Λειτουργική Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού

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

Ιστορικό

Από τη δεκαετία του 1890, χάρη στον Sherrington ήταν  γνωστό ότι 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 δευτερόλεπτα και στη συνέχεια επιστρέφει στην φυσιολογική τιμή (συχνά ξεπερνώντας την ελαφρώς). Αυτή η απόκριση έχει ως 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'αυτήν την περίπτωση η μαγνητική επιδεκτικότητα είναι πιό κοντά στη μαγνητική επιδεκτικότητα του ιστού. Συλλέγοντας δεδομένα σε ένα τομογράφο πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (MRI) με παραμέτρους 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

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 ώστε να παρέχει τα θρεπτικά στοιχεία του εγκεφαλικού μεταβολισμού. Γίνεται σημαντική έρευνα για να βρεθεί μια πιο άμεση σχέση ανάμεσα στην παροχή αίματος και στις νευρωνικές εισόδους/εξόδους που μπορεί να σχετίζονται με παρατηρούμενη ηλεκτρική δραστηριότητα και μοντέλα νευρωνικών κυκλωμάτων.

Τα δεδομένα δείχνουν ότι 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 πιο 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 ότι η αύξηση της εγκεφαλικής αιματικής ροής που ακολουθεί την νευρωνική δραστηριότητα δεν συνδέεται αιτιακά με τις μεταβολικές απαιτήσεις της συγκεκριμένης περιοχής, αλλά προκαλείται από την παρουσία νευροδιαβιβαστών, κυρίως Γλουταμικού.

Τεχνικές
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

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

 Το σήμα BOLD είναι μόνο έμμεση ένδειξη νευρωνικής δραστηριότητας και μπορεί να επηρεαστεί 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.

 Διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου έχουν διαφορετική αιμοδυναμική δραστηριότητα
 Τα δεδομένα του ΛΑΜΣ μπορούν να πουν περισσότερα για το πού λαμβάνει χώρα μια νευρωνική διεργασία παρά για το πώς.
 Η χρονική του ανάλυση είναι κακή.
 Είναι μη επεμβατική μέθοδος, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να γίνονται πειράματα χωρίς κίνδυνο ακτινοβολίας, και  για μεγάλα χρονικά διαστήματα
 Έχει πολύ καλή χωρική ανάλυση σε σχέση με άλλες μεθόδους καταγραφής όπως το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα.

Ανάλυση δεδομένων
Σκοπός της ανάλυσης δεδομένων ΛΑΜΣ είναι η ανίχνευση συσχετίσεων ανάμεσα στην ενεργοποίηση του εγκεφάλου και την εργασία που εκτελεί το υποκείμενο. 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, αλλά 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 πιο 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

Δείτε ακόμη
 Εγκεφαλικός φλοιός

Σχετικοί σύνδεσμοι
 Department of Biophysics at Medical College of Wisconsin
 Laboratory of Neuro Imaging at UCLA
 Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging  at Massachusetts General Hospital, which develops and supports FreeSurfer
 RadiologyInfo- The radiology information resource for patients: Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain
 The fMRI Data Center (fMRIDC) at Κολλέγιο Ντάρτμουθ
 The Functional Imaging Laboratory at University College London
 The Centre for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain at Oxford University
 Sir Peter Mansfield Magnetic Resonance Centre, University of Nottingham
 The Brain Mapping Unit (BMU), University of Cambridge
 About fMRI from Functional MRI Research Center, Columbia University
 Introduction to FMRI from the Oxford Centre for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain, Oxford University
 FMRLAB Toolbox for fMRI data analysis
 BrainMapping.ORG project Community web site for information Brain Mapping and methods
 York Neuroimaging Center at University of York
 fMRI.pl Functional Imaging Lab at Warsaw University of Technology
 Functional Neuroimaging Lab at University of Sao Paulo - Ribeirao Preto - Brazil
 A list of the best introductions to fMRI on the web

Νευροεπιστήμη
Γνωστική νευροεπιστήμη