Функциональная магнитно-резонансная томография, или Ф-я МРТ , является методом для изучения мозговой деятельности. Он работает путем обнаружения изменений в оксигенации крови и её потоке , который возникают в ответ на нервную деятельность – это когда области мозга более активно потребляют больше кислорода и чем больше активна та или иная область мозга, тем больше она требует притока крови. Функциональная МРТ может быть использована для получения активной карты мозга, показывающей, какая часть мозга участвует в тех или иных психических процессах.
Развитие функциональной МРТ в 1990-х, обычно приписывают Сейджи и Кен Огава Квонгу, они является последним в длинной череде нововведений, в том числе в области позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и инфракрасной спектроскопии (НИРС) , которые используют кровотока и кислородный обмена, чтобы захватить мозговую деятельность. В качестве методики визуализации головного мозга, функциональная МРТ имеет несколько значительных преимуществ:
1. Это неинвазивный метод и не влечет за собой излучения, что делает его безопасным для субъекта.
2. Он имеет отличное пространственное и временное разрешение.
3. Его легко для использовать для исследований.
Исключительность функциональной МРТ сделала его популярным инструментом для работы с изображениями нормальной функции мозга — особенно для психологов. За последнее десятилетие метод функциональной МРТ предоставил новый взгляд на исследование того, как формируются воспоминания, язык, боль, обучение и эмоции, этот список можно продолжить. Функциональная МРТ также применяется в клинической практике и в коммерческих условиях.
Как функциональная МРТ работает?
В цилиндрической трубке томографа находится очень мощный электромагнит. Типичное сканирование имеет напряженность поля 3 тесла (Т), это около 50 000 раз больше, чем магнитное поле Земли. Магнитное поле сканера влияет на ядра атомов. Обычно атомные ядра ориентированы случайным образом, но под влиянием магнитного поля ядра становятся совмещенными с направлением поля. Чем сильнее поле, тем больше степень согласованности. При наведении в том же направлении, крошечные магнитные сигналы от отдельных ядер когерентно складываются, в результате чего сигнал становится достаточно большим, чтобы его измерить. В МРТ именно магнитный сигнал от ядер водорода в водной среде (H2O), может его обнаружить.
Механизмом действия МРТ является то , что сигнал от ядер водорода изменяется в силу в зависимости от его окружения. Это обеспечивает возможность рассмотреть серое вещество, белое вещество и спинномозговую жидкость в виде структурных изображений мозга.
Кислород поступает в нейроны с помощью гемоглобина из капиллярной сети. Когда активность нейронов увеличивается, возникает повышенный спрос на кислород и это проявляется в виде местной реакции, как увеличение притока крови к области, где происходит повышенная нервная деятельность.
Гемоглобин изменяет магнитное поле когда он насыщен кислородом, и когда нет. Это различие в магнитных свойствах приводит к небольшим изменениям в сигнале МРТ в зависимости от степени оксигенации. Так как оксигенация крови изменяется в зависимости от уровня нейронной активности, эти различия могут быть использованы для фиксирования деятельности мозга. Эта форма МРТ известна как оксигенация крови в зависимости от уровня насыщения кислородом.
МРТ BOLD(отчётливый) Эффект
Еще один момент: это направление изменения оксигенации с повышенной активностью. Можно было бы ожидать, что оксигенации крови уменьшается с её активацией магнитным полем, но реальность намного сложнее. Существует мгновенное снижение уровня оксигенации крови сразу же после того, как нейронная активность возрастает, она известна как «начальный провал» в гемодинамическом ответе. За этой фазой следует период, когда увеличивает приток крови, не только к месту, где потребность в кислороде удовлетворяется, но и к окружающим тканям. Это означает, что оксигенации крови на самом деле увеличивает последующую нейронную активацию.
Как МРТ сканирования выглядит?
МРТ сканирование
Изображение, показанное здесь является результатом простой функциональной МРТ . В то время, как человек лежит в томографе за ним наблюдает экран, который чередуется визуальными показами и становится темным каждые 30 секунды. Между тем томограф отслеживает сигнал по всему мозгу. Визуализируются области мозга, которые реагируют на стимулы, когда сигнал идет вверх и вниз, и они как бы включается и выключается, хотя и становятся немного размытыми из-за задержки в ответе кровотока.
Исследователи смотрят на активность при сканировании в виде вокселов — или объемных пикселей, наименее различимой коробчатой части трехмерного изображения. Активность в вокселях определяется, как насколько близко ход сигнал от этого вокселя соответствует ожидаемому времени.
фМРТ позволяет определить активацию определенной области головного мозга во время нормального его функционирования под влиянием различных физических факторов (например, движение тела) и при различных патологических состояниях.
На сегодняшний день это один из самых активно развивающихся видов нейровизуализации . С начала 1990-х годов функциональная МРТ стала доминировать в области визуализации процессов головного мозга из-за своей сравнительно низкой инвазивности, отсутствия воздействия радиации и относительно широкой доступности.
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Мозг функционально не предназначен для хранения глюкозы - основного источника энергии. Однако, для активации нейронов и действия ионных насосов, которые обуславливают нормальное функционирование мозга, нужна энергия, получаемая из глюкозы. Энергия из глюкозы поступает за счёт кровотока. Вместе с кровью в результате расширения кровеносных сосудов также транспортируются кислородосодержащие молекулы гемоглобина в красных кровяных клетках. Изменение кровотока локализуется в пределах 2 или в области нейронной активности. Обычно увеличение концентрации кислорода больше, чем кислорода, израсходованного на сжигание глюкозы (на данный момент не определено, окисляется ли вся глюкоза), и это приводит к общему снижению гемоглобина . При этом изменяются магнитные свойства крови, препятствуя её намагничиванию, что впоследствии ведет к созданию индуцированного МРТ процесса.
Кровоток мозга неравномерно зависит от потребляемой глюкозы в разных областях мозга. Предварительные результаты показывают, что в некоторых областях мозга приток крови больше того уровня, который бы соответствовал потреблению. Например в таких областях, как в миндалине , базальных ганглиях , таламусе и поясной коре, которые набираются за быстрый отклик. В областях, которые имеют более совещательный характер, таких как боковая, лобной и латеральной париетальных долей, наоборот, исходя из наблюдений, следует вывод, что входящий поток меньше расхода. Это сильно влияет на чувствительность.
Гемоглобин отличается тем, как он реагирует на магнитные поля, в зависимости от того, имеет ли он привязку к молекуле кислорода . Молекула гемоглобина лучше реагирует на действие магнитного поля. Следовательно, она искажает окружающее её магнитное поле, индуцированного магнитно-резонансного сканера, вызывая потерю намагниченности ядер быстрее через период полураспада . Таким образом, сигнал МРТ лучше в тех областях мозга, где кровь сильно насыщается кислородом и меньше, где кислорода нет. Этот эффект возрастает, как квадрат напряженности магнитного поля. У фмрт-сигнала, следовательно, проявляется необходимость в сильном магнитном поле (1.5 Т и выше) и последовательности импульсов, таких как ЭПИ, которая чувствительна к периоду полураспада.
Физиологическая ответная реакция кровотока во многом определяет временную чувствительность, то есть насколько точно мы можем измерить период активности нейронов и в какое именно время они активны, отмечая жирным шрифтом фмрт. Основным временным параметрическим разрешением является - ТР, который диктует, как часто определенный кусочек мозга возбуждается и теряет свою намагниченность. Трс может варьироваться от очень коротких (500 мс) до очень длинных (3 сек). Для фмрт в частности, гемодинамическая реакция длится более 10 секунд, поднявшись мультипликативно с пиком на 4 до 6 секунд, а затем падает мультипликативно. Изменения в системе кровотока, сосудистая система, интеграция ответных реакций нейронной активности с течением времени. Так как данная ответная реакция представляет собой гладкую непрерывную функцию, отбора проб. Больше точек на кривой отклика можно получить путём простой линейной интерполяции в любом случае. Экспериментальные парадигмы могут улучшить временное разрешение, но уменьшат число эффективных точек данных, полученных экспериментальным путём.
Гемодинамическая ответная реакция зависимости уровня кислорода в крови (ЗУКВ)
Механизму, с помощью которого нервная система обеспечивает обратную связь с сосудистой системой , необходимо больше глюкозы, в том числе, частично высвобожденной из глутамата в рамках запуска нейронов. Глутамат влияет на ближайшие опорные клетки, астроциты , вызывая изменение концентрация ионов кальция . Это, в свою очередь, высвобождает оксид азота в точке контакта астроцитов и средних кровеносных сосудов, артериол . Оксид азота является вазодилататором , вызывая расширения артериол и привлечение к себе большего объема крови.
Ответный сигнал одного вокселя в течение периода времени называется timecourse. Как правило, нежелательный сигнал, называемый шумом, со сканера, беспорядочной деятельности, помех и аналогичных элементов соизмерим с величиной полезного сигнала. Чтобы устранить данные шумы, фмрт исследования повторяют несколько раз.
Пространственное разрешение
Пространственное разрешение фмрт исследований определяется, как способность оборудования различать границы мозга и близлежащие места. Она измеряется размером вокселей , как в МРТ . Воксель - это трехмерный прямоугольный параллелепипед, размеры которого определяются толщиной среза, площадь среза, и сетки, наложенные на срез путём сканирования. При полном исследовании мозга используются более крупные воксели, а те, которые специализируются на конкретных регионах, представляющие интерес, как правило, используют меньшие размеры. Размеры варьируются от 4-5 мм до 1 мм. Таким образом размеры вокселей напрямую зависят от области измерения. Вместе с тем время сканирования напрямую увеличивается с увеличением количества вокселей, зависящих от среза и количества срезов. Это может привести к дискомфорту для субъекта внутри сканера и к потере намагниченности сигнала. Вокселя, как правило, содержат несколько миллионов нейронов каждый и десятки миллиардов синапсов .
Временное разрешение
Временное разрешение - это наименьший период времени нейронной активности который с высокой точностью можно определить с помощью фмрт.
Временное разрешение зависит от возможностей мозга обрабатывать данные за определенное время, находясь в различных ситуациях. Например, в широком диапазоне задается визуальная система обработки. То, что глаз видит, регистрируется на фоторецепторах сетчатки в пределах миллисекунд. Данные сигналы доходят до первичной зрительной коры через таламус за десятки миллисекунд. Активность нейронов, связанных с актом видения длится чуть больше 100 мс. Быстрые реакции, такие как резкий поворот, чтобы избежать аварии, занимает около 200 мс. Реакция происходит приблизительно во вторую половину осознания и осмысления произошедшего. Вспоминание подобного события может занять несколько секунд, и эмоциональные или физиологические изменения, такие как страх, возбуждение могут длиться минуты или часы. Распознавание лиц, событий могут длиться дни, месяцы или годы. Большинство экспериментов фмрт исследований процессов мозга, длящиеся несколько секунд, с исследованием, проведенным в течение нескольких десятков минут. Изменение психо-эмоционального состояния может изменить поведение субъекта и его когнитивные процессы.
Линейное дополнение от многократной активации
Когда человек выполняет две задачи одновременно, ответная реакция ЗУКВ, как ожидается, добавляется линейно. Это фундаментальное предположение многих фмрт исследований. Линейное дополнение означает отдельное масштабирование каждого интересующего процесса и их последующего суммирования. Поскольку масштабирование - это просто умножение на постоянное число, это означает, что событие, которое вызывается, скажем, два раза в нейронных реакциях могут быть смоделированы, как определенное событие представленное два раза одновременно.
Метод, известный под названием функциональная МРТ, был разработан совсем недавно и до настоящего времени не получил широкого применения в исследовании психопатологии. Изначально метод МРТ создавали и применяли с целью изучения структуры головного мозга, а не его деятельности. При исследованиях последней специалистам приходилось полагаться на ПЭТ-сканирование, принципиальным недостатком которого была дорогостоящая потребность в находящемся рядом циклотроне, продуцирующем ионизирующие радиоактивные изотопы. Необходимость введения ионизирующих частиц, пусть и короткоживущих, в организм пациента также настораживала многих клиницистов. В середине 1980-х годов стало ясно, что модификация метода МРТ, означала бы огромный шаг вперед в изучении как анатомии, так и функционирования головного мозга. Прорыв, которые многие ученые оценивают как самый революционный за всю историю методов получения изображений, был совершен в начале 1990-х годов; его описание представлено в Harvard heath letter.
Специфические механизмы, лежащие в основе оценки, производимой ФМРТ, помимо тех, которые содержатся в МРТ, представляют собой слишком узкие технические понятия, и мы не будем останавливаться на них подробнее. Короче говоря, наиболее часто ФМРТ измеряет изменения локального содержания кислорода в отдельных участках ткани головного мозга. Они, в свою очередь, зависят от активности нейронов в этих областях. Таким образом можно «нанести на карту» текущую психологическую деятельность - ощущения, образы и мышление, выявляя специфические участки головного мозга, в которых происходят нейрофизиологические процессы, ответственные за эту деятельность. Временной фактор является решающим при измерении изменения содержания кислорода, поэтому появление ФМРТ потребовало разработки высокоскоростных устройств для записи процесса и компьютерного анализа входящих данных. В настоящее время они стали доступными, что, без всяких сомнений, приведет к серьезному прогрессу в исследованиях с помощью функциональных изображений индивидов, страдающих расстройствами.
Однако до сих пор опубликовано незначительное число работ, посвященных психическим заболеваниям, а основная часть исследований проводится в области картирования зрительной зоны коры головного мозга. Полагают, что эта область участвует в обработке быстро движущихся визуальных стимулов, и поэтому эти исследования могут дать важный ключ к пониманию происхождения расстройств чтения.
В одной недавно опубликованной работе, выполненной на маленьких выборках, сообщалось об аномально высокой активности в нескольких участках головного мозга у субъектов, страдающих обсессивно-компульсив — ным расстройством, в условиях воздействия «провокационных» раздражителей, например необходимости взять в руки «грязное» полотенце. К сожалению, даже малейшие движения головы во время критических стадий исследования могут помешать получению адекватной записи с помощью ФМРТ. У многих пациентов с психическими нарушениями отмечаются большое напряжение и ажитация, особенно при контакте со стрессорами. Кроме того, задания в процессе исследования психического здоровья часто включают в себя физически невыполнимые реакции, если пациент не в состоянии двигать головой.
Недавно несколько ученых использовали ФМРТ для выявления в головном мозгу области аберрантного функционирования при шизофрении. Например, была отмечена связь между наличием у пациентов с диагнозом шизофрения звуковых галлюцинаций и активацией центров мозга, которые предположительно отвечают за восприятие речи.
Показывает, какое количество крови попадает в разные участки мозга.
Пациенты в коме реагируют на окружающий мир.В медицинском иерусалимском центре Хадаса д-ром Нетой Левин, являющейся главврачом неврологического отделения, было сделано важное наблюдение. Как удалось выяснить д-ру Левин, некоторые люди, находящиеся в состоянии комы, реагируют на голоса людей и могут узнавать свое имя. Данное открытие было сделано при помощи устройства
ФМРТ
, (FMRI
).ФМРТ
(функциональная магнитно-резонансная томография
), в отличие от обычногоМРТ
(магнитно-резонансной томографии), позволяет получить динамическую картину мозговой активности. Это некое видео, которое отображает активность мозга во время выполнения какой-либо задачи. Данный метод позволяет составить своеобразную карту областей мозга, отвечающих за специфические действия, такие как движение, зрение, слух, речь и так далее. В ХадасеФМРТ
используют, как правило, ради проведения предоперационного анализа. Нейрохирурги используют результатыФМРТ
, чтобы определить функционирование различных областей мозга. Информация, полученная посредствомФМРТ
, передается непосредственно в операционную палату и помогает хирургам избежать повреждения тех или иных областей мозга. Д-р Левин использовалаФМРТ
для оценки состояния мозговой активности пациентов, находящихся в коме. Таким образом, стало возможным произвести неинвазивное изучение мозга, отследить нервную активность, даже когда казалось, что у пациентов наблюдается полное отсутствие реакций. Д-р Левин провела сравнение мозговой активности здоровых людей и группы пациентов, находящихся в коме. Она изучила их мозговую реакцию на различные раздражители - на звуки и на тишину, на звучание различных слов, на звучание их собственного имени, а также возможность различать знакомые и незнакомые голоса. Как пояснила д-р Левин,ФМРТ
показывает, какое количество крови попадает в различные области мозга. Она считает, что большое количество реакций на раздражители свидетельствует о более высоких шансах пациента выйти из комы. Однако также предупреждает, что отсутствие активности во время диагностики не свидетельствует об отсутствии активности в целом, поскольку мозговая активность людей в коме может меняться, так же, как и у здоровых людей. В ходе исследования, д-р Левин обнаружила мозговую активность у ряда людей, находящихся в коме. Так, один из пациентов, молодой человек, на третьем десятке лет, мог различать голоса, реагировал на свое имя и на другие имена по-разному. Также, когда его попросили представлять различные действия, каждое из которых влияет на определенный участок мозга, пациент справился с этим заданием, не смотря на то, что находился в коме. Так, пациента просили представить игру в теннис, что влияет на активность «моторной» области мозга, пение, что влияет на активность слуховой области мозга, ходьбу по маршруту до дома, и т.п. Ожидаемая активность мозга наблюдалась, что свидетельствовало о понимании находящемся в коме пациентом языка и возможности выполнять распоряжения.По материалам от медцентра Хадаса
Теги:
Начало активности (дата):
Кем создан (ID): 1
Ключевые слова: мрт, магнитно-резонансная томография, фмрт, fmri
