Метод, известный под названием функциональная МРТ, был разработан совсем недавно и до настоящего времени не получил широкого применения в исследовании психопатологии. Изначально метод МРТ создавали и применяли с целью изучения структуры головного мозга, а не его деятельности. При исследованиях последней специалистам приходилось полагаться на ПЭТ-сканирование, принципиальным недостатком которого была дорогостоящая потребность в находящемся рядом циклотроне, продуцирующем ионизирующие радиоактивные изотопы. Необходимость введения ионизирующих частиц, пусть и короткоживущих, в организм пациента также настораживала многих клиницистов. В середине 1980-х годов стало ясно, что модификация метода МРТ, означала бы огромный шаг вперед в изучении как анатомии, так и функционирования головного мозга. Прорыв, которые многие ученые оценивают как самый революционный за всю историю методов получения изображений, был совершен в начале 1990-х годов; его описание представлено в Harvard heath letter.

Специфические механизмы, лежащие в основе оценки, производимой ФМРТ, помимо тех, которые содержатся в МРТ, представляют собой слишком узкие технические понятия, и мы не будем останавливаться на них подробнее. Короче говоря, наиболее часто ФМРТ измеряет изменения локального содержания кислорода в отдельных участках ткани головного мозга. Они, в свою очередь, зависят от активности нейронов в этих областях. Таким образом можно «нанести на карту» текущую психологическую деятельность - ощущения, образы и мышление, выявляя специфические участки головного мозга, в которых происходят нейрофизиологические процессы, ответственные за эту деятельность. Временной фактор является решающим при измерении изменения содержания кислорода, поэтому появление ФМРТ потребовало разработки высокоскоростных устройств для записи процесса и компьютерного анализа входящих данных. В настоящее время они стали доступными, что, без всяких сомнений, приведет к серьезному прогрессу в исследованиях с помощью функциональных изображений индивидов, страдающих расстройствами.

Однако до сих пор опубликовано незначительное число работ, посвященных психическим заболеваниям, а основная часть исследований проводится в области картирования зрительной зоны коры головного мозга. Полагают, что эта область участвует в обработке быстро движущихся визуальных стимулов, и поэтому эти исследования могут дать важный ключ к пониманию происхождения расстройств чтения.

В одной недавно опубликованной работе, выполненной на маленьких выборках, сообщалось об аномально высокой активности в нескольких участках головного мозга у субъектов, страдающих обсессивно-компульсив — ным расстройством, в условиях воздействия «провокационных» раздражителей, например необходимости взять в руки «грязное» полотенце. К сожалению, даже малейшие движения головы во время критических стадий исследования могут помешать получению адекватной записи с помощью ФМРТ. У многих пациентов с психическими нарушениями отмечаются большое напряжение и ажитация, особенно при контакте со стрессорами. Кроме того, задания в процессе исследования психического здоровья часто включают в себя физически невыполнимые реакции, если пациент не в состоянии двигать головой.

Недавно несколько ученых использовали ФМРТ для выявления в головном мозгу области аберрантного функционирования при шизофрении. Например, была отмечена связь между наличием у пациентов с диагнозом шизофрения звуковых галлюцинаций и активацией центров мозга, которые предположительно отвечают за восприятие речи.

фМРТ позволяет определить активацию определенной области головного мозга во время нормального его функционирования под влиянием различных физических факторов (например, движение тела) и при различных патологических состояниях.

На сегодняшний день это один из самых активно развивающихся видов нейровизуализации . С начала 1990-х годов функциональная МРТ стала доминировать в области визуализации процессов головного мозга из-за своей сравнительно низкой инвазивности, отсутствия воздействия радиации и относительно широкой доступности.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Мозг функционально не предназначен для хранения глюкозы - основного источника энергии. Однако, для активации нейронов и действия ионных насосов, которые обуславливают нормальное функционирование мозга, нужна энергия, получаемая из глюкозы. Энергия из глюкозы поступает за счёт кровотока. Вместе с кровью в результате расширения кровеносных сосудов также транспортируются кислородосодержащие молекулы гемоглобина в красных кровяных клетках. Изменение кровотока локализуется в пределах 2 или в области нейронной активности. Обычно увеличение концентрации кислорода больше, чем кислорода, израсходованного на сжигание глюкозы (на данный момент не определено, окисляется ли вся глюкоза), и это приводит к общему снижению гемоглобина . При этом изменяются магнитные свойства крови, препятствуя её намагничиванию, что впоследствии ведет к созданию индуцированного МРТ процесса.

  Кровоток мозга неравномерно зависит от потребляемой глюкозы в разных областях мозга. Предварительные результаты показывают, что в некоторых областях мозга приток крови больше того уровня, который бы соответствовал потреблению. Например в таких областях, как в миндалине , базальных ганглиях , таламусе и поясной коре, которые набираются за быстрый отклик. В областях, которые имеют более совещательный характер, таких как боковая, лобной и латеральной париетальных долей, наоборот, исходя из наблюдений, следует вывод, что входящий поток меньше расхода. Это сильно влияет на чувствительность.

  Гемоглобин отличается тем, как он реагирует на магнитные поля, в зависимости от того, имеет ли он привязку к молекуле кислорода . Молекула гемоглобина лучше реагирует на действие магнитного поля. Следовательно, она искажает окружающее её магнитное поле, индуцированного магнитно-резонансного сканера, вызывая потерю намагниченности ядер быстрее через период полураспада . Таким образом, сигнал МРТ лучше в тех областях мозга, где кровь сильно насыщается кислородом и меньше, где кислорода нет. Этот эффект возрастает, как квадрат напряженности магнитного поля. У фмрт-сигнала, следовательно, проявляется необходимость в сильном магнитном поле (1.5 Т и выше) и последовательности импульсов, таких как ЭПИ, которая чувствительна к периоду полураспада.

  Физиологическая ответная реакция кровотока во многом определяет временную чувствительность, то есть насколько точно мы можем измерить период активности нейронов и в какое именно время они активны, отмечая жирным шрифтом фмрт. Основным временным параметрическим разрешением является - ТР, который диктует, как часто определенный кусочек мозга возбуждается и теряет свою намагниченность. Трс может варьироваться от очень коротких (500 мс) до очень длинных (3 сек). Для фмрт в частности, гемодинамическая реакция длится более 10 секунд, поднявшись мультипликативно с пиком на 4 до 6 секунд, а затем падает мультипликативно. Изменения в системе кровотока, сосудистая система, интеграция ответных реакций нейронной активности с течением времени. Так как данная ответная реакция представляет собой гладкую непрерывную функцию, отбора проб. Больше точек на кривой отклика можно получить путём простой линейной интерполяции в любом случае. Экспериментальные парадигмы могут улучшить временное разрешение, но уменьшат число эффективных точек данных, полученных экспериментальным путём.

  Гемодинамическая ответная реакция зависимости уровня кислорода в крови (ЗУКВ)

  Механизму, с помощью которого нервная система обеспечивает обратную связь с сосудистой системой , необходимо больше глюкозы, в том числе, частично высвобожденной из глутамата в рамках запуска нейронов. Глутамат влияет на ближайшие опорные клетки, астроциты , вызывая изменение концентрация ионов кальция . Это, в свою очередь, высвобождает оксид азота в точке контакта астроцитов и средних кровеносных сосудов, артериол . Оксид азота является вазодилататором , вызывая расширения артериол и привлечение к себе большего объема крови.

  Ответный сигнал одного вокселя в течение периода времени называется timecourse. Как правило, нежелательный сигнал, называемый шумом, со сканера, беспорядочной деятельности, помех и аналогичных элементов соизмерим с величиной полезного сигнала. Чтобы устранить данные шумы, фмрт исследования повторяют несколько раз.

  Пространственное разрешение

  Пространственное разрешение фмрт исследований определяется, как способность оборудования различать границы мозга и близлежащие места. Она измеряется размером вокселей , как в МРТ . Воксель - это трехмерный прямоугольный параллелепипед, размеры которого определяются толщиной среза, площадь среза, и сетки, наложенные на срез путём сканирования. При полном исследовании мозга используются более крупные воксели, а те, которые специализируются на конкретных регионах, представляющие интерес, как правило, используют меньшие размеры. Размеры варьируются от 4-5 мм до 1 мм. Таким образом размеры вокселей напрямую зависят от области измерения. Вместе с тем время сканирования напрямую увеличивается с увеличением количества вокселей, зависящих от среза и количества срезов. Это может привести к дискомфорту для субъекта внутри сканера и к потере намагниченности сигнала. Вокселя, как правило, содержат несколько миллионов нейронов каждый и десятки миллиардов синапсов .

  Временное разрешение

  Временное разрешение - это наименьший период времени нейронной активности который с высокой точностью можно определить с помощью фмрт.

  Временное разрешение зависит от возможностей мозга обрабатывать данные за определенное время, находясь в различных ситуациях. Например, в широком диапазоне задается визуальная система обработки. То, что глаз видит, регистрируется на фоторецепторах сетчатки в пределах миллисекунд. Данные сигналы доходят до первичной зрительной коры через таламус за десятки миллисекунд. Активность нейронов, связанных с актом видения длится чуть больше 100 мс. Быстрые реакции, такие как резкий поворот, чтобы избежать аварии, занимает около 200 мс. Реакция происходит приблизительно во вторую половину осознания и осмысления произошедшего. Вспоминание подобного события может занять несколько секунд, и эмоциональные или физиологические изменения, такие как страх, возбуждение могут длиться минуты или часы. Распознавание лиц, событий могут длиться дни, месяцы или годы. Большинство экспериментов фмрт исследований процессов мозга, длящиеся несколько секунд, с исследованием, проведенным в течение нескольких десятков минут. Изменение психо-эмоционального состояния может изменить поведение субъекта и его когнитивные процессы.

  Линейное дополнение от многократной активации

  Когда человек выполняет две задачи одновременно, ответная реакция ЗУКВ, как ожидается, добавляется линейно. Это фундаментальное предположение многих фмрт исследований. Линейное дополнение означает отдельное масштабирование каждого интересующего процесса и их последующего суммирования. Поскольку масштабирование - это просто умножение на постоянное число, это означает, что событие, которое вызывается, скажем, два раза в нейронных реакциях могут быть смоделированы, как определенное событие представленное два раза одновременно.

  Дает исследователю очень много информации об анатомическом строении органа, ткани или другого объекта, который попадает в поле видимости. Однако, чтобы сложилась целостная картина происходящих процессов, не хватает данных о функциональной активности. И для этого как раз существует BOLD-функциональная магнитно-резонансная томография (BOLD - blood oxygenation level dependent contrast, или контрастность, зависящая от степени насыщения крови кислородом).

  BOLD фМРТ - это один из наиболее применимых и широко известных способов определять мозговую активность. Активация приводит к усилению местного кровотока с изменением относительной концентрации оксигенированного (обогащенного кислородом) и дезоксигенированного (бедного кислородом) гемоглобина в местном кровотоке.

  

  Рис.1. Схема реакции мозгового кровотока в ответ на возбуждение нейронов.

  Дезоксигенированная кровь является парамагнетиком (веществом, способным намагничиваться) и ведет к падению уровня сигнала МРТ. Если же в области мозга больше оксигенированной крови – уровень МРТ-сигнала увеличивается. Таким образом, кислород в крови выполняет роль эндогенного контрастного вещества.

  

  Рис.2. Объём мозгового кровоснабжения (а ) и BOLD- ответ фМРТ (b ) при активации первичной моторной коры человека . Сигнал проходит в 4 стадии . 1 стадия – вследствие активации нейронов повышается потребление кислорода , увеличивается количество дезоксигенированной крови , BOLD — сигнал немного уменьшается (на графике не показано , уменьшение незначительное ). Сосуды расширяются , вследствие чего несколько уменьшается кровоснабжение мозговой ткани . Стадия 2 – длительное увеличение сигнала . Потенциал действия нейронов заканчивается , но поток оксигенированной крови увеличивается инерционно , возможно вследствие воздействия биохимических маркеров гипоксии . Стадия 3 – длительное снижение сигнала вследствие нормализации кровоснабжения . 4 стадия – постстимульный спад – вызван медленным восстановлением первоначального кровоснабжения.

  Для активации работы нейронов в определённых областях коры существуют специальные активирующие задания. Дизайн заданий, как правило, бывает двух видов: «block» и «event-related». Каждый вид предполагает наличие двух чередующихся фаз - активного состояния и покоя. В клинической фМРТ чаще используются задания вида «block». Выполняя такие упражнения, испытуемый чередует так называемые ON- (активное состояние) и OFF- (состояние покоя) периоды одинаковой или неравной продолжительности. Например, при определении области коры, отвечающей за движения рук, задания состоят из чередующихся движений пальцами и периодов бездействия, продолжительностью в среднем около 20 секунд. Действия повторяют несколько раз для увеличения точности результата фМРТ. В случае задания «event-related» испытуемый выполняет одно короткое действие (например, глотание или сжатие кулака), за которым следует период покоя, при этом действия, в отличие от блокового дизайна, чередуются неравномерно и непоследовательно.

  На практике BOLD фМРТ используется при предоперационном планировании резекции (удаления) опухолей, диагностике сосудистых мальформаций, при операциях при тяжелых формах эпилепсии и других поражений головного мозга. В ходе операции на головном мозге важно максимально точно удалить участок поражения, в то же время избегая излишнего повреждения соседних фунционально важных участков головного мозга.

  
  

  Рис.3.

  а – трёхмерное МРТ — изображение головного мозга . Стрелкой указано расположение моторной коры в прецентральной извилине .

  b – карта фМРТ —активности мозга в прецентральной извилине при движении рукой.

  Метод очень эффективен при изучении дегенеративных заболеваний, например, болезней Альцгеймера и Паркинсона, особенно на ранних стадиях. Он не предполагает использования ионизирующего излучения и рентгеноконтрастных веществ, к тому же, он неинвазивен. Поэтому его можно считать довольно безопасным для пациентов, которые нуждаются в длительных и регулярных фМРТ-обследованиях. ФМРТ можно применять для исследования механизмов формирования эпилептических приступов и позволяет избежать удаления функциональной коры у больных с трудноизлечимой эпилепсией лобной доли. Наблюдение за восстановлением мозга после инсультов, изучение влияния лекарственных средств или другой терапии, наблюдение и контроль лечения психиатрических заболеваний – это далеко не полный перечень возможного применения фМРТ. Кроме этого, существует еще фМРТ покоя, в которой сложная обработка данных позволяет увидеть сети мозга, функционирующие в состоянии покоя.

  Источники:

  1. How well do we understand the neural origins of the fMRI BOLD signal? Owen J.Arthur, Simon Boniface. TRENDS in Neurosciences Vol.25 No.1 January 2002
  2. The physics of functional magnetic resonance imaging (fMRI) R. B. Buxton. Rep. Prog. Phys. 76 (2013)
  3. Применение функциональной магнитно-резонансной томографии в клинике. Научный обзор. Беляев А., Пек Кюнг К., Бреннан Н., Холодный А. Russian electronic journal of radiology. Том 4 №1 2014г.
  4. Мозг, познание, разум: введение в когнитивные нейронауки. Часть2 . Б. Баарс, Н. Гейдж. М.: Бином. 2014г. С. 353-360.

  Текст: Дарья Прокудина

  > Функциональная МРТ (магнитно-резонансная томография)

  Данная информация не может использоваться при самолечении!
  Обязательно необходима консультация со специалистом!

  Что выявляет функциональная МРТ?

  Функциональная МРТ - это одна из разновидностей магнитно-резонансной томографии, специализирующаяся на фиксации изменений в работе головного мозга в зависимости от его активности.

  При активизации работы определенных отделов мозга насыщение тканей кислородом и скорость тока крови в них усиливаются, и, соответственно, возрастает интенсивность сигнала, улавливаемого томографом. В результате фиксации этих изменений удается получить изображения, которые затем накладываются на снимки, полученные в результате обычной МРТ. Сочетание трехмерной компьютерной графики и данного метода дают возможность составить развернутую на плоскости функциональную карту практически всей коры головного мозга.

  Функциональная МРТ дает возможность оценить и сравнить активность определенной зоны головного мозга в период покоя с активностью, вызванной влиянием отдельных факторов, например, умственной деятельности или двигательной активности.

  При помощи данного вида диагностики можно определить индивидуально для каждого пациента расположение мозговых центров - речевых, двигательных, сенсорных и других. Хирурги на основании результатов исследования могут составить план предстоящей операции на мозге, максимально предотвратив различные осложнения, например, повреждения разговорного и двигательного центров. Радиологи имеют возможность точно рассчитать дозу облучения при лечении раковых новообразований.

  Показания к проведению функциональной МРТ

  Показаниями к проведению функциональной МРТ являются опухоли головного мозга, в особенности, если последние располагаются вблизи функционально значимых областей коры мозга. Этот метод помогает также выявить очаги эпилепсии. В нейропсихологии его применяют для изучения нарушений памяти, внимания, речи и других изменений когнитивных функций.

  При помощи данного вида МРТ можно выявить некоторые заболевания на ранних стадиях, например, определить участки ишемии (недостаточного поступление кислорода) и предотвратить тем самым инсульт. Также она позволяет выявить первые признаки болезней Паркинсона и Альцгеймера.

  Направляют на данную процедуру чаще всего неврологи, нейрохирурги, психиатры, онкологи.

  Где пройти функциональную МРТ?

  Для прохождения функциональной МРТ недостаточно найти медицинский центр, оснащенный магнитно-резонансным томографом. Диагностический аппарат должен быть высокочувствительным, то есть иметь необходимые для данного обследования технические характеристики (мощность магнитного поля, постоянное и временное разрешение).

  Для расшифровки полученных результатов специалист должен обладать знаниями как структурной, так и функциональной организации мозга.

  Подготовка, противопоказания и методика проведения функциональной МРТ

  Перед проведением диагностики необходимо снять с тела и одежды все металлические предметы. Если имеются какие-либо имплантаты или неснимаемые протезы, вопрос о возможности проведения процедуры решается специалистом-радиологом в индивидуальном порядке. Не рекомендуется проведение МРТ во время беременности.

  Пациент помещается внутрь тоннеля томографа в положении лежа. Он должен точно выполнять все рекомендации лучевого диагноста. В отличие от обычной МРТ, когда от пациента требуется просто неподвижно лежать во время обследования, при функциональной МРТ его просят выполнять какие-либо задания. Передаются команды обычно через переговорное устройство.

  Расшифровка результатов, как правило, проводится совместно специалистом-радиологом и нейрохирургом или неврологом.

  Перспективы применения функциональной МРТ

  На основании проведенных исследований ученые считают, что функциональную МРТ можно будет использовать в будущем даже для чтения мыслей и визуализации снов. Теоретически с ее помощью можно создать условия для общения с парализованными людьми. Эта методика имеет безграничные перспективы в медицине, психологии и многих других областях.

  Показывает, какое количество крови попадает в разные участки мозга.

  Пациенты в коме реагируют на окружающий мир.

  В медицинском иерусалимском центре Хадаса д-ром Нетой Левин, являющейся главврачом неврологического отделения, было сделано важное наблюдение. Как удалось выяснить д-ру Левин, некоторые люди, находящиеся в состоянии комы, реагируют на голоса людей и могут узнавать свое имя. Данное открытие было сделано при помощи устройства

  ФМРТ

  , (

  FMRI

  ).

  ФМРТ

  (

  функциональная магнитно-резонансная томография

  ), в отличие от обычного

  МРТ

  (магнитно-резонансной томографии), позволяет получить динамическую картину мозговой активности. Это некое видео, которое отображает активность мозга во время выполнения какой-либо задачи. Данный метод позволяет составить своеобразную карту областей мозга, отвечающих за специфические действия, такие как движение, зрение, слух, речь и так далее. В Хадасе

  ФМРТ

  используют, как правило, ради проведения предоперационного анализа. Нейрохирурги используют результаты

  ФМРТ

  , чтобы определить функционирование различных областей мозга. Информация, полученная посредством

  ФМРТ

  , передается непосредственно в операционную палату и помогает хирургам избежать повреждения тех или иных областей мозга. Д-р Левин использовала

  ФМРТ

  для оценки состояния мозговой активности пациентов, находящихся в коме. Таким образом, стало возможным произвести неинвазивное изучение мозга, отследить нервную активность, даже когда казалось, что у пациентов наблюдается полное отсутствие реакций. Д-р Левин провела сравнение мозговой активности здоровых людей и группы пациентов, находящихся в коме. Она изучила их мозговую реакцию на различные раздражители - на звуки и на тишину, на звучание различных слов, на звучание их собственного имени, а также возможность различать знакомые и незнакомые голоса. Как пояснила д-р Левин,

  ФМРТ

  показывает, какое количество крови попадает в различные области мозга. Она считает, что большое количество реакций на раздражители свидетельствует о более высоких шансах пациента выйти из комы. Однако также предупреждает, что отсутствие активности во время диагностики не свидетельствует об отсутствии активности в целом, поскольку мозговая активность людей в коме может меняться, так же, как и у здоровых людей. В ходе исследования, д-р Левин обнаружила мозговую активность у ряда людей, находящихся в коме. Так, один из пациентов, молодой человек, на третьем десятке лет, мог различать голоса, реагировал на свое имя и на другие имена по-разному. Также, когда его попросили представлять различные действия, каждое из которых влияет на определенный участок мозга, пациент справился с этим заданием, не смотря на то, что находился в коме. Так, пациента просили представить игру в теннис, что влияет на активность «моторной» области мозга, пение, что влияет на активность слуховой области мозга, ходьбу по маршруту до дома, и т.п. Ожидаемая активность мозга наблюдалась, что свидетельствовало о понимании находящемся в коме пациентом языка и возможности выполнять распоряжения.

  По материалам от медцентра Хадаса
  

  
  Теги:
  Начало активности (дата):
  Кем создан (ID): 1
  Ключевые слова: мрт, магнитно-резонансная томография, фмрт, fmri