Neuroimaging

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 7 februari 2018; kontroller kräver 8 redigeringar .

Neuroimaging är ett gemensamt namn för flera metoder som möjliggör visualisering av hjärnans  struktur, funktion och biokemiska egenskaper [1] .

Inkluderar datortomografi , magnetisk resonanstomografi , etc. Detta är en relativt ny disciplin, som är en gren av medicin, och mer specifikt, neurologi , neurokirurgi och psykiatri .

Klassificering

Neuroimaging inkluderar två breda kategorier:

  1. Strukturell avbildning som beskriver hjärnans struktur och diagnos av stora intrakraniella sjukdomar ( tumör eller TBI );
  2. Funktionell neuroimaging , används för tidig diagnos av metabola störningar (såsom Alzheimers sjukdom ), såväl som för neurovetenskap och kognitiv psykologisk forskning och design av hjärn-dator-gränssnitt .

Funktionell neuroimaging gör det till exempel möjligt att visualisera informationsbehandling i hjärncentra. Sådan bearbetning ökar metabolismen av dessa centra och "belyser" skanningen (bilden som erhålls genom neuroimaging). En av de mest kontroversiella frågorna är forskning om sinnesigenkänning , eller att "läsa" dem.

Historik

Det första kapitlet i neuroimaging-spårens historia gick tillbaka till den italienska neuroforskaren Angelo Mosso , som uppfann den "mänskliga cirkulationsbalansen" som icke-invasivt kunde mäta blodomfördelning under känslomässig och intellektuell aktivering [2] . Detta förblev i stort sett okänt tills nyligen upptäcktes av Mossos-manuskripten tack vare Stefano Sandrone och kollegor [3] .

År 1918 var den amerikanske neurokirurgen W. E. Dandy banbrytande för tekniken för ventrikulografi . Röntgenbilder av hjärnkamrarna utfördes genom att injicera filtrerad luft direkt i hjärnans laterala ventrikel. W. E. Dandy observerade också hur luft som förs in i det subarachnoidala utrymmet genom en lumbalpunktion kan komma in i hjärnans ventriklar och påvisade områden av CSF vid basen och på hjärnans yta. forskningsmetoden kallades pneumoencefalografi.

1927 introducerade Egas Moniz hjärnangiografi i praktiken .(se även angiografi ), som visualiserar normala och onormala blodkärl i hjärnan med hög upplösning.

I början av 1970 -talet introducerade A. M. Kormak och G. N. Hounsfield CT i praktiken . Det gjorde det möjligt att ta ännu mer detaljerade anatomiska bilder och använda dem för diagnostik och forskning. 1979 vann de Nobelpriset i fysiologi eller medicin för sin uppfinning. Strax efter införandet av QD, i början av 1980-talet, forskning om radioliganderledde till upptäckten av SPECT och PET i hjärnan.

MRT utvecklades ungefär samtidigt av Sir P. Mansfield och P.C. Lauterbur . 2003 tilldelades de Nobelpriset i fysiologi eller medicin. I början av 1980 -talet började MRT användas på kliniken, och på 1980-talet skedde en verklig explosion i användningen av denna teknik i diagnostik. Forskare upptäckte snabbt att betydande förändringar i blodcirkulationen kunde diagnostiseras med en speciell typ av MRT. Det var så fMRI upptäcktes, och sedan 1990 -talet har det börjat dominera hjärntopografin på grund av dess minimala invasivitet, frånvaro av strålning och relativt breda tillgänglighet. fMRI börjar också dominera diagnosen stroke .

I början av 2000- talet nådde neuroimaging en punkt där tidigare begränsade funktionsstudier av hjärnan blev tillgängliga. Dess huvudsakliga tillämpning är fortfarande otillräckligt utvecklade metoder för neurodatorgränssnitt.

Hjärnavbildningstekniker

Datortomografi av huvudet

Datortomografi (CT) eller datoraxiell tomografi (CAT) använder en serie röntgenstrålar riktade mot huvudet från ett stort antal olika riktningar. Det används vanligtvis för snabb visualisering av TBI. CT använder ett datorprogram som utför en digital integralberäkning ( inversion av Radontransformen ) av serien av röntgenstrålar som mäts. Den beräknar hur dessa strålar absorberas av hjärnans volym. Vanligtvis presenteras information i form av skivor av hjärnan [4] .

Diffus optisk tomografi

Diffus optisk tomografi(DOT) är en medicinsk avbildningsteknik som använder infraröd strålning för att avbilda människokroppen. Tekniken mäter den optiska absorptionen av hemoglobin och förlitar sig på dess absorptionsspektrum som en funktion av syremättnad .

Optiska signaler modifierade av en händelse

Optisk signal modifierad av händelse - neuroimaging teknologi som använder infraröd strålning, som passerar genom optiska fibrer och mäter skillnaden i de optiska egenskaperna hos aktiva områden i hjärnbarken . Medan DOT och nära-infraröd spektroskopi mäter den optiska absorptionen av hemoglobin och därför baseras på blodcirkulationen, är fördelen med denna metod baserad på studien av individuella neuroner , det vill säga den mäter direkt cellulär aktivitet. Händelsemodifierad optisk signalteknik kan exakt identifiera hjärnaktivitet ner till millimeters (spatial) upplösning och inom millisekunder . Den största nackdelen med tekniken är oförmågan att identifiera aktiviteten hos neuroner som är mer än några centimeter djupa. Detta är en ny, relativt billig teknik som är icke-invasiv för patienten. Det utvecklades av University of Illinois i Urbana-Champaign , där det nu används i Cognitive Neuroimaging Laboratory av Dr. Gabriel Gratton och Dr. Monica Fabiani.

Magnetisk resonanstomografi

MRT använder magnetfält och radiovågor för att visualisera 2D- och 3D-bilder av hjärnans strukturer utan användning av joniserande strålning (strålning) eller radioaktiva markörer.

Funktionell magnetisk resonanstomografi

Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) är baserad på de paramagnetiska egenskaperna hos syresatt och syrefattigt hemoglobin och gör det möjligt att se förändringar i hjärnans blodcirkulation beroende på dess aktivitet. Sådana bilder visar vilka delar av hjärnan som aktiveras (och hur) under vissa uppgifter.

De flesta fMRI-skannrar låter personen presentera olika visuella bilder, ljud och taktila stimuli och utföra åtgärder som att trycka på en knapp eller flytta en joystick . Därför kan fMRI användas för att visa hjärnstrukturer och processer relaterade till perception, tänkande och rörelse. fMRI-upplösningen är för närvarande 2–3 mm, begränsad av blodtillförseln som påverkar neuronaktiviteten . Det ersätter i huvudsak PET i studiet av typer av hjärnaktivering. PET har emellertid den betydande fördelen att kunna identifiera specifika cellreceptorer eller ( monoaminsändare) associerade med neurotransmittorer på grund av visualiseringen av radiomärkt receptor " ligander " (en receptorligand är en kemikalie som är bunden till en receptor).

fMRI används både för medicinsk forskning och (i allt högre grad) för diagnostiska ändamål. Eftersom fMRI är extremt känsligt för cirkulationsförändringar, är det mycket bra på att diagnostisera ischemi , till exempel vid stroke. Tidig diagnos av stroke blir allt viktigare inom neurologin, eftersom läkemedel som löser upp koagulerat blod kan användas under de första timmarna och för en viss typ av stroke, medan de kan vara farliga senare. fMRI i sådana fall gör det möjligt att fatta rätt beslut.

fMRI kan också användas för tankeigenkänning. I ett experiment med en noggrannhet på 72%–90% [5] kunde fMRI avgöra vilken uppsättning bilder som försökspersonen tittade på [6] . Snart, enligt författarna till forskningen, kommer det tack vare denna teknik att vara möjligt att fastställa vad exakt individen ser framför sig [6] . Denna teknik kan användas för att visualisera drömmar , tidig varning om hjärnsjukdomar, skapa gränssnitt för förlamade människor att kommunicera med omvärlden, marknadsföra reklamprogram och kampen mot terrorism och brottslighet [6] .

Magnetoencefalografi

Magnetoencefalografi (MEG) är en neuroavbildningsteknik som används för att mäta magnetiska fält som produceras av hjärnans elektriska aktivitet genom mycket känsliga enheter som SQUID . MEG använder en direkt mätning av neuronernas elektriska aktivitet, mer exakt än till exempel fMRI, med mycket hög upplösning i tid men liten i rymden. Fördelen med att mäta sådana magnetfält är att de inte förvrängs av omgivande vävnad , till skillnad från de elektriska fält som mäts med EEG .

Det finns många tillämpningar av MEG, inklusive att hjälpa neurokirurger att lokalisera patologi, att hjälpa forskare att lokalisera hjärnans funktion, att studera neural feedback och andra.

Positronemissionstomografi

Positron emission tomography (PET) mäter frisättningen av radioaktivt märkta metaboliskt aktiva kemikalier som injiceras i blodomloppet. Informationen bearbetas av en dator till 2- eller 3-dimensionella bilder av fördelningen av dessa kemikalier i hjärnan [7] . De positronemitterande radioisotoperna produceras av cyklotronen och kemikalierna är märkta med radioaktiva atomer . En radioaktivt märkt enhet, kallad ett radioaktivt spårämne , injiceras i blodomloppet och når så småningom hjärnan. Sensorer i PET-skannern registrerar radioaktivitet när ett radioaktivt spårämne ackumuleras i olika hjärnstrukturer. Datorn använder informationen som samlas in från sensorerna för att skapa 2- och 3-dimensionella flerfärgade bilder som återspeglar fördelningen av indikatorn i hjärnan. För närvarande används ofta hela grupper av olika ligander för att kartlägga olika aspekter av neurotransmittoraktivitet. Det vanligaste PET-spårämnet förblir dock den märkta formen av glukos (se Fluorodeoxiglukos (FDG)), vilket visar fördelningen av metabolisk aktivitet i hjärnceller.

Den största fördelen med PET är att olika radiospårämnen kan visa blodcirkulation, syresättning och glukosmetabolism i den arbetande hjärnans vävnader. Dessa mätningar visar mängden hjärnaktivitet i olika delar av hjärnan och ger en möjlighet att lära sig mer om hur det fungerar. PET är överlägsen andra metaboliska bildbehandlingstekniker när det gäller upplösning och hastighet (gör en skanning inom 30 sekunder). Den förbättrade upplösningen gjorde det möjligt att bättre studera hjärnan aktiverad av en viss uppgift. Den största nackdelen med PET är att radioaktiviteten avtar snabbt, vilket begränsar övervakningen till endast korta uppgifter [8] . Innan tillgången till fMRI var PET den dominerande funktionella (i motsats till strukturell) neuroavbildningstekniken och fortsätter att ge stora bidrag till neurovetenskapen idag.

PET används också för att diagnostisera hjärnsjukdomar, främst på grund av att hjärntumörer , stroke och neuronskadande sjukdomar som orsakar demens (som Alzheimers sjukdom) kraftigt försämrar hjärnans metabolism, vilket leder till lätt synliga förändringar på PET-skanningar. PET är förmodligen mest användbar i tidiga fall av vissa demenssjukdomar (klassiska exempel är Alzheimers sjukdom och Picks sjukdom ), där tidiga funktionsnedsättningar är särskilt diffusa och resulterar i skillnader i hjärnvolym och makroskopisk struktur som är för små för att ses på CT eller standard MRT som inte kan skilja dem från den vanliga åldersrelaterade involutionen (atrofi) som inte orsakar klinisk demens.

Datortomografi för singelfotonemission

Single photon emission computed tomography (SPECT) liknar PET och använder gammastrålning som sänds ut av radioisotoper och en gammakamera för att registrera information på en dator i form av 2- eller 3-dimensionella bilder av aktiva områden i hjärnan [9] . SPECT kräver en injektion av en radioaktiv markör som snabbt tas upp av hjärnan men inte omfördelas. Dess konsumtion är cirka 100 % inom 30-60 sekunder, vilket återspeglar blodtillförseln till hjärnan vid tidpunkten för injektionen. Dessa egenskaper hos SPECT gör den särskilt lämplig för att visualisera epilepsi , vilket vanligtvis är svårt på grund av patientrörelser och olika typer av anfall . SPECT ger en "ögonblicksbild" av blodtillförseln till hjärnan, eftersom skanningar kan göras direkt efter att anfallet har avslutats (medan markören injicerades under anfallet). En betydande begränsning av SPECT är den låga upplösningen (upp till 1 cm) jämfört med MRT.

Precis som PET kan SPECT också användas för att differentiera de processer som leder till demens. Det används mer och mer för detta. Neuro-PET har nackdelen att använda indikatorer med en halveringstid på 110 minuter såsom FDG. De produceras av cyklotronen och är dyra, eller till och med otillgängliga när transporttiden överstiger halveringstiden. SPECT kan dock använda indikatorer med lång halveringstid, såsom technetium-99m . Som ett resultat kan det användas mycket mer allmänt.

Anteckningar

  1. ↑ Filler, A.G. Historien, utvecklingen och effekten av datoravbildning i neurologisk diagnostik och neurokirurgi: CT, MRI, DTI. Tillgänglig från Nature Precedings  (engelska)  // Neurosurgical Focus (in press). - Juli 2009. - doi : 10.1038/npre.2009.3267.5 .
  2. ↑ Sandrone et al. Angelo Mosso  //  Journal of Neurology : journal. - 2012. - Vol. 259 , nr. 11 . - P. 2513-2514 . - doi : 10.1007/s00415-012-6632-1 . — PMID 23010944 .
  3. ↑ Sandrone et al. Vägning av hjärnaktivitet med vågen: Angelo Mossos originalmanuskript kommer  fram //  Hjärna : journal. - Oxford University Press , 2014. - Vol. 137 , nr. Pt 2 . - s. 621-633 . - doi : 10.1093/brain/awt091 . — PMID 23687118 .
  4. ↑ Malcom Jeeves. Mind Fields: Reflections on the Science of Mind and Brain  //  Grand Rapids, MI: Baker Books. — S. 21 .
  5. ↑ Kerry Smith. Tankeläsning med hjärnskanning  (engelska)  // Nature News. — 2008.
  6. ↑ 1 2 3 Brandon Keim. Hjärnskannern kan berätta vad du tittar  på . Wired News (5 mars 2008). "En hjärnskanner kan berätta vad du tittar på." Datum för åtkomst: 30 september 2017. Arkiverad från originalet den 2 februari 2012.
  7. ↑ Lars-Göran Nilsson och Hans J. Markowitsch. Cognitive Neuroscience of Memory = Cognitive Neuroscience of Memory. — Seattle: Hogrefe & Huber Publishers, 1999 . - S. 57.
  8. ↑ Lars-Göran Nilsson och Hans J. Markowitsch. Cognitive Neuroscience of Memory = Cognitive Neuroscience of Memory. — Seattle: Hogrefe & Huber Publishers, 1999 . - S. 60.
  9. ↑ Philip Ball. Hjärnavbildning förklaras   // Nature . - 12 juli 2001. - Nej . 412 . - S. 150-157 .
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk