fMRI: funkcjonalny obrazowanie rezonansem magnetycznym

Funkcjonalny rezonans magnetyczny, czyli fMRI, jest obecnie powszechnie stosowaną metodą neuroobrazowania służącą do badania funkcji mózgu i procesów poznawczych u ludzi. fMRI może być wykorzystywany zarówno do badania prawidłowego funkcjonowania mózgu, jak i stanów patologicznych lub chorobowych.

Metoda ta wykorzystuje silne magnesy do tworzenia map aktywności mózgu poprzez wykrywanie zmian w przepływie krwi, które są sprzężone z aktywacją neuronalną. Technika obrazowania ta charakteryzuje się doskonałą rozdzielczością przestrzenną i dobrą rozdzielczością czasową oraz jest nieinwazyjna, ponieważ nie wymaga iniekcji ani nie wiąże się z narażeniem badanych na promieniowanie jonizujące.

W niniejszym filmie omówione zostanie uzyskiwanie sygnału fMRI, podstawy projektowania eksperymentów, akwizycja danych fMRI, a także podstawowe przetwarzanie danych.

Najpierw przyjrzyjmy się zasadom działania obrazowania rezonansem magnetycznym. W istocie urządzenia MRI, czyli „skanery”, to bardzo silne elektromagnesy, zazwyczaj o indukcji 1,5 - 3 tesla (T), które wykorzystują właściwości magnetyczne tkanek organizmu do tworzenia obrazów.

Gdy pacjent lub uczestnik badania znajduje się poza skanerem, jądra wodoru należące do cząsteczek wody w tkankach rotują w sposób nieuporządkowany. Po przyłożeniu pola magnetycznego stają się one bardziej uporządkowane. Gdy badany obiekt w polu magnetycznym zostaje poddany działaniu oscylujących impulsów częstotliwości radiowej, kąt rotacji jąder przechodzi z jednego stanu w drugi, emitując sygnał odczytywany przez skaner w celu wytworzenia obrazu.

Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) jest możliwy dzięki temu, że hemoglobina w naszej krwi posiada różne właściwości magnetyczne w zależności od tego, czy jest związana z tlenem. W stanie odtlenionym jest ona „paramagnetyczna”, co oznacza, że powoduje niejednorodność pola, czyli niewielkie zaburzenie lokalnego pola magnetycznego, które zmniejsza sygnał rezonansu magnetycznego otrzymywany z otaczających tkanek.

Wykorzystując to zjawisko, aktywację mózgu można mierzyć na podstawie tego, jak przepływ krwi reaguje na aktywację neuronową. Gdy neurony wyzwalają impulsy, ich zwiększony metabolizm prowadzi do napływu utlenowanej krwi, co skutkuje zmniejszeniem ilości odtlenowanej hemoglobiny w tym obszarze.

Powoduje to wzrost sygnału w obszarze otaczającym aktywne neurony ze względu na zmniejszoną niejednorodność; zjawisko to określa się jako sygnał BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent), czyli zależny od poziomu utlenowania krwi.

Wykres sygnału MRI, nazywany funkcją odpowiedzi hemodynamicznej, wygląda w ten sposób, przy czym intensywność sygnału w danym regionie wzrasta po aktywacji neuronowej.

Skaner można skonfigurować do obrazowania tego zjawiska, stosując sekwencję obrazowania wrażliwą na utlenowanie krwi. Cała objętość mózgu musi być obrazowana co kilka sekund, aby uchwycić czas wystąpienia efektu BOLD.

Jak wszystkie eksperymenty naukowe, te z wykorzystaniem fMRI rozpoczynają się od sformułowania hipotezy. Następnie należy zaprojektować schemat prezentacji bodźców, czyli paradygmat, w celu zbadania interesującej nas funkcji mózgu. Projekty te mogą obejmować zarówno podstawowy paradygmat blokowy, zawierający wydłużone okresy ekspozycji na bodziec, jak i bardziej złożony projekt zdarzeń (event-related design), w którym bodźce są prezentowane krótko i w odstępach czasowych w trakcie próby.

Należy również dobrać odpowiednie parametry skanowania, które będą dostosowane do projektu eksperymentalnego, wykorzystując sekwencję MRI czułą na sygnał BOLD.

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

Przed skanowaniem badani muszą zostać poddani przesiewowej ocenie bezpieczeństwa MRI, a osoby z przeciwwskazaniami do badania MRI, takimi jak obecność rozrusznika serca, muszą zostać wykluczone. Należy również uzyskać pisemną i świadomą zgodę, a z ciała badanego należy usunąć wszystkie metalowe przedmioty.

Następnie należy omówić charakter eksperymentu oraz instrukcje do zadania funkcjonalnego, ponieważ wyniki zależą w dużej mierze od prawidłowego wykonania zadania przez badanego.

W pomieszczeniu ze skanerem należy zapewnić ochronę słuchu przed założeniem cewki głowowej z wypełnieniem wokół głowy w celu ograniczenia ruchów. Należy również przygotować sprzęt do prezentacji bodźców. Do prezentacji wizualnej często stosuje się systemy gogli lub projektorów, ale istnieją również inne rodzaje urządzeń do podawania bodźców.

Gdy badany ułoży się wygodnie, stół skanera zostaje wprowadzony do otworu magnesu. Następnie konfiguruje się sekwencje obrazowania, w tym skan anatomiczny o wysokiej rozdzielczości, który służy do ponownej rejestracji skanów funkcjonalnych.

Należy przypomnieć badanemu instrukcje dotyczące zadania, a akwizycję funkcjonalną należy zsynchronizować z rozpoczęciem paradygmatu zadania. Jest to kluczowe, ponieważ czas trwania zadania musi być dopasowany do czasu akwizycji obrazów w celu dokładnego pomiaru sygnału BOLD.

Podczas skanowania należy monitorować badanego i w razie potrzeby przeprowadzić dodatkowe serie funkcjonalne. Na koniec pomaga się badanemu wyjść ze skanera i zejść ze stołu.

Konkretna metoda przetwarzania obrazu oraz zastosowany pakiet oprogramowania będą różnić się w zależności od eksperymentu. W tym filmie omówimy powszechne metody przetwarzania danych BOLD w badaniach zadaniowych.

Najpierw dane fMR powinny zostać poddane wstępnemu przetwarzaniu w celu usunięcia artefaktów obrazowania i przygotowania ich do analizy statystycznej. Obejmuje to korekcję czasu akwizycji warstw oraz korekcję ruchu, a także korejestrację z obrazem anatomicznym.

W badaniach grupowych często wykonuje się również normalizację do standardowej przestrzeni szablonu, aby obszary mózgu i współrzędne przestrzenne można było porównywać między badanymi.

Po przygotowaniu danych przeprowadzana jest analiza statystyczna w celu zlokalizowania obszarów z istotnym sygnałem MR skorelowanym z bodźcem lub testowaną funkcją poznawczą. Do analizy eksperymentów zadaniowych zazwyczaj wykorzystuje się ogólny model liniowy. Model ten zakłada uzyskanie sygnału BOLD zgodnego z oczekiwaną funkcją odpowiedzi hemodynamicznej i splotuje tę funkcję z projektem bodźców.

Na koniec wybiera się próg statystyczny do oceny wyników, które zazwyczaj prezentowane są jako parametryczna mapa statystyczna, z wykorzystaniem skali kolorystycznej wskazującej statystycznie istotne jednostki obrazu zwane „wokselami”, które można uznać za piksele 3D. W razie potrzeby można przeprowadzić dalszą analizę.

Po zapoznaniu się z tym, jak projektuje się, przeprowadza i analizuje eksperyment fMRI, przyjrzyjmy się niektórym konkretnym zastosowaniom tej metody. fMRI jest wykorzystywane do zrozumienia „normalnego” funkcjonowania i poznawania ludzkiego mózgu, na przykład w zakresie przetwarzania motorycznego, wzrokowego i językowego. Choć funkcje te wydają się podstawowe, wciąż wiele można dowiedzieć się o nich oraz o wielu innych procesach poznawczych.

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

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

Istnieją również techniki analizy fMRI w stanie spoczynku, które mogą być wykorzystywane do badania łączności funkcjonalnej, takie jak analiza składowych niezależnych oraz analiza korelacji krzyżowej.

Właśnie obejrzeli Państwo film JoVE na temat funkcjonalnego rezonansu magnetycznego. W tym materiale omówiono sposób uzyskiwania sygnału fMRI, podstawy projektowania badań fMRI, akwizycję danych fMRI, przetwarzanie danych BOLD fMRI oraz zastosowania tej metody.

Dowiedzieliśmy się, że fMRI jest niezawodną i nieinwazyjną techniką obrazowania, która może być wykorzystana do badania wielu aspektów funkcji i poznania ludzkiego mózgu.

Dziękujemy za uwagę, życzymy powodzenia w eksperymentach i przypominamy, że bezpieczeństwo podczas badania MRI jest zawsze priorytetem!