Funkční magnetická rezonance

Funkční magnetická rezonance neboli funkční magnetická rezonance (fMRI) je typ specializované magnetické rezonance (MRI). Měří hemodynamickou odezvu související s nervovou aktivitou v mozku nebo míše lidí nebo jiných zvířat. Jedná se o jednu z nejnověji vyvinutých forem neurozobrazování. Od počátku 90. let 20. století začala fMRI dominovat v oblasti mapování mozku díky své nízké invazivnosti, nedostatečné radiační expozici a relativně široké dostupnosti.

statistika fMRI (žlutá) překrytá v průměru mozkových anatomií několika lidí (šedá)

Od 90. let 19. století (Roy a Sherrington, 1890)
je známo, že změny krevního průtoku a okysličení krve v mozku (souhrnně známé jako hemodynamika) jsou úzce spojeny s nervovou aktivitou. Když jsou nervové buňky aktivní, konzumují kyslík přenášený hemoglobinem v červených krvinkách z lokálních kapilár. Lokální reakcí na toto využití kyslíku je zvýšení krevního průtoku do oblastí se zvýšenou nervovou aktivitou, ke kterému dochází se zpožděním přibližně 1-5 sekund. Tato hemodynamická odpověď stoupá na vrchol během 4-5 sekund, než klesne zpět k výchozím hodnotám (a typicky mírně podstřelí). To vede k lokálním změnám v relativní koncentraci oxyhemoglobinu a deoxyhemoglobinu a změnám v lokálním objemu krve v mozku navíc k této změně v lokálním průtoku krve v mozku.

BOLD fMRI (z anglického Blood-oxygen-level dependent) je metoda pozorování, které oblasti mozku jsou v daném čase aktivní. Poprvé ji objevil doktor Seiji Ogawa
v roce 1990 a poté doktor Kenneth Kwong v roce 1992.
Neurony nemají vnitřní zásoby energie ve formě glukózy a kyslíku, takže jejich vypálení způsobuje potřebu rychle přivádět více energie. Procesem zvaným hemodynamická reakce do nich krev uvolňuje kyslík ve větší míře než do neaktivních neuronů a rozdíl v magnetické citlivosti mezi oxyhemoglobinem a deoxyhemoglobinem, a tedy okysličenou nebo deoxygenovanou krví, vede ke kolísání magnetického signálu, které lze zjistit pomocí magnetické rezonance. Vzhledem k mnoha opakováním myšlenky, akce nebo zkušenosti lze použít statistické metody k určení oblastí mozku, které mají spolehlivě větší část tohoto rozdílu v důsledku, a tedy které oblasti mozku jsou během této myšlenky, akce nebo zkušenosti aktivní.

Téměř všechny výzkumy fMRI používají BOLD jako metodu pro určení, kde dochází k aktivitě v mozku v důsledku různých zkušeností, ale protože signály jsou relativní a ne individuálně kvantitativní, někteří zpochybňují jeho přesnost. Jiné metody, které navrhují měřit nervovou aktivitu přímo, byly vyzkoušeny (například měření extrakčního zlomku kyslíku (OEF) v oblastech mozku, které měří, kolik oxyhemoglobinu v krvi bylo převedeno na deoxyhemoglobin), ale protože elektromagnetická pole vytvořená aktivním nebo vystřelujícím neuronem jsou tak slabá, poměr signálu a šumu je extrémně nízký a statistické metody používané k extrakci kvantitativních dat byly do značné míry neúspěšné až dosud.

Hemoglobin je diamagnetický při okysličení, ale paramagnetický při odkysličení. Signál magnetické rezonance (MR) krve je proto mírně odlišný v závislosti na úrovni okysličení. Tyto diferenciální signály mohou být detekovány pomocí vhodné sekvence MR pulzu jako kontrast hladiny kyslíku v krvi (BOLD). Vyšší intenzita BOLD signálu vzniká zvýšením koncentrace okysličeného hemoglobinu, protože magnetická citlivost krve se nyní více blíží tkáňové magnetické citlivosti. Sběrem dat v MR skeneru s parametry citlivými na změny magnetické citlivosti lze hodnotit změny v BOLD kontrastu. Tyto změny mohou být buď pozitivní nebo negativní v závislosti na relativních změnách průtoku krve mozkem (CBF) a spotřeby kyslíku. Zvýšení CBF, které předčí změny v spotřebě kyslíku, povede ke zvýšení BOLD signálu, naopak snížení CBF, které předčí změny v spotřebě kyslíku způsobí snížení intenzity BOLD signálu.

Přesný vztah mezi nervovými signály a BOLD je předmětem aktivního výzkumu. Obecně platí, že změny v BOLD signálu dobře korelují se změnami v krevním oběhu. Četné studie během posledních několika desetiletí identifikovaly spojitost mezi krevním oběhem a metabolickou rychlostí; to znamená, že zásobování krví je pevně regulováno v prostoru a čase, aby poskytovalo živiny pro mozkový metabolismus. Nicméně neurovědci se snaží o přímější vztah mezi zásobováním krví a nervovými vstupy/výstupy, které mohou souviset s pozorovatelnou elektrickou aktivitou a modely obvodů mozkových funkcí.

Zatímco současná data ukazují, že lokální polní potenciály, index integrované elektrické aktivity, tvoří nepatrně lepší korelaci s krevním oběhem než prudce rostoucí akční potenciály, které jsou nejvíce přímo spojeny s nervovou komunikací, žádné jednoduché měření elektrické aktivity dosud neposkytlo dostatečnou korelaci s metabolismem a krevním zásobením napříč širokým dynamickým rozsahem. Předpokládá se, že to odráží komplexní povahu metabolických procesů, které tvoří nadmnožinu s ohledem na elektrickou aktivitu. Některé nedávné výsledky naznačují, že zvýšení mozkového krevního oběhu (CBF) po nervové aktivitě není kauzálně spojeno s metabolickými nároky oblasti mozku, ale spíše je řízeno přítomností neurotransmiterů, zejména glutamátu.

Některé další nedávné výsledky naznačují, že počáteční malý negativní pokles před hlavním pozitivním signálem BOLD je více lokalizovaný a také koreluje s naměřenými lokálními poklesy koncentrace tkáňového kyslíku (což možná odráží zvýšený lokální metabolismus během aktivace neuronu). Použití tohoto lokalizovanějšího negativního signálu BOLD umožnilo zobrazovat dominantní sloupce lidského oka v primární zrakové kůře s rozlišením okolo 0,5 mm. Jedním z problémů této techniky je, že časný negativní signál BOLD je malý a lze ho pozorovat pouze pomocí větších skenerů s magnetickým polem alespoň 3 Tesly. Dále je signál mnohem menší než normální signál BOLD, což ztěžuje extrakci signálu ze šumu. Také tento počáteční pokles nastává během 1-2 sekund od zahájení podnětu, který nemusí být zachycen, když jsou signály zaznamenávány při dlouhém opakování (TR). Pokud je TR dostatečně nízké, zvýšená rychlost reakce mozkového krevního toku v důsledku konzumace vazoaktivních léků (jako je kofein)
nebo přirozené rozdíly v cévních reakcích mohou dále zastřít pozorování počátečního dipu.

Doporučujeme:  Deborah Gibsonová (1970)

BOLD signál se skládá z příspěvků CBF z větších tepen a žil, menších tepen a cév a kapilár. Experimentální výsledky ukazují, že BOLD signál může být vážen k menším cévám, a tedy blíže k aktivním neuronům, použitím větších magnetických polí. Například, zatímco asi 70% BOLD signálu vzniká z větších cév v 1,5 tesla skeneru, asi 70% vzniká z menších cév ve 4 tesla skeneru. Dále, velikost BOLD signálu se zvyšuje zhruba jako druhá mocnina magnetického pole síly. Proto byl vyvíjen tlak na větší pole skenerů jak zlepšit lokalizaci a zvýšit signál. Několik 7 tesla komerčních skenerů byly uvedeny do provozu, a experimentální 8 a 9 tesla skenery jsou ve vývoji.

Sagitální řez strukturální magnetické rezonance lidské hlavy. Nos je vlevo.Klikněte zde pro zobrazení animované sekvence řezů.

Řez magnetické rezonance mozku. Čelo je nahoře a zadní část hlavy je dole. Klikněte zde pro zobrazení animace skenu shora dolů.

BOLD efekty se měří pomocí rychlého volumetrického pořízení snímků s kontrastem váženým T1 nebo T2* (viz MRI). Takové snímky lze pořídit se středně dobrým prostorovým a časovým rozlišením; snímky se obvykle pořizují každých 1–4 sekundy a voxely ve výsledném snímku obvykle představují kostky tkáně o velikosti 2–4 milimetry na každé straně u člověka. Nedávný technický pokrok, jako je použití vysokých magnetických polí a pokročilý „vícekanálový“ RF příjem, má pokročilé prostorové rozlišení na milimetrovou škálu. Ačkoli reakce na podněty prezentované tak blízko u sebe jako jedna nebo dvě sekundy lze od sebe odlišit pomocí metody známé jako fMRI související s událostmi, plný časový průběh BOLD reakce na krátce prezentovaný podnět trvá u robustní pozitivní odpovědi asi 15 sekund.

fMRI studie čerpají z mnoha oborů

fMRI je vysoce interdisciplinární oblast výzkumu a mnoho studií čerpá ze znalostí v několika oblastech:

Výhody a nevýhody fMRI

Jako každá technika má fMRI výhody i nevýhody, a aby byla užitečná, musí být experimenty, které ji používají, pečlivě navrženy a provedeny tak, aby maximalizovaly její silné stránky a minimalizovaly její slabiny.

Funkční zobrazování poskytuje vhledy do nervového zpracování, které doplňují vhledy jiných studií v neurofyziologii.

Berkeleyho 4T fMRI skener.

Subjekty, které se účastní experimentu s fMRI, jsou požádány, aby ležely v klidu a jsou obvykle připoutány měkkými podložkami, aby malé pohyby nerušily měření. Některé laboratoře také používají kousací tyče, aby omezily pohyb, i když ty jsou nepopulární, protože mohou subjektům způsobit určité nepohodlí. Je možné korigovat určité množství pohybů hlavy následným zpracováním dat, ale velký přechodný pohyb může tyto pokusy učinit marnými. Obecně pohyb přesahující 3 milimetry vede k nepoužitelným datům. Problematika pohybu je přítomna u všech populací, ale především u populací, které nejsou fyzicky nebo emocionálně vybaveny ani pro krátké sezení na MRI (např. u osob s Alzheimerovou chorobou nebo schizofrenií nebo u malých dětí). U těchto populací lze ve snaze zmírnit pohybové artefakty použít různé a negativní posilovací strategie, ale obecně řešení spočívá v navržení paradigmatu kompatibilního s těmito populacemi.

FMRI experiment obvykle trvá 15 minut až 2 hodiny. V závislosti na účelu studia mohou subjekty sledovat filmy, slyšet zvuky, cítit pachy, provádět kognitivní úkony, jako je n-back, memorování nebo představivost, stisknout několik tlačítek nebo provádět jiné úkony. Výzkumníci jsou povinni poskytnout podrobné instrukce a popisy plánu experimentu každému subjektu, který musí před experimentem podepsat souhlas.

Bezpečnost je velmi důležitou otázkou ve všech experimentech, které zahrnují MRI. Potenciální subjekty musí zajistit, aby byly schopny vstoupit do prostředí MRI. Vzhledem k povaze MRI skeneru je kolem MRI skeneru extrémně silné magnetické pole (nejméně 1,5 tesly, případně silnější). Potenciální subjekty musí být před vstupem do prostředí skenování důkladně vyšetřeny na přítomnost jakýchkoli feromagnetických předmětů (např. hodinky, brýle, vlásenky, kardiostimulátory, kostní desky a šrouby atd.).

Injekčně aplikovaná kontrastní látka, jako je oxid železitý, který byl obalen cukrem nebo škrobem (aby se skryl před obranným systémem těla), způsobuje lokální narušení magnetického pole, které je měřitelné pomocí MRI skeneru. Signály spojené s těmito druhy kontrastních látek jsou úměrné objemu mozkové krve. I když tato semiinvazivní metoda představuje značnou nevýhodu, pokud jde o studium mozkových funkcí u normálních subjektů, umožňuje mnohem větší detekční citlivost než BOLD signál, což může zvýšit životaschopnost fMRI u klinických populací. Další metody vyšetření krevního objemu, které nevyžadují injekci, jsou předmětem současného výzkumu, i když žádná alternativní technika se teoreticky nemůže rovnat vysoké citlivosti, kterou poskytuje injekce kontrastní látky.

Doporučujeme:  Paradox of Thrift

Magnetickým značením proximálního krevního zásobení pomocí „arterial spin labeling“ ASL, přidružený signál je úměrný mozkovému krevnímu průtoku, nebo perfuzi. Tato metoda poskytuje více kvantitativních fyziologických informací než BOLD signál, a má stejnou citlivost pro detekci úkolů vyvolaných změn v lokální mozkové funkce

Magnetická rezonanční spektroskopie

Magnetická rezonanční spektroskopie (MRS) je další proces založený na NMR pro hodnocení funkce v živém mozku. MRS využívá skutečnosti, že protony (atomy vodíku) sídlící v různých chemických prostředích v závislosti na molekule, kterou obývají (například H2O vs. protein) mají mírně odlišné rezonanční vlastnosti (chemický posun). Pro daný objem mozku (typicky > 1 cm krychlový) může být rozložení těchto H rezonancí zobrazeno jako spektrum.

Plocha pod vrcholem pro každou rezonanci poskytuje kvantitativní měřítko relativní hojnosti této sloučeniny. Největší vrchol se skládá z H2O. Existují však také rozpoznatelné vrcholy pro cholin, kreatin, N-acetylaspartát (NAA) a laktát. NAA je naštěstí většinou neaktivní v rámci neuronu, slouží jako prekurzor glutamátu a jako zásobník pro acetylové skupiny (k použití při syntéze mastných kyselin) – ale jeho relativní hladiny jsou rozumnou aproximací integrity a funkčního stavu neuronů. Onemocnění mozku (schizofrenie, mrtvice, některé nádory, roztroušená skleróza) lze charakterizovat regionální změnou hladin NAA ve srovnání se zdravými subjekty. Kreatin se používá jako relativní kontrolní hodnota, protože jeho hladiny zůstávají poměrně konstantní, zatímco hladiny cholinu a laktátu byly použity k hodnocení nádorů mozku.

Difuzní tenzorové zobrazování (DTI) je související použití MR k měření anatomické konektivity mezi oblastmi. Ačkoli se nejedná výhradně o funkční zobrazovací techniku, protože neměří dynamické změny mozkových funkcí, měření mezioblastní konektivity, která poskytuje, jsou doplňková k obrazům kortikální funkce poskytovaným metodou BOLD fMRI. Svazky bílé hmoty nesou funkční informace mezi oblastmi mozku. Difúzi molekul vody je bráněno napříč osami těchto svazků, takže měření difúze vody může odhalit informace o umístění velkých drah bílé hmoty. Nemoci, které narušují normální organizaci nebo integritu mozkové bílé hmoty (například roztroušená skleróza), mají kvantitativní dopad na měření DTI.

Funkční MRI má vysoké prostorové rozlišení, ale relativně špatné časové rozlišení (řádově několik sekund). Elektroecefalografie (EEG) přímo měří elektrickou aktivitu mozku, dává vysoké časové rozlišení (~milisekundy), ale nízké prostorové rozlišení. Obě techniky se proto doplňují a mohou být použity současně k záznamu mozkové aktivity.

Záznam EEG signálu uvnitř MRI systému je technicky náročný. MRI systém zavádí artefakty do záznamu EEG indukcí proudů v EEG vodičích prostřednictvím Faradayovy indukce. To se může dít několika různými mechanismy. Zobrazovací sekvence aplikuje sérii krátkých radiofrekvenčních pulsů, které indukují signál v EEG systému. Pulzy jsou krátké a relativně málo časté, takže rušení se lze vyhnout tím, že EEG systém během jejich přenosu zhasne (vypne). Přechody magnetického pole používané při zobrazování také indukují signál, který je těžší odstranit, protože je v podobném frekvenčním rozsahu jako EEG signál. Proud je také indukován, když se EEG vodiče pohybují uvnitř magnet vrtu (tj. když se pacient během vyšetření pohybuje). A konečně, pulsní průtok krve u pacienta ve statickém magnetickém poli také indukuje signál (tzv. balistokardiografický artefakt), který je také v příslušném frekvenčním rozsahu. EEG systém také ovlivňuje MRI sken. Kov v vodičích EEG a elektrodách může do MR snímků vnést artefakty citlivosti. Je také třeba dbát na omezení proudů indukovaných v vodičích EEG prostřednictvím MRI RF systému, které by mohly vodiče dostatečně zahřát, aby subjekt spálily.

Po souběžném zaznamenání EEG a fMRI dat je poslední překážkou společná registrace obou datových souborů, protože každý z nich je rekonstruován pomocí jiného algoritmu, který podléhá různým zkreslením.

Před vzestupem fMRI bylo funkční neurozobrazování typicky prováděno pomocí pozitronové emisní tomografie (PET) skenerů nebo vzácněji pomocí SPECT skenerů.
Niels A. Lassen a jeho spolupracovníci stojí v čele prvních snah funkčního neurozobrazování, využívajících radioaktivní plyny ke konstrukci snímků pracujícího mozku.

Tyto techniky nukleárního zobrazování nevyužívají vlastnosti nukleární magnetické rezonance a používají zcela odlišné skenery.

Přístupy k analýze dat fMRI

Pro typický fMRI sken je 3D objem hlavy subjektu snímán každou jednu nebo dvě sekundy, čímž se vytvoří několik stovek až několik tisíc úplných snímků za jedno skenovací sezení. Povaha MRI je taková, že tyto snímky jsou získány ve Fourierově transformačním prostoru, takže musí být transformovány zpět do obrazového prostoru, aby byly užitečné. Kvůli praktickým omezením skeneru nejsou Fourierovy vzorky získány na mřížce a nedokonalosti skeneru jako tepelný drift a šum hrotů přinášejí další zkreslení. Malé pohyby na straně subjektu a puls a dýchání subjektu také ovlivní snímky.

Doporučujeme:  Vizuální stimulace

Nejčastější situací je, že výzkumník používá pulzní sekvenci dodanou prodejcem skeneru, například sekvenci echoplanárního zobrazování (EPI), která umožňuje relativně rychlé pořízení mnoha snímků. Software v samotné platformě skeneru pak provádí rekonstrukci snímků z Fourierova transformačního prostoru. Během této fáze dochází ke ztrátě některých informací (konkrétně komplexní fáze rekonstruovaného signálu). Některé druhy artefaktů, například šum hrotů, se po rekonstrukci obtížněji odstraňují, ale pokud skener funguje dobře, považují se tyto artefakty za relativně nedůležité. U pulzních sekvencí, které prodejce neposkytuje, například spirální EPI, musí rekonstrukci provést software běžící na samostatné platformě.

Po rekonstrukci se výstup skenovacího sezení skládá z řady 3D snímků mozku. Nejčastějšími korekcemi prováděnými na těchto snímcích jsou korekce pohybu a korekce fyziologických efektů. Lze také provést korekci vnějšího okraje a prostorové a/nebo časové filtrování. Pokud se má za to, že úkol prováděný subjektem vyvolává výboje aktivace, které jsou v porovnání s dobou odezvy BOLD (řádově 6 sekund) krátké, lze v této fázi provést temporální filtrování s cílem pokusit se dekoncentrovat odezvu BOLD a obnovit časový vzorec aktivace.

V tomto bodě data poskytují časovou řadu vzorků pro každý voxel v naskenovaném svazku. Ke korelaci těchto časových řad voxelů s úlohou se používá celá řada metod, aby se vytvořily mapy aktivace závislé na úloze.

Některé fMRI neuroimaging software:

Realtime fMRI se pokouší získat a zpracovat data o aktivaci mozku v době, kdy probíhá skenování. Biofeedback smyčka pak může být vytvořena prezentací subjektu s jeho vlastními vzorci aktivace mozku v době, kdy je skenován. Pomocí této techniky bylo zkoumáno, zda pacienti mohou využít povědomí o lokalizovaných vzorcích aktivace mozku ke snížení příznaků sociální úzkostné poruchy a chronické bolesti, s některými hlášenými úspěchy . Jiné výzkumné skupiny používaly tuto metodu v aplikacích pro ověření koncepce k výcviku subjektů ovládat hru pong pouze pomocí jejich mozku .

Dosud se v aplikacích v reálném čase používala pouze BOLD fMRI, která zpožďuje signál přibližně o 2-5 sekund kvůli fyziologickému zpoždění hemodynamické odpovědi. V budoucnu mohou jiné metody fMRI, které nespoléhají na sekundárního posla, jako je průtok krve, zpoždění snížit a umožnit bezprostřednější generování signálu.

Cena fMRI skenerů je přibližně stejná jako u MRI skenerů, protože fMRI je pouze specializovaný typ MRI skenu (funkční MRI). MRI vybavení je drahé, i když se očekává, že cena bude brzy exponenciálně klesat v důsledku náhlého zvratu nedávných objevů. Nové 1.5 tesla skenery často stojí od $1,000,000 USD do $1,500,000 USD. Nové 3.0 tesla skenery často stojí od $2,000,000 do $2,300,000 USD. Výstavba MRI apartmá může stát $500,000 USD.

V současné době v USA roste zájem o snížení nákladů spojených se službami fMRI a současně o zlepšení schopnosti efektivně a efektivně poskytovat služby fMRI vyšetření většímu počtu výzkumníků/dalších lidí se stejným vybavením.

Většina fMRI skenů je určena pro výzkum a klinické využití je omezené. Výzkumné skeny obvykle provádějí sami výzkumníci.
Bylo však založeno několik společností, které se pokoušejí prodávat hardware nebo služby specifické pro fMRI pro výzkum nebo klinické využití, např.,

Byly založeny nejméně dvě společnosti, které používají fMRI při detekci lži (No Lie MRI, Inc a Cephos Corporation).
Užitečnost detekce lži pomocí fMRI je zpochybňována.
V epizodě 109 populárního vědeckého pořadu Bořiči mýtů se tři členové stavebního týmu pokusili oklamat test fMRI.
Ačkoli dva z nich byli neúspěšní, třetímu se podařilo úspěšně oklamat přístroj.
Signály jsou extrapolovány z fMRI přístroje na obrazovku, která zobrazuje aktivní oblasti mozku. Podle toho, které oblasti jsou nejaktivnější, může technik určit, zda subjekt mluví pravdu nebo ne.
Tato technologie je v rané fázi vývoje a mnoho jejích zastánců doufá, že nahradí starší techniky detekce lži.

Scott A. Huettel, Allen W. Song, Gregory McCarthy, Functional Magnetic Resonance Imaging, Sinauer Associates, 2004, ISBN 0-87893-288-7

Richard B. Buxton, An Introduction to Functional Magnetic Resonance Imaging: Principles and Techniques, Cambridge Univ Press, 2002, ISBN 0-52158-113-3

Weiller C et al (2006). Role funkčního zobrazování při neurologických poruchách. Journal of Magnetic Resonance Imaging 23 (6): 840-850.

Lin, Lyons, a Berkowitz (2007). Somatotopic Identification of Language-SMA in Language Processing via fMRI. Journal of Scientific and Practical Computing 1 (2): 3-8.