تصویربرداری فراصوت عملکردی
مقدمه

مغز از حدود 86 میلیارد نورون (یاخته های عصبی انگیزش پذیر) و تقریبا همان تعداد نوروگلی (یاخته های عصبی انگیزناپذیر) تشکیل شده است. همچنین هر کدام از این نورون­ها با بعضی از نورون­ های دیگر از طریق ساختاری زیستی به نام سیناپس در ارتباط می­باشد. در مغز میلیاردها نورون باهم در ارتباط­ اند و پیام­ های الکتریکی را به یکدیگر منتقل می­کنند. هر دسته از نورون ­ها در مغز فعالیت خاصی را انجام می­دهند و می توان آنها را به صورت شبکه های عصبی جداگانه ای در نظر گرفت که هر کدام برای انجام فعالیتی مشخص در طول زمان فرگشت پیدا کرده اند. برای مثال یک دسته به درد و یک دسته به حرکات , یک دسته به حس بویای و همین طور یک دسته به بینایی و... اختصاص داده شده اند البته باید خاطرنشان کرد که ساختار مغز خیلی پیچیده تر از این­ها می­باشد.
هنگامی که یک سلول عصبی به نحوی مناسب برانگیخته شود، پتانسیل الکتریکی غشا سلول در اثر تغییر غلظت یون ها در دو طرف آن دچار تغییر ولتاژ می شود. این تغییر از نقطه تحریک شروع شده و در تمامی سطح غشا سلول پراکنده می شود. این تغییر در پتانسیل که به آن پتانسیل عمل  (Action potential)  می گویند را می توان همانند پیامی در نظر گرفت که می تواند از این نورون به نورون دیگری از طریق سیناپس منتقل شود. فرایند انتقال پیام های عصبی را می توان تا حدودی به بازی دومینو شبیه دانست، در واقع تحریک عصبی یک نورون می تواند باعث تحریک عصبی نورون های متصل به آکسون های خود شود و این روند نیز می تواند در نورون بعدی تکرار شود.
فعالیت های مغزی را میتوان با استفاده از روش هایی که مستقیما از فعالیت ها الکتریکی مغز تصویر برداری می کنند همانند استفاده از رنگدانه های حساس به ولتاژ (Voltage-sensitive dyes) ، تصویربرداری کلسیومی، الکتروانسفالوگرافی(EEG) و مگنتوانسفالوگرافی (MEG) اندازه گیری کرد یا بصورت غیر مستقیم با اندازه گیری هایی که بر میزان گردش جریان خون و تغییرات همودینامیک آن مبتنی هستند، مانند: تصویرسازی تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI) ، توموگرافی گسیل پوزیترون(PET)، طیف نگاری کارکردی مادون قرمز نزدیک (fNIRS) یا تصویربرداری فراصوت داپلر(Doppler ultrasonography) این فعالیت ها را ثبت کرد.
روش های مبتنی بر نور به طور کلی بالاترین وضوح و رزولوشن مکانی و زمانی را ارائه می دهند ؛ با این حال ، به دلیل پراکندگی، دارای عمق نفوذ کم می باشد که باعث می شود استفاده از آنها محدود به بررسی قشر مغز بشود. همچنین میدان دید این نوع تصویر برداری کوچک می باشد و مناسب برای مطالعه رفتار تک نورون ها یا یک دسته از نورون ها می باشد.بنا به دلایل ذکر شده، از این روش بیشتر در مدل های حیوانی پس از حذف یا نازک کردن قسمت جزئی از جمجه (به منظور نفوذ بهتر نور در بافت) استفاده می شوند.
fMRI  که سیگنال های که نشان دهنده سطح اکسیژن خون (blood-oxygen level Dependent) و به طبع آن تغییر در پارامتر استراحت طولی  T2 را اندازه گیری می کنند و همچنین PET که پرتوهای گاما ناشی از رادیودارو هایی همانند FDG که در نواحی از مغز که دارای فعالیت بیشتری و مصرف بالاتر گلوکوز هستند، تجمع پیدا میکند را اندازه گیری می کنند، تنها تکنیک های مرسومی هستند که قادر به انجام تصویربرداری از فعالیت عمق مغز می باشند. هنگامی که فعالیت عصبی افزایش می یابد و در نتیجه چون مصرف اکسیژن بیشتر میشود ، سیگنال های BOLD افزایش میابند و بصورت عملکردی ما درمیابیم که در کجا جریان خون به طور قابل توجهی افزایش یافته است . در واقع ، تصویربرداری عمیق از پاسخ های همودینامیکی مغزی توسط fMRI ، به دلیل غیرتهاجمی بودن، راه را برای اکتشافات مهم علوم اعصاب در مراحل اولیه هموار کرده و برای انسان قابل اجرا می باشد. با این حال ، fMRI نیز محدودیت هایی دارد. در ابتدا ، هزینه زیاد و بزرگ بودن اندازه ماشین آلات MR می تواند مانع بزرگی باشد. همچنین، fMRI  با این اینکه SNR خوبی دارد ولی رزولوشن زمانی بزرگی دارد و این مسئله مانعی در تصویربرداری از حوادث گذرا مانند صرع با fMRI  است. نهایتا هم، fMRI  برای همه کاربردهای بالینی مناسب نیست. مثلا، حساسیت fMRI  به حرکات جسم مورد تصویر برداری باعث می شود، استفاده از آن برای تصویربرداری از نوزادان که معمولا با حرکات کودک همراه است، به ندرت انجام می شود.
همانند fMRI ، رویکرد سونوگرافی کارکردی مبتنی بر داپلر بر اساس ارتباط  و همبستگی اعصاب و عروق است و در نتیجه در طی فرایند اندازه گیری تغییرات حجم خون مغزی (CBV - Cerebral blood volume) توسط خصوصیات مکانی-زمانی این همبستگی عصبی-عروقی محدود میشود.
CBV  یک پارامتر مناسب برای تصویربرداری عملکردی است که در حال حاضر در تصویربرداری های دیگری مانند CBV-weighted fMRI و intrinsic optical imaging  استفاده می­شود. تا کنون میزان پاسخ مکانی-زمانی CBV به طور گسترده ای مورد مطالعه قرار گرفته است و اطلاعات بسیاری در این رابطه در دسترس می باشد. رزولوشن مکانی پاسخ برانگیخته حسی CBV میتواند تا حدود 100 میکرومتر در جهت ستون های قشری مغز (از نظر اندازه) کوچک باشد. در پاسخ به محرک های فوق کوتاه  (300μs) ، عملکرد پاسخ ضربه CBV به طور معمول از 0.3 ثانیه بعد شروع شده و در حدود t=1s ماکزیمم می شود، که بسیار کندتر از فعالیت های الکتریکی زیربنایی یاد شده است.