Визуализация в зависимости от уровня кислорода в крови
Визуализация в зависимости от уровня кислорода в крови или контрастная визуализация жирным шрифтом - это метод, используемый в функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) для наблюдения за различными областями мозга или других органов, которые, как установлено, являются активными в любой момент времени. [1]
Теория
Нейроны не обладают внутренними запасами энергии в виде сахара и кислорода , поэтому их срабатывание вызывает потребность в быстром поступлении большего количества энергии. Через процесс, называемый гемодинамическим ответом , кровь выделяет кислород активным нейронам с большей скоростью, чем неактивным нейронам. Это вызывает изменение относительных уровней оксигемоглобина и дезоксигемоглобина (оксигенированная или деоксигенированная кровь ), что может быть обнаружено на основе их дифференциальной магнитной восприимчивости .
В 1990 году три статьи, опубликованные Сейджи Огава и его коллегами, показали, что гемоглобин имеет разные магнитные свойства в оксигенированной и деоксигенированной формах (деоксигенированный гемоглобин парамагнитен, а оксигенированный гемоглобин диамагнитен ), оба из которых могут быть обнаружены с помощью МРТ . [2] Это приводит к изменению магнитного сигнала, которое может быть обнаружено с помощью сканера МРТ. Учитывая множество повторений мысли, действия или опыта, можно использовать статистические методы для определения областей мозга, которые в результате достоверно имеют больше этой разницы, и, следовательно, какие области мозга наиболее активны во время этой мысли, действия или опыт.
Критика и ограничения
Хотя в большинстве исследований фМРТ используется контрастная визуализация BOLD в качестве метода определения наиболее активных частей мозга, поскольку сигналы являются относительными, а не индивидуально количественными, некоторые ставят под сомнение ее точность. Были предприняты попытки напрямую измерить нервную активность (например, измерение фракции экстракции кислорода, или OEF, в областях мозга, которая измеряет, сколько оксигемоглобина в крови было преобразовано в дезоксигемоглобин [3]). ), но из-за того, что электромагнитные поля, создаваемые активным или активным нейроном, настолько слабы, отношение сигнал / шум чрезвычайно низкое, и статистические методы, используемые для извлечения количественных данных, до сих пор были в значительной степени безуспешными.
Типичный отказ от низкочастотных сигналов при визуализации с контрастным жирным шрифтом был поставлен под сомнение в 1995 году, когда было обнаружено, что «шум» в области мозга, которая контролирует движение правой руки, колеблется в унисон с аналогичной активностью в этой области. на противоположной стороне мозга, связанной с левосторонним движением. [1] Жирная контрастная визуализация чувствительна только к различиям между двумя состояниями мозга, [4] поэтому потребовался новый метод для анализа этих коррелированных колебаний, названный фМРТ в состоянии покоя .
История
Его доказательство концепции кровь-кислород-зависимый от уровня контрастности изображения было предоставлено Сейджи Огавой и коллегами в 1990 году, после эксперимента , который продемонстрировал , что в естественных условиях изменение оксигенации крови может быть обнаружено с МРТ. [5]В экспериментах Огавы визуализация срезов мозга грызунов в зависимости от уровня кислорода в крови контрастирует с различными компонентами воздуха. В сильных магнитных полях изображения мозга живых мышей и крыс, находящихся под наркозом, с помощью магнитно-резонансного изображения протонов воды измеряли с помощью последовательности импульсов градиентного эха. Эксперименты показали, что при постепенном изменении содержания кислорода в дыхательном газе контраст этих изображений постепенно меняется. Огава предположил и доказал, что оксигемоглобин и дезоксигемоглобин являются основным вкладом в это различие. [6]
Среди других известных пионеров BOLD фМРТ - Кеннет Квонг и его коллеги, которые впервые применили эту технику на людях в 1992 г. [7]
Смотрите также
использованная литература
- ^ а б Э. Райхл, Маркус (2010). «Темная энергия мозга». Scientific American . 302 (3): 44–49. Bibcode : 2010SciAm.302c..44R . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0310-44 . PMID 20184182 .
Сигнал фМРТ обычно называют сигналом, зависящим от уровня кислорода в крови (ЖИРНЫЙ), потому что метод визуализации основан на изменениях уровня кислорода в головном мозге человека, вызванных изменениями кровотока.
- ^ Чжоу, И-хань. «Этап 19: (1990) Функциональная МРТ» . Природа . Проверено 9 августа 2013 года .
- ^ Теория поведения сигнала ЯМР в магнитно-иног ... [Magn Reson Med. 1994] - Результат PubMed
- ^ Langleben, Daniel D. (1 февраля 2008). «Обнаружение обмана с помощью фМРТ: мы уже на месте?» . Юридическая и криминологическая психология . 13 (1): 1–9. DOI : 10.1348 / 135532507X251641 .
- ^ Raichle, ME (3 февраля 1998). «За кулисами функциональной визуализации мозга: историческая и физиологическая перспектива» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (3): 765–72. Bibcode : 1998PNAS ... 95..765R . DOI : 10.1073 / pnas.95.3.765 . PMC 33796 . PMID 9448239 .
Огава и др. смогли продемонстрировать, что изменения оксигенации крови in vivo можно обнаружить с помощью МРТ.
- ^ OGAWA Сэйдзи (1990). «Чувствительный к оксигенации контраст в магнитно-резонансном изображении мозга грызунов в сильных магнитных полях». Магнитный резонанс в медицине . 14 (1): 68–78. DOI : 10.1002 / mrm.1910140108 . PMID 2161986 . S2CID 12379024 .
- ^ Рош, Ричард А. П.; Комминс, Шон; Докри, Пол М. (2009). «Когнитивная нейробиология: введение и историческая перспектива» . В Рош, Ричард А. П.; Commins, Seán (ред.). Новаторские исследования в области когнитивной нейробиологии . Мейденхед, Беркшир: McGraw Hill Open University Press. п. 11. ISBN 978-0335233564.
- Нейровизуализация
