Funktionell magnetresonanstomografi , funktionell MRI eller fMRI ( eng. Functional magnetic resonance imaging ) är en typ av magnetisk resonanstomografi , som utförs för att mäta hemodynamiska reaktioner (förändringar i blodflödet) orsakade av neuronal aktivitet i hjärnan eller ryggmärgen . Denna metod är baserad på det faktum att cerebralt blodflöde och neuronaktivitet är sammankopplade. När ett område i hjärnan är aktivt ökar även blodflödet till det området [1] .
fMRI låter dig bestämma aktiveringen av ett visst område av hjärnan under dess normala funktion under påverkan av olika fysiska faktorer (till exempel kroppsrörelse) och under olika patologiska tillstånd.
Idag är det en av de mest aktivt utvecklande typerna av neuroimaging . Sedan början av 1990-talet har funktionell MRT dominerat området för hjärnavbildning på grund av dess relativt låga invasivitet, bristande exponering för strålning och relativt breda tillgänglighet.
I slutet av 1800-talet uppfann Angelo Mosso apparaten "mänsklig cirkulationsbalans", som icke-invasivt kunde mäta omfördelningen av blod under känslomässig och intellektuell aktivitet. Även om apparaten nämndes i William James skrifter , förblev detaljerna, den exakta designen och data om de utförda experimenten okända under lång tid tills den nyligen upptäckta originaldokumentet och Mosso-rapporter av Stefan Sandro och hans kollegor. [2] Mosso-manuskripten ger inga direkta bevis för att "balans" faktiskt kunde mäta förändringar i cerebralt blodflöde som ett resultat av kognitiv aktivitet, men modern replikering av apparaten, utförd av David Field [3] för närvarande, med modern signalbehandlingsteknik, otillgänglig för Mosso, visar att enheten kan upptäcka förändringar i hjärnans blodflöde som ett resultat av kognitiv aktivitet.
1890, vid University of Cambridge, var Charles Roy och Charles Sherrington de första som experimentellt kopplade hjärnans prestanda med blodflödet. [4] Nästa steg i problemet med hur man mäter hjärnans blodflöde var upptäckten av Linus Pauling och Charles Korel 1936. Upptäckten var att syrerikt blod med Hb stöttes svagt bort av magnetfält, medan syrefattigt blod med dHb attraherades av magnetfält, om än mindre än ferromagnetiska material som järn. Seiji Ogawa från Bell Labs insåg att denna egenskap kunde användas för att förbättra MRI-signalen, eftersom de olika magnetiska egenskaperna hos dHb och Hb skulle orsaka markanta förändringar i MRT-signalen orsakad av blodflödet till de aktiverade områdena i hjärnan. BOLD (syrenivåberoende) är en MRT-kontrast som upptäcktes av Ogawa 1990. I grundforskning 1990, baserat på Tulborn et al.s arbete, studerade Ogawa och kollegor gnagare utsatta för ett starkt magnetfält. För att kontrollera syrenivån i blodet ändrade de syrehalten i luften som djuren andades. Så fort andelen syre föll dök en blodflödeskarta upp på MRT. De testade detta genom att placera rör med syrerikt blod och venöst blod och sedan skapa separata bilder. För att visa dessa förändringar i blodflödet i samband med funktionell hjärnaktivitet ändrade de sammansättningen av luften som råttorna andades och såg den samtidigt medan de övervakade hjärnaktiviteten på ett EEG . [5]
Hjärnan är inte funktionellt utformad för att lagra glukos - den huvudsakliga energikällan. Men för aktivering av neuroner och verkan av jonpumpar, som bestämmer hjärnans normala funktion, behövs energi från glukos. Energi från glukos kommer från blodomloppet. Tillsammans med blodet, som ett resultat av expansionen av blodkärlen, transporteras också syrehaltiga hemoglobinmolekyler i röda blodkroppar. Förändringen i blodflödet är lokaliserad inom 2 eller i området för neuronal aktivitet. Vanligtvis är ökningen av syrekoncentrationen större än det syre som används för att bränna glukos (det är för närvarande inte bestämt om all glukos är oxiderad ), och detta leder till en total minskning av hemoglobin . I det här fallet förändras blodets magnetiska egenskaper, vilket förhindrar dess magnetisering, vilket sedan leder till skapandet av en MRI-inducerad process. [6]
Hjärnans blodflöde är ojämnt beroende av konsumtionen av glukos i olika delar av hjärnan. Preliminära resultat visar att vissa delar av hjärnan har mer blodflöde än vad som skulle vara lämpligt för konsumtion. Till exempel i områden som amygdala , basala ganglier , thalamus och cingulate cortex, som rekryteras för snabb respons. I områden som är mer övervägande, såsom de laterala, frontala och laterala parietalloberna, tvärtom, baserat på observationer, följer att det inkommande flödet är mindre än flödet. Detta påverkar i hög grad känsligheten. [7]
Hemoglobin skiljer sig i hur det reagerar på magnetfält, beroende på om det har en bindning till en syremolekyl . Hemoglobinmolekylen reagerar bättre på verkan av ett magnetfält. Följaktligen förvränger det magnetfältet som omger det, inducerat av magnetresonansskannern, vilket gör att kärnorna förlorar sin magnetisering snabbare under halveringstiden . Således är MRT-signalen bättre i de områden av hjärnan där blodet är mycket mättat med syre och mindre där det inte finns något syre. Denna effekt ökar med kvadraten på magnetfältets styrka. fMRI-signalen behöver därför ett starkt magnetfält (1,5 T och uppåt) och ett pulståg såsom en EPI som är känslig för halveringstid. [åtta]
Det fysiologiska svaret av blodflödet bestämmer till stor del den tidsmässiga känsligheten, det vill säga hur noggrant vi kan mäta aktivitetsperioden för neuroner och vid vilken tidpunkt de är aktiva, vilket markerar FET ( Blood Oxygen Level Imaging) fMRI. Den huvudsakliga temporala parametriska upplösningen är - FR, som dikterar hur ofta en viss del av hjärnan exciteras och förlorar sin magnetisering. TRS kan variera från mycket kort (500ms) till mycket lång (3s). För fMRI i synnerhet varar det hemodynamiska svaret över 10 sekunder, ökar multiplikativt med en topp vid 4 till 6 sekunder och faller sedan multiplikativt. Förändringar i blodflödessystemet, kärlsystemet, integration av neurala aktivitetssvar över tid. Eftersom detta svar är en jämn kontinuerlig funktion, sampling. Fler punkter på svarskurvan kan ändå erhållas genom enkel linjär interpolation. Experimentella paradigm kan förbättra tidsupplösningen men kommer att minska antalet effektiva datapunkter som erhålls experimentellt . [9]
Förändringen i MR- signalen från neuronal aktivitet kallas hemodynamisk respons (HO). Det kan fördröja neurala händelser med 1-2 sekunder, på grund av att kärlsystemet reagerar tillräckligt länge på hjärnans behov av glukos . Från och med denna tidpunkt når den vanligtvis en topp cirka 5 sekunder efter stimulering (i detta fall menar vi inkorporering av glukos). Om neuroner fortsätter att vara aktiva från en kontinuerlig stimulans, sträcker sig toppen till en platt platå medan neuronerna förblir aktiva. Efter att aktiviteten hos ZUKV upphör, faller signalen under den initiala nivån, baslinjen, som kallas "avvikelse från det nominella". Med tiden återställs signalen till basnivån. Det finns vissa bevis för att kontinuerliga metaboliska krav i ett område av hjärnan bidrar till att sänka betyg. [fyra]
Mekanismen genom vilken nervsystemet matar tillbaka till kärlsystemet kräver mer glukos , inklusive en del som frigörs från glutamat som en del av neuronal avfyring. Glutamat påverkar de närmaste stödjande cellerna, astrocyter , vilket orsakar en förändring i koncentrationen av kalciumjoner . Detta frigör i sin tur kväveoxid vid kontaktpunkten mellan astrocyter och de mellersta blodkärlen, arteriolerna . Kväveoxid är en vasodilator , vilket gör att arterioler vidgas och attraherar mer blod till den. [5]
Svaret från en voxel under en tidsperiod kallas tidsförlopp. Som regel är den oönskade signalen, kallad brus, från skannern, oregelbunden aktivitet, störningar och liknande element i proportion till värdet på den användbara signalen. För att eliminera dessa ljud upprepas fMRI-studier flera gånger. [tio]
Den rumsliga upplösningen av en fMRI-studie definieras som utrustningens förmåga att skilja mellan hjärngränser och närliggande platser. Det mäts i voxelstorlek , som i MRT . En voxel är en tredimensionell rektangulär låda vars dimensioner bestäms av skivans tjocklek, skivarean och rutnäten överlagrade på skivan genom skanning. Full hjärnavbildning använder större voxlar, medan de som är specialiserade på specifika områden av intresse tenderar att använda mindre storlekar. Storlekarna varierar från 4-5 mm till 1 mm. Sålunda beror storleken på voxlar direkt på mätarean. Skanningstiden ökar dock direkt med ökningen av antalet voxlar beroende på skivan och antalet skivor. Detta kan leda till obehag för motivet inuti skannern och förlust av signalmagnetisering . Voxels innehåller vanligtvis flera miljoner neuroner var och tiotals miljarder synapser . [elva]
Det vaskulära artärsystemet , som tillför färskt syresatt blod, förgrenar sig till mindre och mindre kärl som kommer in i de ytliga områdena i hjärnan och dess inre strukturer. Kulmen är anslutningen av kapillärerna i hjärnan. Dräneringssystem smälter på samma sätt samman till större och större vener som för bort syrefattigt blod. Hemoglobin bidrar till fMRI-signalen från båda kapillärerna nära aktivitetsområdet för stora och dränerande vener. För god rumslig upplösning måste signalen från stora vener undertryckas, eftersom den inte motsvarar området för platsen för neuronal aktivitet. Detta kan uppnås antingen genom att använda ett starkt DC-magnetfält eller genom att använda ett spin-eko-pulståg. Tillsammans med detta kan fMRI utforska det rumsliga området från millimeter till centimeter, och kan därför identifiera Brodmann -områden (centimer), subkortikala kärnor som caudate, putamen och thalamus , hippocampus som den kombinerade dentate gyrus/CA3, CA1 och subiculum . [3]
Temporell upplösning är den minsta tidsperiod av neural aktivitet som kan bestämmas med hög noggrannhet med hjälp av fMRI.
Temporell upplösning beror på hjärnans förmåga att bearbeta data under en viss tid, i olika situationer. Till exempel är ett visuellt bearbetningssystem specificerat i ett brett spektrum. Det ögat ser registreras på näthinnans fotoreceptorer inom millisekunder. Dessa signaler når den primära visuella cortex genom thalamus på tiotals millisekunder. Aktiviteten hos neuronerna som är förknippade med handlingen att se varar lite mer än 100 ms. Snabba reaktioner som en skarp sväng för att undvika en krasch tar cirka 200ms. Reaktionen inträffar ungefär under andra halvan av medvetenheten och förståelsen av vad som hände. Att komma ihåg en sådan händelse kan ta några sekunder, och känslomässiga eller fysiologiska förändringar, såsom rädsla, upphetsning, kan ta några minuter eller timmar. Ansiktsigenkänningshändelser kan vara dagar, månader eller år. De flesta fmri-studier av hjärnans processer varar i några sekunder, med studier som utförs över flera tiotals minuter. En förändring i det psyko-emotionella tillståndet kan förändra individens beteende och hans kognitiva processer. [9]
När en person utför två uppgifter samtidigt förväntas VUK-svaret läggas till linjärt. Detta är det grundläggande antagandet i många fmri-studier. Linjär addition innebär att separat skala varje process av intresse och sedan summera dem. Eftersom skalning helt enkelt är en multiplikation med ett konstant tal, betyder detta att en händelse som avfyras, till exempel två gånger i neurala svar, kan modelleras som att en viss händelse presenteras två gånger samtidigt. [2]
| Medicinska avbildningsmetoder | |
|---|---|
| Röntgen | |
| Magnetisk resonans | |
| Radionuklid | |
| Optisk (laser) | |
| Ultraljuds |
|
| Endoskopisk | |