Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego

Plik funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) to metoda obrazowania metodą rezonansu magnetycznego służąca do wizualnego przedstawienia fizjologicznych zmian w organizmie. Opiera się na fizycznych zasadach jądrowego rezonansu magnetycznego. W węższym znaczeniu termin ten jest używany w związku z badaniem aktywowanych obszarów mózgu.

Co to jest funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego?

Na podstawie tomografii rezonansu magnetycznego (MRT) fizyk Kenneth Kwong opracował funkcjonalną tomografię rezonansu magnetycznego (fMRI) w celu wizualizacji zmian aktywności w różnych obszarach mózgu. Ta metoda mierzy zmiany w mózgowym przepływie krwi, które są związane ze zmianami aktywności w odpowiednich obszarach mózgu poprzez sprzężenie nerwowo-naczyniowe.

Ta metoda wykorzystuje różne środowisko chemiczne mierzonych jąder wodoru w hemoglobinie ubogiej w tlen i bogatej w tlen krwi. Utleniona hemoglobina (oksyhemoglobina) jest diamagnetyczna, podczas gdy hemoglobina beztlenowa (deoksyhemoglobina) ma właściwości paramagnetyczne. Różnice we właściwościach magnetycznych krwi nazywane są również efektem BOLD (efekt zależny od poziomu utlenienia krwi). Procesy funkcjonalne w mózgu są rejestrowane w postaci serii przekrojowych obrazów.

W ten sposób można zbadać zmiany aktywności w poszczególnych obszarach mózgu za pomocą określonych zadań na obiekcie testowym. Metoda ta jest początkowo stosowana w badaniach podstawowych do porównywania wzorców aktywności u zdrowych osób kontrolnych z aktywnością mózgu osób z zaburzeniami psychicznymi. W szerszym sensie termin funkcjonalna tomografia rezonansu magnetycznego obejmuje również tomografię kinematycznego rezonansu magnetycznego, która opisuje ruchome przedstawienie różnych narządów.

Funkcja, efekt i cele

Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego jest dalszym rozwinięciem obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRT). W klasycznym rezonansie magnetycznym wyświetlane są statyczne obrazy odpowiednich narządów i tkanek, podczas gdy fMRI pokazuje zmiany aktywności mózgu poprzez trójwymiarowe obrazy podczas wykonywania określonych czynności.

Dzięki tej nieinwazyjnej procedurze mózg można obserwować w różnych sytuacjach. Podobnie jak w przypadku klasycznego rezonansu magnetycznego, fizyczne podstawy pomiaru są początkowo oparte na magnetycznym rezonansie jądrowym. Dzięki zastosowaniu statycznego pola magnetycznego spiny protonów hemoglobiny są ustawiane wzdłużnie. Zmienne pole o wysokiej częstotliwości przyłożone poprzecznie do tego kierunku namagnesowania zapewnia poprzeczne odchylenie magnetyzacji do pola statycznego aż do rezonansu (częstotliwość Lamora). Jeśli pole wysokiej częstotliwości zostanie wyłączone, uwolnienie energii zajmuje trochę czasu, zanim magnetyzacja ponownie ustawi się w linii pola statycznego.

Mierzy się ten czas relaksacji. W fMRI wykorzystuje się fakt, że deoksyhemoglobina i oksyhemoglobina są w różny sposób namagnesowane. Skutkuje to różnymi wartościami pomiarowymi dla obu form, co można przypisać wpływowi tlenu. Jednakże, ponieważ stosunek oksyhemoglobiny do dezoksyhemoglobiny stale się zmienia podczas fizjologicznych procesów zachodzących w mózgu, w ramach fMRI wykonywane są seryjne zapisy, które cały czas rejestrują zmiany. W ten sposób aktywność komórek nerwowych może być wyświetlana z milimetrową dokładnością w oknie czasowym wynoszącym kilka sekund. Lokalizację aktywności neuronalnej określa się eksperymentalnie, mierząc sygnał rezonansu magnetycznego w dwóch różnych punktach czasowych.

Najpierw pomiar odbywa się w stanie spoczynku, a następnie w stanie wzbudzonym. Następnie dokonuje się porównania zapisów w procedurze testu statystycznego i przestrzennie przyporządkowuje różnice istotne statystycznie. W celach eksperymentalnych bodziec można przedstawić badanej osobie kilka razy. Zwykle oznacza to, że zadanie jest powtarzane wiele razy. Różnice w porównaniu danych z fazy bodźca z wynikami pomiarów z fazy spoczynku są obliczane, a następnie przedstawiane graficznie. Dzięki tej procedurze można było określić, które obszary mózgu są aktywne w jakiej aktywności. Ponadto można było określić różnice między niektórymi obszarami mózgu w chorobach psychicznych a zdrowym mózgiem.

Oprócz badań podstawowych, które dostarczają ważnych informacji na temat diagnozy chorób psychicznych, metoda ta jest również stosowana bezpośrednio w praktyce klinicznej. Głównym obszarem klinicznym zastosowania fMRI jest lokalizacja obszarów mózgu związanych z językiem podczas przygotowywania operacji na guzach mózgu. Ma to na celu zapewnienie, że obszar ten zostanie w dużej mierze oszczędzony podczas operacji. Dalsze kliniczne obszary zastosowania funkcjonalnego rezonansu magnetycznego dotyczą oceny pacjentów z zaburzeniami świadomości, takimi jak śpiączka, stan wegetatywny czy MCS (minimalny stan świadomości).

Ryzyko, skutki uboczne i niebezpieczeństwa

Pomimo wielkiego sukcesu funkcjonalnej tomografii rezonansu magnetycznego, metodę tę należy również oceniać krytycznie z punktu widzenia jej wartości informacyjnej. Udało się ustalić istotne powiązania między pewnymi czynnościami a aktywacją odpowiednich obszarów mózgu. Wyraźniej stało się również znaczenie pewnych obszarów mózgu dla chorób psychicznych.

Jednak mierzone są tu tylko zmiany stężenia tlenu w hemoglobinie. Ponieważ procesy te mogą być zlokalizowane w określonych obszarach mózgu, zakłada się na podstawie sprzężenia nerwowo-naczyniowego, że te obszary mózgu są również aktywowane. Więc mózg nie może być obserwowany bezpośrednio podczas myślenia. Należy zauważyć, że zmiana przepływu krwi następuje dopiero po okresie utajenia kilku sekund po aktywności nerwowej. Dlatego bezpośrednie zlecenie jest czasami trudne. Przewagą fMRI nad innymi nieinwazyjnymi metodami badań neurologicznych jest znacznie lepsza lokalizacja przestrzenna wykonywanych czynności.

Jednak rozdzielczość czasowa jest znacznie niższa. Pośrednie określenie aktywności neuronalnej poprzez pomiary przepływu krwi i natlenienie hemoglobiny również stwarza pewną niepewność. Zakłada się opóźnienie powyżej czterech sekund. Pozostaje do zbadania, czy można założyć wiarygodną aktywność neuronową przy krótszych bodźcach. Istnieją jednak również ograniczenia techniczne w zastosowaniu funkcjonalnej tomografii rezonansu magnetycznego, które wynikają między innymi z faktu, że efekt BOLD jest generowany nie tylko przez naczynia krwionośne, ale także przez sąsiadującą z nimi tkankę komórkową.