Hannah Devlin descrie modul în care funcționează fMRI și cum este folosit pentru a descoperi cum funcționează creierul. Cu contribuții suplimentare de Stuart Clare și Irene Tracey.

Istoria RMN

department

IRMF este una dintre cele mai recent dezvoltate forme de neuroimagistică, dar ideea care stă la baza tehnicii - deducerea activității creierului prin măsurarea modificărilor fluxului sanguin - nu este nouă. Următoarea relatare a unui experiment realizat de omul de știință italian Angelo Mosso (stânga) poate fi găsită în versiunea lui William James Principiile psihologiei, publicat în 1890:

„Subiectul care trebuie observat se întindea pe o masă delicat echilibrată, care ar putea înclina în jos, fie la cap, fie la picior, dacă greutatea ambelor capete ar fi crescută. În momentul în care activitatea emoțională sau intelectuală a început în subiect, a scăzut echilibrul la capăt, ca urmare a redistribuirii sângelui în sistemul său ... '

Succesul raportat al acestui experiment timpuriu nu a putut fi decât o gândire de dorință din partea anchetatorilor. Dar sugestia că fluxul sanguin este cuplat cu activitatea neuronală a fost perspicace. În 1890, opinia dominantă a fost că, din moment ce creierul este învelit de craniu, creșterile locale ale fluxului și volumului de sânge ar fi imposibile. În schimb, sa crezut că orice modificare a fluxului sanguin a fost cauzată de modificări sistemice ale tensiunii arteriale sau ale debitului cardiac.

Spre sfârșitul secolului al XIX-lea, Charles S. Roy și Charles S. Sherrington au furnizat primele dovezi care susțin o cuplare între metabolismul energetic și fluxul sanguin în creier. În experimentele lor, un dispozitiv de monitorizare a fost plasat pe suprafața creierului câinilor anesteziați, care măsura fluctuațiile volumului de sânge (kymograph Sherrington Starling, stânga). Au arătat că volumul de sânge (și probabil curge) se schimbă local în creier. Cu toate acestea, nu era încă clar dacă creierul însuși era responsabil pentru medierea acestor schimbări.

Abia în 1948, într-un experiment seminal de măsurare a metabolismului oxigenului și a fluxului de sânge în creier, Seymour Kety și Carl Schmidt au confirmat că fluxul de sânge din creier este reglementat regional de creierul însuși. Ei au demonstrat că atunci când neuronii utilizează mai mult oxigen, semnalele chimice determină dilatarea vaselor de sânge din apropiere. Creșterea volumului vascular duce la o creștere locală a fluxului sanguin. La momentul acestor publicații, Kety și Schmidt erau considerați fiziologi vasculari mai mult decât oamenii de știință din creier. Cu toate acestea, capacitatea de a măsura CBF, un corelat dovedit al metabolismului creierului, a deschis posibilitatea remarcabilă de a studia funcția creierului la oameni.

Dezvoltarea FMRI în anii 1990, în general creditată lui Seiji Ogawa și Ken Kwong, este cea mai recentă dintr-o lungă linie de inovații, inclusiv tomografia cu emisie de pozitroni (PET) și spectroscopia în infraroșu apropiat (NIRS), care utilizează fluxul sanguin și metabolismul oxigenului pentru deduce activitatea creierului. Ca tehnică de imagistică a creierului, FMRI are mai multe avantaje semnificative:

  • Nu este invaziv și nu implică radiații, ceea ce îl face sigur pentru subiect.
  • Are o rezoluție spațială excelentă și o rezoluție temporală bună.
  • Este ușor de utilizat de către experimentator.

Atracțiile FMRI l-au făcut un instrument popular pentru imagistica funcției normale a creierului - în special pentru psihologi. În ultimul deceniu, acesta a oferit o nouă perspectivă asupra investigației despre modul în care se formează amintirile, limbajul, durerea, învățarea și emoția pentru a numi doar câteva domenii de cercetare. FMRI este, de asemenea, aplicat în medii clinice și comerciale.

Ce măsuri RMN

Tubul cilindric al unui scaner RMN găzduiește un electro-magnet foarte puternic. Un scaner tipic de cercetare (cum ar fi scanerul FMRIB Center) are o intensitate a câmpului de 3 tesle (T), de aproximativ 50.000 de ori mai mare decât câmpul Pământului. Câmpul magnetic din interiorul scanerului afectează nucleele magnetice ale atomilor. În mod normal, nucleele atomice sunt orientate aleatoriu, dar sub influența unui câmp magnetic nucleele devin aliniate cu direcția câmpului. Cu cât câmpul este mai puternic, cu atât este mai mare gradul de aliniere. Când sunt îndreptate în aceeași direcție, semnalele magnetice minuscule de la nucleele individuale se adună coerent, rezultând un semnal suficient de mare pentru a fi măsurat. În FMRI este semnalul magnetic de la nucleele de hidrogen din apă (H2O) care este detectat. Cheia RMN este că semnalul de la nucleele de hidrogen variază ca putere în funcție de mediul înconjurător. Aceasta oferă un mijloc de discriminare între substanța cenușie, substanța albă și lichidul coloanei vertebrale cerebrale în imaginile structurale ale creierului.

Ce măsuri FMRI

Oxigenul este administrat neuronilor de către hemoglobină în globulele roșii capilare. Atunci când activitatea neuronală crește, există o cerere crescută de oxigen, iar răspunsul local este o creștere a fluxului sanguin către regiunile cu activitate neuronală crescută.

Hemoglobina este diamagnetică atunci când este oxigenată, dar paramagnetică când este dezoxigenată. Această diferență în proprietățile magnetice duce la mici diferențe în semnalul MR al sângelui, în funcție de gradul de oxigenare. Deoarece oxigenarea sângelui variază în funcție de nivelurile de activitate neuronală, aceste diferențe pot fi utilizate pentru a detecta activitatea creierului. Această formă de RMN este cunoscută sub numele de imagistică dependentă de nivelul de oxigenare a sângelui (BOLD).

Un punct de remarcat este direcția schimbării oxigenării cu o activitate crescută. S-ar putea să vă așteptați ca oxigenarea sângelui să scadă odată cu activarea, dar realitatea este puțin mai complexă. Există o scădere momentană a oxigenării sângelui imediat după creșterea activității neuronale, cunoscută sub numele de „scufundare inițială” în răspunsul hemodinamic. Aceasta este urmată de o perioadă în care fluxul de sânge crește, nu doar la un nivel în care cererea de oxigen este satisfăcută, ci supracompensează cererea crescută. Aceasta înseamnă că oxigenarea sângelui crește de fapt după activarea neuronală. Fluxul de sânge atinge vârfurile după aproximativ 6 secunde și apoi cade înapoi la momentul inițial, adesea însoțit de un „depășire post-stimul”.

Hărți de activare

Imaginea prezentată este rezultatul celui mai simplu tip de experiment FMRI. În timp ce zăcea în scanerul RMN, subiectul urmărea un ecran care alternează între a arăta un stimul vizual și a fi întunecat la fiecare 30 de secunde. Între timp, scanerul RMN a urmărit semnalul în tot creierul. În zonele cerebrale care răspund la stimulul vizual, v-ați aștepta ca semnalul să crească în sus și în jos pe măsură ce stimulul este pornit și oprit, deși estompat ușor de întârzierea răspunsului la fluxul sanguin. „Activitatea” dintr-un voxel este definită prin cât de aproape se potrivește cursul de timp al semnalului din acel voxel cu cursul de timp așteptat. Voxelilor al căror semnal corespunde strâns li se acordă un scor mare de activare, voxelilor care nu prezintă nicio corelație au un scor scăzut și voxelilor care arată opusul (dezactivare) li se acordă un scor negativ. Acestea pot fi apoi traduse în hărți de activare.