Neurokognitywistyka WYKŁAD 6a Obrazowanie aktywności metodą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fmri) Prof. dr hab. Krzysztof Turlejski Uniwersytet Kardynała Stefana Wyszyńskiego Instytut Biologii Doświadczalnej PAN
Tomograf MRI Największą częścią aparatu MRI jest ogromny i bardzo silny elektromagnes o polu stałym ( w badaniach ludzi 1.5 7 Tesla). Ponadto w jego skład wchodzą elektromagnesy pomocnicze oraz zestaw nadajników i czujników promieniowania w zakresie fal radiowych. Osoba badana jest układana na specjalnym wózku i unieruchamiana, a następnie wraz z wózkiem wprowadzana do wnętrza elektromagnesu. Zależnie od celu, badanie trwa od kilku minut do kilku godzin. Ogromny magnes urządzenia zużywa bardzo dużo energii i wytwarza wysoki poziom hałasu. Po wyłączeniu potrzeba kilku dni, aby ustabilizować jego pracę.
Konstrukcja mapy MRI W czasie jednej sesji zbierane są miliony pojedynczych sygnałów. Są one następnie przetwarzane w programach komputerowych, konstruujących mapy natężenia sygnału w różnych punktach przestrzeni badanego obiektu. Natężenie to odpowiada koncentracji protonów nieparzystych. Jeśli koordynaty przestrzeni, w jakiej znajduje się próbka są znane, to informacja przestrzenna może zostać odkodowana a zebrane widma mogą zostać zamienione na trójwymiarowy obraz próbki. Odkodowanie obrazu nazywane jest jego rekonstrukcją.
Sygnały używane do tworzenia obrazu w tomografii magnetycznego rezonansu jądrowego (MRI) Na podstawie zejestrowanego, złożonego sygnału emitowanego przez wzbudzone protony w częstotliwościach fal radiowych można wyliczyć dla danego kierunku w przestrzeni: Ilość energii potrzebnej do uporządkowania spinów protonów. Wielkość energii E (informacja o częstości precesji) Czas relaksacji spinu protonów. Wszystkie te miary dają informację o gęstości upakowania protonów w różnych punktach przestrzeni. Różne związki chemiczne i tkanki różnią się gęstością upakowania w nich protonów wodoru.
Co naprawdę obrazujemy przy pomocy MRI? Najczęściej wykorzystywanym w obrazowaniu MR jądrem rezonansowym jest pojedynczy proton jądro atomu wodoru występujące powszechnie w obiektach biologicznych, w szczególności w cząsteczkach wody. W ciele człowieka 80% atomów to atomy wodoru, one więc dają najsilniejszy sygnał. Stopień uwodnienia tkanek i proporcja roztworów wodnych do ciał tłuszczowych jest najważniejszą zmienną, generująca odmienne natężenie sygnału w różnych punktach badanego obiektu, na przykład układu nerwowego.
Odmiany rejestracji MRI Ze względu na parametry podstawowe, metody obrazowania dzieli się na: obrazy T1-zależne, najlepiej oddające wizualnie strukturę anatomiczną mózgu, gdzie istota biała jest ukazywana w jasnych kolorach, zaś istota szara w ciemnych, płyn mózgowo-rdzeniowy, ropnie i guzy na ciemno, a n.p. miąższ wątroby na jasno. obrazy T2-zależne, na których istota biała ukazywana jest w ciemniejszych barwach, zaś istota szara w jaśniejszych, płyn mózgowo-rdzeniowy, guz, ropień, naczyniak wątroby i śledziona na jasno, a wątroba i trzustka na ciemno. FLAIR (ang. Fluid Light Attenuation Inversion Recovery), pewna modyfikacja sekwencji T2-zależnej, gdzie obszary z małą ilością wody ukazywane są w ciemniejszych barwach, zaś obszary z dużą ilością wody w jaśniejszych. Obrazowanie w tej sekwencji znajduje dobre zastosowanie w wykrywaniu chorób demielinizacyjnych. Obrazowanie dyfuzyjne mierzy dyfuzję molekuł wody w tkance. Wyróżnia się tutaj następujące techniki: obrazowanie tensora dyfuzji (ang. DTI diffusion tensor imaging), które może być zaadaptowane do obrazowania kierunku przebiegu włókien w istocie białej, oraz obrazowanie zależne od dyfuzji (ang. DWI diffusion-weighted imaging), które wykazuje się dużą skutecznością w obrazowaniu udarów mózgu.
Obrazy MRI Od lewej: - obraz pokazujący przekrój strzałkowy (płaszczyzna pionowa) przez środek głowy człowieka; - obraz przekroju horyzontalnego przez głowę człowieka; - obraz przekroju czołowego przez jamę brzuszną człowieka.
Obrazowanie tensora dyfuzji Aksony są rurkami z substancji tłuszczowych, w których znajduje się nasycona wodą plazma komórkowa. Cząsteczki wody, wraz z ich atomami wodoru, nie mogą w nich wykonywać ruchów Browna z tym samym prawdopodobieństwem we wszystkich kierunkach. Możliwe jest zobrazowanie nierównomierności kierunku ruchów Browna wody w aksonach, co wyznacza trasę i kierunek przebiegu włókien nerwowych.
Obrazowanie szlaków włókien w żywym mózgu przy pomocy analizy tensora dyfuzji (DTI) - traktografia Kolory są dodawane sztucznie, oznaczając pęczki włókien o wspólnym pochodzeniu.
fmri Funkcjonalny magnetyczny rezonans jądrowy (ang. functional Magnetic Resonance Imaging, fmri) jest odmianą obrazowania MRI. Metoda ta pozwala na uwidocznienie tych obszarów układu nerwowego, w których wystepuje hemodynamiczna odpowiedź układu krwionośnego na niedotlenienie tkanki. Gdy w jakimś miejscu tlenu jest mniej, to w tym miejscu naczynia krwionośne rozszerzają się. Zwiększony napływ krwi zwiększa zawartość wody w tkance, co zmienia obraz MRI. Ponadto, krew ta jest utlenowana, a więc żelazo hemoglobiny w niej zawartej ma inną wartościowość, niż w krwi pozbawionej tlenu. Sygnał pochodzący z jądra atomu żelaza utlenowanej hemoglobiny (sygnał BOLD) jest podstawą obrazowania metodą BOLD.
fmri BOLD Istotą rejestracji metodą fmri BOLD jest wykrywanie i pomiar skoordynowanego z poziomem zużycia tlenu w danej tkance efektu BOLD (blood-oxygen-level-dependent contrast). Siła efektu BOLD jest zależna od zmiany (wzrostu) przepływu krwi i stopnia jej utlenowania w tych strukturach mózgu, które są aktywne w czasie reakcji na bodźce lub wykonywania pewnych zadań mentalnych. W czasie wykonywania zadania, wymagającego zwiększonej aktywności danej struktury, jej obraz BOLD jest inny, niż w czasie spoczynku.
fmri Pierwsze udane rejestracje fmri przeprowadzono w 1992 r. W roku 2012 liczba prac klinicznych i naukowych wykonanych z zastosowaniem fmri przekroczyła 25 000, a w końcu 2014 37 000. Obecnie fmri stał się dominującą metodą obrazowania aktywności mózgu ze względu na bezpieczeństwo i stosunkowo łatwy dostęp do tej aparatury. Podstawowymi obszarami zastosowań fmri są: psychiatria, neurologia i neurochirurgia, a także neuropsychologia kliniczna. Badania fmri są też wykorzystywane w badaniach podstawowych, np. w psychologii doświadczalnej. fmri jest jedyną techniką nieinwazyjną obiektywnie obrazującą poziom aktywności różnych struktur mózgu związany z różnymi procesami psychicznymi. W medycynie przy pomocy fmri bada się zmienność aktywności struktur mózgu wynikającą ze stanu klinicznego pacjenta (np. poprawy lub pogorszenia funkcjonowania w trakcie leczenia).
Etapy konstrukcji obrazu fmri 1. Stworzenie obrazu mózgu w spoczynku przy pomocy rejestracji klasycznego MRI oraz sygnału BOLD. Obrazuje on (zależnie od sposobu indukcji spinu i rejestracji) stopień uwodnienia tkanek (MRI) lub stopień zawartości w nich tlenu lub żelaza (BOLD). Daje to obraz dynamiki przepływu krwi w różnych strukturach. ZAŁOŻENIE: tempo metabolizmu danej struktury mózgu jest proporcjonalne do jej aktywności. 2. Powtórzenie rejestracji podczas rozwiązywania pewnych zadań, lub pozostawania w pewnym stanie psychicznym. Gdy badana struktura jest aktywna, jej metabolizm jest wyższy o 1-10%.
Etapy konstrukcji obrazu fmri 3. Odjęcie obrazu 1 od obrazu 2. Wówczas w pewnych obszarach ujawniają się różnice sygnałów na plus, świadcząca o aktywności struktury, lub na minus, świadcząca o obniżeniu trwającej uprzednio aktywności. 4. Kolorowanie danych obszary zwiększające aktywność na żółto i czerwono, zmniejszające na zielono i niebiesko. 5. Normalizacja danych nałożenie na standardowy (konwencjonalnie przyjęty dla wszystkich badań) obraz mózgu. 6. Z literatury - przypisanie funkcji okolicom aktywnym i zahamowanym, ustalenie sekwencji ich aktywacji.
Przebieg badania Stosuje się różnorodne, z reguły proste bodźce lub zadania: - percepcja bodźca wzrokowego, słuchowego lub też czuciowego; - bodziec wywołujący reakcję emocjonalną badanego; - wybór odpowiedzi "tak" lub "nie" w reakcji na pytanie zadane badanemu. - wykonanie polecenia wyobrażenia sobie pewnej sytuacji, miejsca. Odpowiedzi są udzielane z reguły poprzez przyciski uruchamiane palcami, by nie wprowadzać sygnału z aktywnych mięśni głowy, który musiałby powstać przy artykulacji mowy. Treść pytań i typ zadań powodują aktywność różnych obszarów mózgu mierzoną metodą fmri.
Przebieg badania fmri U ludzi, optymalny pomiar efektu BOLD uzyskiwany jest za pomocą skanerów MRI indukujących pole magnetyczne 3 tesla (3T). Stosowanie skanerów o mniejszej sile wymaga powtarzania badań, aby odróżnicować sygnał odpowiedzi od szumu, co często jest trudne lub niemożliwe. Istnieje możliwość prowadzenia złożnych badań łączących fmri z innymi technikami, np. z EEG.
Przykłady badania fmri aktywacja kory ruchowej PO LEWEJ: Aktywacja kory ruchowej podczas ruchów lewą i prawą dłonią w stanie pełnej świadomości. PO PRAWEJ: Aktywacja kory ruchowej podczas ruchów lewej i prawej dłoni w stanie snu paradoksalnego. Przekroje poziome (horyzontalne). M. Dresler 2011. UWAGA: na obrazach fmri STRONY MÓZGU SĄ ODWRÓCONE Kolor pomarańczowy obszary kory mózgu, w których zwiększył się przepływ krwi podczas: - zaciskania lewej dłoni na komendę badającego (ruch świadomy) - świadomych ruchów nóg; - świadomych ruchów prawej ręki
Problemy z fmri Metoda fmri rejestruje zmiany przepływu krwi w strukturach mózgu. Rozdzielczość przestrzenna metody nie jest duża (12 mm przy standardowym aparacie i czasie uśredniania). Układ hemodynamiczny reaguje wolno, toteż rozdzielczość czasowa metody też jest słaba (co najmniej kilka sekund). Hamowanie aktywności pewnych struktur jest trudne do udowodnienia metodą fmri, ponieważ hamowanie na ogół jest procesem aktywnym, a więc energochłonnym. Konieczność standaryzacji (nakładania danych na wyidealizowany, standardowy model mózgu) zaciera różnice indywidualne.
Zakłócenia obrazu MRI Rezonans Magnetyczny obarczony jest dużą liczbą możliwych artefaktów, mogących wpłynąć na jakość obrazowania. Zakłócenia obrazu MRI wynikają z: - niejednorodności pola magnetycznego; - zakłóceń zewnętrznych - wprowadzonych do organizmu biomateriałów - czynników będących skutkiem biologicznej aktywności organizmu (oddech, przepływ krwi, tętnienie naczyń) - składu biochemicznego (woda, tłuszcz) badanych tkanek.
MRI źródła artefaktów W Tomografii Komputerowej spotykamy artefakty związane z: - tak zwanym utwardzeniem wiązki (beam hardening); - całkowitym pochłanianiem fotonów przez badany obiekt (photon starving); - artefakty linijne (streak artefacts), - zniekształcenia obrazu badanych przedmiotów związane z rekonstrukcją obrazu otrzymywanego w technice spiralnej - efekt uśredniania (partial volume effect).
Zagrożenia Ponieważ badanie MRI wiąże się z oddziaływaniem silnego pola magnetycznego, może nie być wskazane u tych, którym wszczepiono różnego rodzaju aparaty lub metalowe implanty. Jeśli badany otrzymuje środek cieniujący, istnieje niewielkie ryzyko wystąpienia reakcji alergicznej. Ale jest ono mniejsze niż w wypadku substancji kontrastowych stosowanych podczas zdjęć rentgenowskich oraz tomografii komputerowej.
Pytanie 1. Do jakich celów służą rejestracje funkcjonalnego rezonansu jądrowego (fmri) i jak powstają?