фМРТ: функциональная магнитно-резонансная томография

Функциональная магнитно-резонансная томография, или фМРТ, в настоящее время является широко используемым методом нейровизуализации для исследования функций мозга и когнитивных процессов человека. фМРТ может применяться как для изучения нормального функционирования мозга, так и для анализа патологических состояний или заболеваний мозга.

В этом методе используются мощные магниты для создания карт активности мозга путем регистрации изменений кровотока, которые связаны с нейронной активацией. Данный метод визуализации обладает отличным пространственным и хорошим временным разрешением; он является неинвазивным, так как не требует инъекций и не подвергает испытуемых воздействию ионизирующего излучения.

В этом видео будет рассмотрено получение сигнала фМРТ, основы планирования эксперимента, процесс сбора данных фМРТ, а также базовые принципы обработки данных.

Для начала давайте разберем принцип работы магнитно-резонансной томографии. По сути, МРТ-аппараты, или «сканеры», представляют собой очень мощные электромагниты, обычно с индукцией 1.5 - 3 tesla (T), которые используют магнитные свойства тканей организма для создания изображений.

Когда пациент или участник исследования находится вне сканера, ядра водорода в молекулах воды в тканях вращаются хаотично. При воздействии магнитного поля их ориентация становится более упорядоченной. Когда на объект в магнитном поле воздействуют осциллирующими радиочастотными импульсами, угол вращения ядер переходит из одного состояния в другое, что создает сигнал, считываемый сканером для формирования изображения.

Функциональная МРТ возможна благодаря тому, что гемоглобин в нашей крови обладает различными магнитными свойствами в зависимости от того, связан он с кислородом или нет. В дезоксигенизированном состоянии он является «парамагнитным», что вызывает неоднородность поля, или небольшое нарушение локального магнитного поля, которое снижает сигнал магнитного резонанса, получаемый от окружающих тканей.

Используя это явление, можно измерять активацию мозга на основе того, как кровоток реагирует на нейронную активацию. При возбуждении нейронов их усиленный метаболизм приводит к притоку оксигенированной крови, что влечет за собой снижение количества дезоксигенированного гемоглобина в данной области.

Это приводит к увеличению сигнала в области вокруг активных нейронов из-за снижения неоднородности, что называется BOLD-сигналом (Blood Oxygenated Level Dependent — зависимость от уровня оксигенации крови).

График МРТ-сигнала, называемый функцией гемодинамического ответа, выглядит так: интенсивность сигнала в определенной области возрастает после нейронной активации.

Сканер можно настроить на регистрацию этого явления, используя последовательность изображений, чувствительную к оксигенации крови. Чтобы зафиксировать временную динамику BOLD-эффекта, необходимо выполнять сканирование всего объема мозга каждые несколько секунд.

Как и все научные эксперименты, исследования с использованием фМРТ начинаются с формулировки гипотезы. Затем следует разработать схему предъявления стимулов, или парадигму, для проверки интересующей функции мозга. Дизайн может варьироваться от базовой блочной парадигмы, включающей длительные периоды воздействия стимула, до более сложного событийного дизайна, при котором стимулы предъявляются кратковременно и распределяются во времени в течение пробы.

Также необходимо подобрать соответствующие параметры сканирования, подходящие для данного экспериментального дизайна, используя МРТ-последовательность, чувствительную к BOLD-сигналу.

Перед проведением любого эксперимента с участием людей требуется одобрение комитета по этике или институционального наблюдательного совета. После этого можно приступить к набору подходящих участников исследования.

Перед сканированием испытуемые должны пройти проверку на совместимость с МРТ; любые участники с противопоказаниями к МРТ, такими как наличие электрокардиостимулятора, должны быть исключены. Также необходимо получить письменное информированное согласие, а все металлические предметы должны быть удалены с тела испызуемого.

Затем следует обсудить суть эксперимента и инструкции к функциональному заданию, так как выполнение задания испытуемым имеет критическое значение для получения достоверных результатов.

В помещении со сканером перед установкой головной катушки следует обеспечить защиту органов слуха и использовать мягкие прокладки вокруг головы для уменьшения движения. Также необходимо настроить оборудование для предъявления стимулов. Для визуальной презентации часто используются системы с очками или проектором, но существуют и другие типы оборудования для подачи стимулов.

Когда испытуемый примет удобное положение, стол сканера задвигается в апертуру магнита. Затем настраиваются последовательности сканирования, включая анатомическое сканирование с высоким разрешением для последующей перерегистрации функциональных снимков.

Испытуемому следует напомнить инструкции к заданию, а функциональный сбор данных должен быть синхронизирован с началом парадигмы задания. Это критически важно, так как время выполнения задания должно совпадать с временем получения изображений для точного измерения BOLD-сигнала.

Во время сканирования необходимо наблюдать за состоянием испытуемого и, при необходимости, провести дополнительные функциональные серии. В завершение испытуемому помогают покинуть стол и выйти из сканера.

Конкретный метод обработки изображений и используемый программный пакет будут зависеть от эксперимента. В данном видео мы рассмотрим общепринятые методы обработки данных BOLD при выполнении заданий.

Сначала данные фМРТ должны пройти предварительную обработку для удаления артефактов изображения и подготовки к статистическому анализу. Это включает коррекцию времени сканирования срезов и коррекцию движения, а также корегистрацию с анатомическим изображением.

Для групповых исследований часто также выполняется нормализация по стандартному шаблону, чтобы области мозга и пространственные координаты можно было сравнивать между разными испытуемыми.

После подготовки данных проводится статистический анализ для поиска областей со значимым МР-сигналом, коррелирующим с тестируемым стимулом или когнитивной функцией. Для анализа экспериментов с выполнением заданий обычно используется общая линейная модель. Эта модель предполагает получение BOLD-сигнала, соответствующего ожидаемой функции гемодинамического ответа, и осуществляет свертку этой функции с дизайном стимулов.

Наконец, для анализа результатов выбирается статистический порог; результаты обычно представляются в виде статистической параметрической карты с использованием цветовой шкалы для обозначения статистически значимых единиц изображения, называемых «вокселями», которые можно рассматривать как трехмерные пиксели. При необходимости может быть проведен дальнейший анализ.

Теперь, когда мы представили принципы планирования, проведения и анализа экспериментов с использованием фМРТ, рассмотрим некоторые конкретные области применения этого метода. фМРТ используется для изучения «нормального» функционирования мозга и когнитивных процессов человека, таких как, например, моторные, зрительные и языковые функции. Хотя эти функции кажутся базовыми, многое еще предстоит узнать о них и о многих других когнитивных процессах.

Кроме того, фМРТ может применяться для исследования функций мозга при патологических состояниях и психологических расстройствах. Существует множество активных направлений исследований, таких как тревожные расстройства, посттравматическое стрессовое расстройство, аутизм и деменция.

фМРТ также может быть объединена с другими методами МРТ или иными видами визуализации для более детального изучения функций мозга, например, с диффузионно-тензорной визуализацией, электроэнцефалографией (ЭЭГ) и даже транскраниальной магнитной стимуляцией (ТМС).

Существуют также методы анализа фМРТ в состоянии покоя, которые могут быть использованы для исследования функциональной связности, такие как анализ независимых компонентов и кросс-корреляционный анализ.

Вы только что посмотрели видео JoVE, посвященное функциональной МРТ. В этом видео было рассказано о том, как получается сигнал фМРТ, о базовом дизайне исследований фМРТ, сборе данных фМРТ, обработке данных BOLD фМРТ и областях применения этого метода.

Мы узнали, что фМРТ представляет собой надежный и неинвазивный метод визуализации, который может быть использован для изучения многих аспектов функций мозга и когнитивных процессов человека.

Благодарим за просмотр, желаем удачи в ваших экспериментах и помните, что безопасность при проведении МРТ всегда стоит на первом месте!