Λειτουργική Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση

Η Λειτουργική Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (ΛΑΜΣ, fMRI) απεικονίζει την αιμοδυναμική αντίδραση που σχετίζεται με την νευρωνική δραστηριότητα στον εγκέφαλο και στο Νωτιαίο Μυελό. Είναι σχετικά πρόσφατη μέθοδος νευροαπεικόνισης.

Δεδομένα fMRI με κίτρινο, αποτυπωμένα πάνω σε ένα εγκεφαλικό άτλαντα

Ιστορικό[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Από τη δεκαετία του 1890, χάρη στον Sherrington ήταν γνωστό οτι αλλαγές στην αιμοδυναμική του εγκεφάλου συνδέονται στενά με τη νευρωνική δραστηριότητα. Οι νευρώνες καταναλώνουν το οξυγόνο που μεταφέρουν οι αιμοσφαιρίνες των ερυθροκυττάρων από γειτονικά τριχοειδή αγγεία. Η τοπική αντίδραση στην σε αυτή την κατανάλωση οξυγόνου είναι μια αύξηση της ροής αίματος στις περιοχές αυξημένης νευρωνικής δραστηριότητας, που συμβαίνει με καθυστέρηση περίπου 1-5 δευτερόλεπτα. Αυτή η αιμοδυναμική απόκριση γίνεται μέγιστη μετά τα 4-5 δευ/τερόλεπτα και στη συνέχεια επιστρέφει στην φυσιολογική τιμή (συχνά ξεπερνώντας την ελαφρώς). Αυτή η απόκριση έχει ώς συνέπεια τοπικές αλλαγές στις σχετικές συγκεντρώσεις οξυαιμοσφαιρίνης και δεοξυαιμοσφαιρίνης, και αλλαγή του όγκου του αίματος στην περιοχή μαζί με αυτή την αύξηση ροής.

Η αιμοσφαιρίνη είναι διαμαγνητικό υλικό όταν είναι οξυγονωμένη, ενώ είναι παραμαγνητικό υλικό όταν αποξυγονωθεί. Το σήμα μαγνητικού συντονισμού του αίματος αλλάζει επομένως ελαφρώς ανάλογα με το επίπεδο οξυγόνωσης. Αυτά τα διαφορετικά σήματα μπορούν να ανιχνευθούν με χρήση κατάλληλης ακολουθίας παλμών Πυρηνικού Συντονισμού (ΠΣ) ώς αυτό που ονομάζεται αντίθεση BOLD (εξαρτώμενη από το επίπεδο οξυγόνωσης του αίματος). Υψηλότερο σήμα BOLD προκύπτει από μείωση της συγκέντρωσης της δεοξυαιμοσφαιρίνης εφόσον σ'άυτή την περίπτωση η μαγνητική επιδεκτικότητα είναι πιό κοντά στη μαγνητική επιδεκτικότητα του ιστού. Συλλέγοντας δεδομένα σε ένα τομογράφο πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (MRI) με παράμετρους ευαίσθητες στην επιδεκτικότητα μπορούν να μετρηθούν αλλαγές στο σήμα BOLD. Αυτές οι αλλαγές εξαρτώνται τόσο από την αλλαγή στον εγκεφαλική ροή αίματος όσο και στην κατανάλωση οξυγόνου.

Νευρωνικά σύστοιχα του BOLD σήματος[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η ακριβής σχέση ανάμεσα στη δραστηριότητα μεμονωμένων νευρώνων και στο σήμα BOLD είναι αντικείμενο τρέχουσας μελέτης. Γενικά, αλλαγές στο σήμα BOLD συσχετίζονται καλά με αλλαγές της ροής αίματος. Πολλές μελέτες την τελευταία δεκαετία έχουν καταδείξει την σύνδεση ανάμεσα στην ροή αίματος και στο ρυθμό μεταβολισμού. Η παροχή αίματος είναι κατάλληλα ρυθμισμένη τόσο χωρικά όσο και χρονικά ωστε να παρέχει τα θρεπτικά στοιχεία του εγκεφαλικού μεταβολισμού. Γίνεται σημαντική έρευνα για να βρεθεί μια πιο άμεση σχέση ανάμεσα στην παροχή αίματος και στις νευρωνικες εισόδους/εξόδους που μπορεί να σχετίζονται με παρατηρούμενη ηλεκτρική δραστηριότητα και μοντέλα νευρωνικών κυκλωμάτων.

Τα δεδομένα δείχνουν οτι το δυναμικό τοπικού πεδίου (LFP), ένας δείκτης συνολικής ηλεκτρικής δραστηριότητας, είναι οριακά καλύτερα συσχετισμένο με την αιματική ροή παρά με τα δυναμικά ενέργειας (που σχετίζονται πιό στενά με την νευρωνική επικοινωνία)[1]. Ωστόσο, δεν υπάρχει κανένα απλό μέτρο ηλεκτρικής δραστηριότητας που να σχετίζεται επαρκώς με την παροχή αίματος σε μεγάλο δυναμικό εύρος. Αυτό πιθανότατα οφείλεται στην σύνθετη φύση των μεταβολικών διεργασιών οι οποίες σχηματίζουν ένα υπερσύνολο όσον αφορά την ηλεκτρική δραστηριότητα. Πρόσφατα αποτελέσματα δείχνουν οτι η αύξηση της εγκεφαλικής αιματικής ροής που ακολουθεί την νευρωνική δραστηριότητα δεν συνδέεται αιτιακά με τις μεταβολικές απαιτήσεις της συγκεκριμένης περιοχής, αλλα προκαλείται από την παρουσία νευροδιαβιβαστών, κυρίως Γλουταμικού.

Μεση τομή δομικού MRIΔείτε εδώ την ακολουθία των εικόνων.

Τεχνικές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα αποτελέσματα του BOLD μετρώνται με τη χρήση ογκομετρικής λήψης εικόνων με αντίθεση σταθμισμένη με βάση τις παραμέτρους χαλάρωσης Τ2 και Τ2*. Οι εικόνες αυτές έχουν μέτρια ανάλυση. Λαμβάνονται κάθε 1-4 δευτερόλεπτα και κάθε στοιχείο όγκου της εικόνας έχει μέγεθος 2-4 χιλιοστά σε κάθε ακμή. Πρόσφατες πρόοδοι στην τεχνική, με χρήση υψηλότερων μαγνητικών πεδίων και πολυκαναλικών ανιχνευτών ραδιοκυμάτων έχουν ανεβάσει την χωρική διακριτικότητα στο επίπεδο του χιλιοστού. Παρόλο που μπορούν να διαχωριστούν χρονικά ερεθίσματα μέχρι και 2 δευτερόλεπτα, ο ολικός χρόνος της απόκρισης BOLD σε ένα σύντομο ερέθισμα διαρκεί περίπου 15 δευτερόλεπτα.

Οι μελέτες ΛΑΜΣ απαιτούν διεπιστημονικές γνώσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η αποτελεσματική χρήση του fMRI απαιτεί καλές γνώσεις από διαφορετικές επιστήμες:

  • Φυσική: για τις βασικές αρχές του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού, την απεικόνιση και την ερμηνεία του σήματος
  • Ψυχολογία: Όλα σχεδόν τα πειράματα με fMRI είναι γνωσιοψυχολογικά, γνωσιακά ψυχοφυσιολογικά, και ψυχοφυσικά πειράματα στα οποία ο τομογράφος χρησιμοποιείται για λήψη επιπλέον δεδομένων μαζί με συμπεριφορικά δεδομένα και ηλεκτροεγκεφαλογραφήματα.
  • Νευροανατομία: Για την συσχέτιση των απεικονιζόμενων με τα ήδη γνωστά νευροανατομικά δεδομένα.
  • Στατιστική: Για την σωστή ερμηνεία των δεδομένων και τον αποκλεισμό λάθος διαγνώσεων.
  • Ηλεκτροφυσιολογία: Γνώση της συμπεριφοράς των νευρώνων από ηλεκτροφυσιολογικές καταγραφές - συσχετισμός με υπάρχουσες γνώσεις για τη συμπεριφορά νευρώνων.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της μεθόδου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  • Το σήμα BOLD είναι μόνο έμμεση ένδειξη νευρωνικής δραστηριότητας και μπορεί να επηρρεαστεί από μη-νευρωνικές αλλαγές στο σώμα.
  • Τα σήματα BOLD σχετίζονται περισσότερο με την νευρωνική είσοδο της περιοχής παρά με την έξοδό της (προβολή). Θα μπορούσε επομένως να εντοπιστεί σήμα BOLD σε μια περιοχή, ακόμα και χωρίς την πυροδότηση νευρώνα στην περιοχή.[1]
  • Διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου έχουν διαφορετική αιμοδυναμική δραστηριότητα
  • Τα δεδομένα του ΛΑΜΣ μπορούν να πούν περισσότερα για το πού λαμβάνει χώρα μια νευρωνική διεργασία παρά για το πώς.
  • Η χρονική του ανάλυση είναι κακή.
  • Είναι μή επεμβατική μέθοδος, πράγμα που σημαίνει οτι μπορούν να γίνονται πειράματα χωρίς κίνδυνο ακτινοβολίας, και για μεγάλα χρονικά διαστήματα
  • Εχει πολύ καλή χωρική ανάλυση σε σχέση με άλλες μεθόδους καταγραφής όπως το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα.

Ανάλυση δεδομένων[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Σκοπός της ανάλυσης δεδομένων ΛΑΜΣ είναι η ανίχνευση συσχετίσεων ανάμεσα στην ενεργοποίηση του εγκεφάλου και την εργασία που εκτελεί το υπικείμενο. Επειδή το σήμα της ΛΑΜΣ είναι ασθενές, πρέπει να αφαιρεθούν όλες οι άλλες πηγές θορύβου.

Σε μια τυπική σάρωση ΛΑΜΣ με χρήση απεικόνισης echo-planar, ο όγκος της κεφαλής απεικονίζεται κάθε 1 ή 2 δευτερόλεπτα, με μέχρι και μερικές χιλιάδες εικόνες. Οι εικόνες λαμβάνονται στο χώρο των συχνοτήτων, και πρέπει να μετασχηματιστούν αντίστροφα στον 3Δ χώρο για ανάλυση. Η φύση της ανίχνευσης και ατέλειες στον ανιχνευτή όπως θερμική κίνηση, αλλα και η κίνηση και η αναπνοή του υποκειμένου παράγουν παραμορφώσεις.

Μετά την ανακατασκευή των εικόνων, η έξοδος του ανιχνευτή είναι μια σειρά 3Δ εικόνων του εγκεφάλου. Η πιό συχνές διορθώσεις που γίνονται σ'αυτες τις εικόνες είναι η διόρθωση κίνησης και η διόρθωση φυσιολογικών συνεπειών. Με χρήση χρονικών φίλτρων μπορεί να επιχειρηθεί η απο-συνέλιξη της απόκρισης BOLD για να ανάκτηση του σήματος στην περίπτωση που αναμένεται νευρωνική δραστηριότητα ριπής.

Αναφορές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. Logothetis, N.K. (2001). "Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal.". Nature 412. http://www.ssc.uwo.ca/psychology/culhamlab/fmri/pdfs/Logothetis.pdf. 

Δείτε ακόμη[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Σχετικοί σύνδεσμοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]