1.9: fMRI: Ressonância Magnética Funcional

A ressonância magnética funcional, ou ressonância magnética, é agora um método de neuroimagem amplamente utilizado para investigar a função e a cognição do cérebro humano. FMRI pode ser usado para investigar tanto a função cerebral normal quanto estados cerebrais anormais ou doentes.

Este método faz uso de ímãs fortes para criar mapas da atividade cerebral detectando alterações no fluxo sanguíneo que são acoplado à ativação neuronal. Esta técnica de imagem tem excelente resolução espacial e boa temporal, e não é invasiva, pois não requer injeções ou envolve expor sujeitos à radiação ionizante.

Este vídeo abordará como o sinal fMRI é obtido, o design experimental básico, a aquisição de fMRI, bem como o processamento básico de dados.

Primeiro, vamos dar uma olhada em como a ressonância magnética funciona. Essencialmente, máquinas de ressonância magnética, ou "scanners" são eletroímãs muito fortes, tipicamente 1,5 - 3 tesla (T), que usam as propriedades magnéticas do tecido no corpo para criar imagens.

Quando um paciente ou participante do estudo está fora do scanner, os núcleos de hidrogênio pertencentes a moléculas de água em tecido giram de forma desordenada. Quando um campo magnético é aplicado, eles se tornam mais ordenados. Quando o sujeito dentro do campo magnético é exposto a pulsos de radiofrequência oscilantes, o ângulo dos núcleos giratórios transita de estado para estado e emi um sinal lido pelo scanner para produzir uma imagem.

A ressonância magnética funcional é possível porque a hemoglobina dentro do nosso sangue tem diferentes propriedades magnéticas, dependendo se está ou não ligada ao oxigênio. Quando desoxigenado, é "paramagnético", o que significa que causa uma inhomogenidade de campo, ou uma leve interrupção no campo magnético local, que diminui o sinal de ressonância magnética obtido do tecido circundante.

Aproveitando-se desse fenômeno, a ativação cerebral pode ser medida com base na forma como o fluxo sanguíneo responde à ativação neuronal. Quando os neurônios disparam, seu metabolismo aumentado resulta em um fluxo de sangue oxigenado, resultando em uma diminuição na quantidade de hemoglobina desoxigenada na região.

Isso resulta em mais sinal na área ao redor dos neurônios ativos devido à diminuição da inhomogeneidade, e é referido como Sanguíneo Dependente de Nível Oxigenado, ou SINAL BOLD.

O gráfico do sinal de ressonância magnética, chamado de função de resposta hemodinâmica, é assim, com a intensidade do sinal em uma região aumentando após a ativação neuronal.

O scanner pode ser configurado para imagem para este fenômeno usando uma sequência de imagem sensível à oxigenação sanguínea. Todo o volume cerebral precisa ser imageado a cada poucos segundos, para capturar o tempo do efeito BOLD.

Como todos os experimentos científicos, aqueles que envolvem a ressonância magnética começam estabelecendo uma hipótese. Então, um padrão de apresentação de estímulo, ou paradigma, deve ser projetado para testar a função cerebral de interesse. Os projetos podem variar de um paradigma de bloco básico, contendo longos períodos de exposição a estímulos, a um design mais complexo relacionado a eventos, no qual os estímulos são apresentados brevemente e espaçados ao longo do ensaio.

Os parâmetros de varredura apropriados que funcionarão para o design experimental também precisam ser selecionados, usando uma sequência de ressonância magnética sensível ao sinal BOLD.

Antes de executar qualquer experimento sobre seres humanos, é necessária a aprovação de um conselho de ética ou revisão institucional. Em seguida, os participantes apropriados do estudo podem ser recrutados.

Antes da varredura, os sujeitos devem primeiro ser examinados para a segurança da ressonância magnética, e qualquer participante com contraindicações de ressonância magnética, como a presença de um dispositivo de marcação cardíaca, deve ser excluído. O consentimento escrito e informado também deve ser obtido, e todos os itens metálicos devem ser removidos do corpo do sujeito.

Em seguida, a natureza do experimento e as direções de tarefa funcional devem ser revistas, uma vez que o desempenho do sujeito é fundamental para resultados robustos.

Na sala do scanner, a proteção auditiva deve ser fornecida antes de colocar a bobina da cabeça com estofamento ao redor da cabeça para reduzir o movimento. O equipamento de apresentação de estímulo também precisa ser montado. Os sistemas de óculos ou projetor são frequentemente usados para apresentação visual, mas existem outros tipos de equipamentos de entrega de estímulo.

Uma vez que o sujeito está confortável, a cama do scanner é enviada para o furo ímã. Em seguida, as sequências de imagem são configurados, incluindo uma varredura anatômica de alta resolução para recadastrar para os exames funcionais.

O assunto deve ser lembrado das instruções de tarefa, e a aquisição funcional precisa ser sincronizada com o início do paradigma da tarefa. Isso é fundamental, pois o tempo de tarefa precisa ser combinado com o tempo de aquisição de imagens para medições OUSADAs precisas.

O sujeito deve ser monitorado durante a varredura, e corridas funcionais adicionais realizadas, se necessário. Finalmente, o sujeito é ajudado a sair do scanner e sair da cama do scanner.

O método específico de processamento de imagem e o pacote de software utilizado variam dependendo do experimento. Neste vídeo, vamos passar por cima de métodos comuns de processamento baseados em tarefas BOLD.

Primeiro, os dados de fMR devem ser pré-processados para remover artefatos de imagem e prepará-los para análise estatística. Isso envolve correção de tempo de fatia e correção de movimento, bem como co-registro para a imagem anatômica.

Para estudos em grupo, a normalização para um espaço padrão de modelo é frequentemente realizada também, de modo que as áreas cerebrais e coordenadas espaciais podem ser comparadas entre os sujeitos.

Uma vez preparados os dados, a análise estatística é realizada para localizar regiões com sinal de Ressonância Magnética significativo correlacionado com o estímulo ou função cognitiva que foi testada. O modelo linear geral é normalmente usado para analisar experimentos baseados em tarefas. Este modelo assume que um sinal BOLD foi obtido que corresponde à função de resposta hemodinâmica esperada, e convolvula essa função com o design de estímulo.

Finalmente, um limiar estatístico é selecionado para revisar os resultados, que normalmente são exibidos como um mapa paramétrico estatístico, usando uma escala codificada por cores para indicar unidades estatisticamente significativas da imagem chamada "voxels", que podem ser considerados pixels 3D. Uma análise mais aprofundada pode ser realizada conforme necessário.

Agora que introduzimos como um experimento de ressonância magnética é projetado, executado e analisado, vamos olhar para algumas aplicações específicas deste método. FMRI é usado para obter compreensão da função cerebral humana 'normal' e cognição, como processamento motor, visual e linguístico, para citar alguns. Embora sejam funções aparentemente básicas, ainda há muito a ser aprendido sobre esses e muitos outros processos cognitivos.

Além disso, a ressonância magnética pode ser usada para investigar a função cerebral em estados cerebrais doentes e distúrbios psicológicos. Existem muitas áreas ativas de pesquisa, como transtornos de ansiedade, transtorno de estresse pós-traumático, autismo e demência.

FMRI também pode ser combinado com outras técnicas de Ressonância Magnética ou outros tipos de imagem para investigar melhor as funções cerebrais, como imagem tensor de difusão, eletroencefalografia ou 'EEG', e até mesmo estimulação magnética transcraniana, ou 'TMS'.

Há também técnicas de análise de ressonância magnética do estado de repouso que podem ser usadas para investigar conectividade funcional, como análise de componentes independentes e análise de correlação cruzada.

Você acabou de assistir o vídeo do JoVE sobre ressonância magnética funcional. Este vídeo abordou como o sinal fMRI é obtido, o design básico do estudo fMRI, a aquisição de fMRI, o processamento de dados BOLD fMR e os aplicativos.

Aprendemos que a ressonância magnética é uma técnica de imagem robusta e não invasiva que pode ser usada para investigar muitos aspectos da função cerebral humana e cognição.

Obrigado por assistir, boa sorte com seus experimentos, e lembre-se que a segurança da ressonância magnética sempre vem em primeiro lugar!