Toiminnallinen magneettikuvaus

toiminnallinen magneettikuvaus (fMRI) on magneettisen resonanssitomografian menetelmä kehon fysiologisten muutosten visuaaliseksi esittämiseksi. Se perustuu ydinmagneettisen resonanssin fysikaalisiin periaatteisiin. Kapeammassa merkityksessä termiä käytetään aivojen aktivoitujen alueiden tutkimiseen.

Mikä on toiminnallinen magneettikuvaus?

Fysiikka Kenneth Kwong kehitti magneettisen resonanssitomografian (MRT) perusteella funktionaalisen magneettikuvaus tomografian (fMRI) visualisoidakseen aktiivisuuden muutokset eri aivoalueilla. Tällä menetelmällä mitataan aivojen verenvirtauksen muutoksia, jotka liittyvät neurovaskulaarisen kytkennän kautta toiminnan muutoksiin vastaavilla aivoalueilla.

Tässä menetelmässä käytetään mitattujen vetyydinten erilaista kemiallista ympäristöä happipitoisen ja happirikkaan veren hemoglobiinissa. Hapetettu hemoglobiini (oksihemoglobiini) on diamagneettinen, kun taas happea sisältämättömällä hemoglobiinilla (deoksihemoglobiini) on paramagneettiset ominaisuudet. Veren magneettisten ominaisuuksien eroihin viitataan myös nimellä BOLD-vaikutus (veren hapenmuodostustasosta riippuvainen vaikutus). Aivojen toiminnalliset prosessit tallennetaan poikkileikkauskuvasarjan muodossa.

Tällä tavalla aktiivisuuden muutoksia yksittäisillä aivoalueilla voidaan tutkia koehenkilön erityistehtävien avulla. Tätä menetelmää käytetään alun perustutkimukseen vertailla terveiden kontrollihenkilöiden toimintamalleja mielenterveyshäiriöiden henkilöiden aivojen toimintaan. Laajemmassa merkityksessä termi funktionaalinen magneettinen resonanssitomografia sisältää myös kinemaattisen magneettisen resonanssitomografian, joka kuvaa eri elinten liikkuvaa esitystä.

Toiminta, vaikutus ja tavoitteet

Funktionaalinen magneettikuvaus on magneettikuvaus (MRT) -kehityksen jatkokehitys. Klassisella MRI: llä näytetään vastaavien elinten ja kudosten staattiset kuvat, kun taas fMRI näyttää aivojen aktiivisuuden muutokset kolmiulotteisten kuvien kautta, kun tiettyjä toimintoja suoritetaan.

Tämän ei-invasiivisen toimenpiteen avulla aivot voidaan tarkkailla eri tilanteissa. Kuten klassisessa MRI: ssä, mittauksen fysikaalinen perusta perustuu alun perin ydinmagneettiseen resonanssiin. Soveltamalla staattista magneettikenttää, hemoglobiinin protonien pyörähdykset kohdistetaan pituussuunnassa. Tähän magnetointisuuntaan nähden poikittain sovellettu korkeataajuinen vaihtuvakenttä varmistaa magnetoinnin poikittais taipuman staattiseen kenttään resonanssiin (Lamorin taajuus) asti. Jos suurtaajuuskenttä kytketään pois päältä, energiaa vapautettaessa kestää tietyn ajan, kunnes magnetoituminen kohdistuu jälleen staattista kenttää pitkin.

Tämä rentoutumisaika mitataan. FMRI: ssä hyödynnetään sitä tosiasiaa, että deoksihemoglobiini ja oksihemoglobiini magnetoidaan eri tavalla. Tämä johtaa molemmille muotoille erilaisiin mitattuihin arvoihin, jotka voidaan katsoa johtuvan hapen vaikutuksesta. Koska oksihemoglobiinin ja deoksihemoglobiinin suhde muuttuu kuitenkin jatkuvasti aivojen fysiologisten prosessien aikana, sarjarekisteröinnit suoritetaan osana fMRI: tä, joka tallentaa muutokset milloin tahansa. Tällä tavalla hermosolujen aktiviteetit voidaan näyttää millimetristä tarkkuudella muutaman sekunnin aikaikkunassa. Neuraalisen aktiivisuuden sijainti määritetään kokeellisesti mittaamalla magneettinen resonanssisignaali kahdessa eri ajankohdassa.

Ensin mittaus tapahtuu lepotilassa ja sitten kiihtyneessä tilassa. Sitten tallenteiden vertailu suoritetaan tilastollisessa testimenetelmässä ja tilastollisesti merkitsevät erot osoitetaan alueellisesti. Kokeellisiin tarkoituksiin ärsyke voidaan esittää testihenkilölle useita kertoja. Tämä tarkoittaa yleensä, että tehtävä toistetaan monta kertaa. Erot ärsykkeen vaiheen tietojen vertailusta lepovaiheen mittaustuloksiin verrataan ja esitetään sitten graafisesti. Tällä menetelmällä oli mahdollista määrittää, mitkä aivoalueet ovat aktiivisia missä toiminnassa. Lisäksi voitiin määrittää psyykkisten sairauksien ja terveiden aivojen tiettyjen aivoalueiden väliset erot.

Perustutkimuksen lisäksi, joka tarjoaa tärkeitä tietoja psykologisten sairauksien diagnosoinnista, menetelmää käytetään myös suoraan kliinisessä käytännössä. FMRI: n tärkein kliininen sovellusalue on aivojen kielelle tärkeiden alueiden lokalisointi valmistettaessa aivokasvainten leikkauksia. Tällä varmistetaan, että tämä alue säästyy suurelta osin toiminnan aikana. Muut toiminnallisen magneettikuvantamisen kliiniset sovellusalueet liittyvät potilaiden, joilla on heikentynyt tietoisuus, kuten kooman, vegetatiivisen tilan tai MCS: n (minimaalinen tajuustila) arviointiin.

Riskit, sivuvaikutukset ja vaarat

Huolimatta toiminnallisen magneettisen resonanssitomografian menestyksestä, tätä menetelmää on myös tarkasteltava kriittisesti informatiivisen arvonsa suhteen. Oli mahdollista määrittää olennaiset yhteydet tiettyjen toimintojen ja vastaavien aivoalueiden aktivoitumisen välillä. Tiettyjen aivoalueiden merkitys psykologisissa sairauksissa on myös tullut selvemmäksi.

Tässä mitataan kuitenkin vain hemoglobiinin happipitoisuuden muutokset. Koska nämä prosessit voidaan paikallistaa tietyille aivoalueille, neurovaskulaarisen kytkennän perusteella oletetaan, että myös nämä aivoalueet aktivoituvat. Joten aivoja ei voida tarkkailla suoraan ajatellessaan. On huomattava, että muutos verenvirtauksessa tapahtuu vasta muutaman sekunnin latenssijakson jälkeen hermoaktiivisuuden jälkeen. Siksi suora tehtävä on joskus vaikeaa. FMRI: n etuna verrattuna muihin ei-invasiivisiin neurologisiin tutkimusmenetelmiin on aktiviteettien paljon parempi paikallinen sijainti.

Aikaresoluutio on kuitenkin paljon alhaisempi. Neuronaalisten aktiivisuuksien epäsuora määrittäminen verenvirtausmittauksilla ja hemoglobiinin hapetuksella aiheuttaa myös tietyn epävarmuuden. Yli neljän sekunnin viiveen oletetaan olevan. On vielä tutkittava, voidaanko luotettavia hermoaktiivisuuksia olettaa lyhyemmillä ärsykkeillä. Kuitenkin toiminnalliselle magneettikuvaukselle on myös teknisiä sovellusrajoja, jotka perustuvat muun muassa siihen, että BOLD-vaikutusta ei synny vain verisuonet, vaan myös suonien vieressä oleva solukudos.