Imagistica prin rezonanță magnetică funcțională , RMN funcțional sau fMRI ( ing. Imagistica prin rezonanță magnetică funcțională ) este un tip de imagistică prin rezonanță magnetică , care este efectuată pentru a măsura reacțiile hemodinamice (modificări ale fluxului sanguin) cauzate de activitatea neuronală a creierului sau a măduvei spinării . Această metodă se bazează pe faptul că fluxul sanguin cerebral și activitatea neuronală sunt interconectate. Când o zonă a creierului este activă, fluxul de sânge către acea zonă crește și el [1] .
fMRI vă permite să determinați activarea unei anumite zone a creierului în timpul funcționării sale normale sub influența diferiților factori fizici (de exemplu, mișcarea corpului) și în diferite condiții patologice.
Astăzi este unul dintre tipurile de neuroimagini care se dezvoltă cel mai activ . De la începutul anilor 1990, RMN-ul funcțional a dominat domeniul imagistică cerebrală datorită invazivității sale relativ scăzute, lipsei de expunere la radiații și disponibilității relativ largi.
La sfârșitul secolului al XIX-lea, Angelo Mosso a inventat aparatul „echilibrul circulației umane”, care putea măsura în mod neinvaziv redistribuirea sângelui în timpul activității emoționale și intelectuale. Deși aparatul a fost menționat în scrierile lui William James , detaliile, designul exact și datele despre experimentele efectuate au rămas necunoscute mult timp până la descoperirea recentă a documentului original și a rapoartelor Mosso de către Stefan Sandro și colegii săi. [2] Manuscrisele Mosso nu oferă dovezi directe că „echilibrul” a fost de fapt capabil să măsoare modificările fluxului sanguin cerebral ca urmare a activității cognitive, cu toate acestea, replicarea modernă a aparatului, realizată de David Field [3] în prezent, folosind tehnici moderne de procesare a semnalului, indisponibile pentru Mosso, arată că dispozitivul ar putea detecta modificări ale fluxului sanguin cerebral ca urmare a activității cognitive.
În 1890, la Universitatea din Cambridge, Charles Roy și Charles Sherrington au fost primii care au legat experimental performanța creierului cu fluxul sanguin. [4] Următorul pas în problema modului de măsurare a fluxului sanguin cerebral a fost descoperirea lui Linus Pauling și Charles Korel în 1936. Descoperirea a fost că sângele bogat în oxigen cu Hb a fost respins slab de câmpurile magnetice, în timp ce sângele sărăcit în oxigen cu dHb a fost atras de câmpurile magnetice, deși mai puțin decât materialele feromagnetice precum fierul. Seiji Ogawa de la Bell Labs a recunoscut că această proprietate ar putea fi folosită pentru a îmbunătăți semnalul RMN, deoarece proprietățile magnetice diferite ale dHb și Hb ar provoca modificări marcate ale semnalului RMN cauzate de fluxul sanguin în zonele activate ale creierului. BOLD (dependența de nivelul de oxigen) este un contrast RMN descoperit de Ogawa în 1990. În cercetările de bază din 1990, pe baza lucrărilor lui Tulborn și colab., Ogawa și colegii săi au studiat rozătoarele expuse la un câmp magnetic puternic. Pentru a controla nivelul de oxigen din sânge, au modificat conținutul de oxigen din aer pe care îl respirau animalele. Imediat ce proporția de oxigen a scăzut, pe RMN a apărut o hartă a fluxului sanguin. Ei au testat acest lucru plasând tuburi de sânge bogat în oxigen și sânge venos și apoi creând imagini separate. Pentru a arăta aceste modificări ale fluxului sanguin asociate cu activitatea funcțională a creierului, au schimbat compoziția aerului pe care șobolanii îl respirau și l-au văzut simultan în timp ce monitorizau activitatea creierului pe un EEG . [5]
Creierul nu este proiectat funcțional pentru a stoca glucoză - principala sursă de energie. Cu toate acestea, pentru activarea neuronilor și acțiunea pompelor ionice, care determină funcționarea normală a creierului, este nevoie de energie din glucoză. Energia din glucoză vine din sânge. Odată cu sângele, ca urmare a expansiunii vaselor de sânge, sunt transportate și moleculele de hemoglobină care conțin oxigen din globulele roșii. Modificarea fluxului sanguin este localizată în 2 sau în zona activității neuronale. De obicei, creșterea concentrației de oxigen este mai mare decât oxigenul utilizat pentru arderea glucozei (în prezent nu este determinat dacă toată glucoza este oxidată ), iar acest lucru duce la o scădere generală a hemoglobinei . În acest caz, proprietățile magnetice ale sângelui se modifică, împiedicând magnetizarea acestuia, ceea ce duce ulterior la crearea unui proces indus de RMN. [6]
Fluxul sanguin al creierului depinde în mod neuniform de consumul de glucoză în diferite zone ale creierului. Rezultatele preliminare arată că unele zone ale creierului au un flux sanguin mai mare decât ar fi adecvat pentru consum. De exemplu, în zone precum amigdala , ganglionii bazali , talamus și cortexul cingulat , care sunt recrutate pentru un răspuns rapid. În zonele mai deliberative, precum lobii parietali laterali, frontali și laterali, dimpotrivă, pe baza observațiilor, rezultă că debitul de intrare este mai mic decât debitul. Acest lucru afectează foarte mult sensibilitatea. [7]
Hemoglobina diferă în modul în care reacționează la câmpurile magnetice, în funcție de faptul că se leagă de o moleculă de oxigen . Molecula de hemoglobină răspunde mai bine la acțiunea unui câmp magnetic. În consecință, distorsionează câmpul magnetic care îl înconjoară, indus de scanerul de rezonanță magnetică, determinând nucleele să își piardă magnetizarea mai rapid prin timpul de înjumătățire . Astfel, semnalul RMN este mai bun în acele zone ale creierului în care sângele este foarte saturat cu oxigen și mai puțin în care nu există oxigen. Acest efect crește pe măsură ce pătratul intensității câmpului magnetic. Prin urmare, semnalul fMRI necesită un câmp magnetic puternic (1,5 T și mai mult) și un tren de impulsuri, cum ar fi un EPI, care este sensibil la timpul de înjumătățire. [opt]
Răspunsul fiziologic al fluxului sanguin determină în mare măsură sensibilitatea temporală, adică cât de exact putem măsura perioada de activitate a neuronilor și la ce oră sunt activi, marcând fMRI BOLD ( Blood Oxygen Level Imaging). Rezoluția parametrică temporală principală este - FR, care dictează cât de des o anumită parte a creierului este excitată și își pierde magnetizarea. TRS poate varia de la foarte scurt (500 ms) la foarte lung (3s). Pentru fMRI în special, răspunsul hemodinamic durează peste 10 secunde, crescând multiplicativ cu un vârf la 4 până la 6 secunde și apoi scăzând multiplicativ. Modificări ale sistemului de flux sanguin, sistemului vascular, integrarea răspunsurilor activității neuronale în timp. Deoarece acest răspuns este o funcție continuă lină, eșantionarea. Mai multe puncte pe curba de răspuns pot fi obținute oricum prin interpolare liniară simplă. Paradigmele experimentale pot îmbunătăți rezoluția temporală , dar vor reduce numărul de puncte de date efective obținute experimental. [9]
Modificarea semnalului MR din activitatea neuronală se numește răspuns hemodinamic (HO). Poate întârzia evenimentele neuronale cu 1-2 secunde, datorită faptului că sistemul vascular reacționează suficient de mult la nevoia creierului de glucoză . Din acest moment, de obicei atinge vârfurile la aproximativ 5 secunde după stimulare (în acest caz, ne referim la încorporarea glucozei). Dacă neuronii continuă să fie activi de la un stimul continuu, vârful se extinde la un platou plat în timp ce neuronii rămân activi. După ce activitatea ZUKV se oprește, semnalul scade sub nivelul inițial, linia de bază, care se numește „abatere de la nominal”. În timp, semnalul este restabilit la nivelul de bază. Există unele dovezi că solicitările metabolice continue într-o zonă a creierului contribuie la derating. [patru]
Mecanismul prin care sistemul nervos se alimentează în sistemul vascular necesită mai multă glucoză, inclusiv o parte care este eliberată din glutamat ca parte a arderii neuronale. Glutamatul afectează cele mai apropiate celule de susținere, astrocitele , provocând o modificare a concentrației ionilor de calciu . Aceasta, la rândul său, eliberează oxid nitric în punctul de contact dintre astrocite și vasele de sânge medii, arteriole . Oxidul nitric este un vasodilatator , determinând dilatarea arteriolelor și atragerea mai multă sânge în el. [5]
Răspunsul unui voxel pe o perioadă de timp se numește curs de timp. De regulă, semnalul nedorit, numit zgomot, de la scaner, activitate neregulată, interferență și elemente similare este proporțional cu valoarea semnalului util. Pentru a elimina aceste zgomote, studiile fMRI sunt repetate de mai multe ori. [zece]
Rezoluția spațială a unui studiu fMRI este definită ca fiind capacitatea echipamentului de a distinge între limitele creierului și locațiile din apropiere. Se măsoară în dimensiunea voxelului , ca în RMN . Un voxel este o cutie dreptunghiulară tridimensională ale cărei dimensiuni sunt determinate de grosimea feliei, aria feliei și grilele suprapuse pe felie prin scanare. Imagistica completă a creierului utilizează voxeli mai mari, în timp ce cei specializați în anumite regiuni de interes tind să folosească dimensiuni mai mici. Dimensiunile variază de la 4-5 mm până la 1 mm. Astfel, dimensiunile voxelilor depind direct de zona de măsurare. Cu toate acestea, timpul de scanare crește direct odată cu creșterea numărului de voxeli în funcție de felie și numărul de felii. Acest lucru poate duce la disconfort pentru subiectul din interiorul scanerului și la pierderea magnetizării semnalului . Voxelii conțin de obicei câteva milioane de neuroni fiecare și zeci de miliarde de sinapse . [unsprezece]
Sistemul arterial vascular , care furnizează sânge proaspăt oxigenat, se ramifică în vase din ce în ce mai mici care intră în regiunile superficiale ale creierului și în structurile sale interne. Punctul culminant este conexiunea capilarelor din creier. Sistemele de drenaj, în același mod, se contopesc în vene din ce în ce mai mari care transportă sângele sărac în oxigen. Hemoglobina contribuie la semnalul fMRI de la ambele capilare din apropierea zonei de activitate a venelor mari și drenante.Pentru o bună rezoluție spațială, semnalul de la venele mari trebuie suprimat, deoarece nu corespunde zonei site-ului activitate neuronală. Acest lucru poate fi realizat fie prin utilizarea unui câmp magnetic DC puternic, fie prin utilizarea unui tren de impulsuri spin-ecou. Împreună cu aceasta, fMRI poate explora intervalul spațial de la milimetri la centimetri și, prin urmare, poate identifica zone Brodmann (centimeri), nuclei subcorticali, cum ar fi caudat, putamen și talamus , hipocamp , cum ar fi girobul dentat combinat/CA3, CA1 și subiculul . . [3]
Rezoluția temporală este cea mai mică perioadă de timp de activitate neuronală care poate fi determinată cu mare precizie folosind fMRI.
Rezoluția temporală depinde de capacitatea creierului de a procesa date pentru un anumit timp, aflându-se în situații diferite. De exemplu, un sistem de procesare vizuală este specificat într-o gamă largă. Ceea ce vede ochiul este înregistrat pe fotoreceptorii retinei în câteva milisecunde. Aceste semnale ajung la cortexul vizual primar prin talamus în zeci de milisecunde. Activitatea neuronilor asociată cu actul de a vedea durează puțin mai mult de 100 ms. Reacțiile rapide, cum ar fi o viraj strâns pentru a evita un accident durează aproximativ 200 ms. Reacția are loc aproximativ în a doua jumătate a conștientizării și înțelegerii a ceea ce sa întâmplat. Amintirea unui astfel de eveniment poate dura câteva secunde, iar schimbările emoționale sau fiziologice, cum ar fi frica, excitarea, pot dura minute sau ore. Evenimentele de recunoaștere a feței pot dura zile, luni sau ani. Majoritatea studiilor fmri asupra proceselor creierului durează câteva secunde, studiile efectuate pe parcursul a câteva zeci de minute. O schimbare a stării psiho-emoționale poate schimba comportamentul subiectului și procesele sale cognitive. [9]
Când o persoană îndeplinește două sarcini în același timp, se așteaptă ca răspunsul VUK să se adauge liniar. Aceasta este ipoteza fundamentală a multor studii fmri. Adunarea liniară înseamnă scalarea separată a fiecărui proces de interes și apoi însumarea lor. Deoarece scalarea este pur și simplu o înmulțire cu un număr constant, aceasta înseamnă că un eveniment care este declanșat, să zicem, de două ori în răspunsuri neuronale poate fi modelat ca un anumit eveniment fiind prezentat de două ori în același timp. [2]
| Metode de imagistică medicală | |
|---|---|
| Raze X |
|
| Rezonanță magnetică | |
| Radionuclidul | |
| optică (laser) | |
| cu ultrasunete |
|
| Endoscopic | |