetyczna lub "TMS".

Istnieją również techniki analizy fMRI w stanie spoczynku, które można wykorzystać do badania połączeń funkcjonalnych, takie jak analiza składowych niezależnych i analiza korelacji krzyżowych.

Właśnie obejrzałeś film JoVE na temat funkcjonalnego rezonansu magnetycznego. W tym filmie omówiono, w jaki sposób uzyskuje się sygnał fMRI, podstawowy projekt badania fMRI, akwizycję fMRI, przetwarzanie danych BOLD fMR i zastosowania.

Dowiedzieliśmy się, że fMRI jest solidną i nieinwazyjną techniką obrazowania, która może być wykorzystana do zbadania wielu aspektów funkcjonowania ludzkiego mózgu i funkcji poznawczych.

Dziękujemy za oglądanie, życzymy powodzenia w eksperymentach i pamiętajcie, że bezpieczeństwo rezonansu magnetycznego jest zawsze na pierwszym miejscu!