Λειτουργική απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού

ο λειτουργική μαγνητική τομογραφία (fMRI) είναι μια μέθοδος τομογραφίας μαγνητικού συντονισμού για την οπτική αναπαράσταση των φυσιολογικών αλλαγών στο σώμα. Βασίζεται στις φυσικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Με τη στενότερη έννοια, ο όρος χρησιμοποιείται σε σχέση με την εξέταση των ενεργοποιημένων περιοχών του εγκεφάλου.

Τι είναι η λειτουργική απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού;

Με βάση την τομογραφία μαγνητικού συντονισμού (MRT), ο φυσικός Kenneth Kwong ανέπτυξε λειτουργική τομογραφία μαγνητικού συντονισμού (fMRI) για να απεικονίσει τις αλλαγές στη δραστηριότητα στις διάφορες περιοχές του εγκεφάλου. Αυτή η μέθοδος μετρά αλλαγές στην εγκεφαλική ροή αίματος που συνδέονται με αλλαγές στη δραστηριότητα στις αντίστοιχες περιοχές του εγκεφάλου μέσω της νευροαγγειακής σύζευξης.

Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί το διαφορετικό χημικό περιβάλλον των μετρούμενων πυρήνων υδρογόνου στην αιμοσφαιρίνη του φτωχού οξυγόνου και του πλούσιου σε οξυγόνο αίματος. Η οξυγονωμένη αιμοσφαιρίνη (οξυαιμοσφαιρίνη) είναι διαμαγνητική, ενώ η αιμοσφαιρίνη χωρίς οξυγόνο (δεοξυαιμοσφαιρίνη) έχει παραμαγνητικές ιδιότητες. Οι διαφορές στις μαγνητικές ιδιότητες του αίματος είναι επίσης γνωστές ως το BOLD αποτέλεσμα (επίδραση εξαρτώμενο από το επίπεδο οξυγόνωσης του αίματος). Οι λειτουργικές διεργασίες στον εγκέφαλο καταγράφονται με τη μορφή μιας σειράς τμηματικών εικόνων.

Με αυτόν τον τρόπο, οι αλλαγές στη δραστηριότητα στις μεμονωμένες περιοχές του εγκεφάλου μπορούν να εξεταστούν μέσω συγκεκριμένων εργασιών στο εξεταζόμενο θέμα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται αρχικά για τη βασική έρευνα για τη σύγκριση των προτύπων δραστηριότητας σε υγιή άτομα ελέγχου με τις εγκεφαλικές δραστηριότητες των ατόμων με ψυχικές διαταραχές. Με την ευρύτερη έννοια, ωστόσο, ο όρος τομογραφία λειτουργικού μαγνητικού συντονισμού περιλαμβάνει επίσης κινηματική τομογραφία μαγνητικού συντονισμού, η οποία περιγράφει την κινούμενη αναπαράσταση διαφόρων οργάνων.

Λειτουργία, αποτέλεσμα και στόχοι

Η λειτουργική απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού είναι μια περαιτέρω ανάπτυξη της μαγνητικής τομογραφίας (MRT). Με την κλασική μαγνητική τομογραφία, εμφανίζονται στατικές εικόνες των αντίστοιχων οργάνων και ιστών, ενώ η fMRI δείχνει αλλαγές στη δραστηριότητα στον εγκέφαλο μέσω τρισδιάστατων εικόνων όταν πραγματοποιούνται ορισμένες δραστηριότητες.

Με τη βοήθεια αυτής της μη επεμβατικής διαδικασίας, ο εγκέφαλος μπορεί να παρατηρηθεί σε διαφορετικές καταστάσεις. Όπως με την κλασική μαγνητική τομογραφία, η φυσική βάση της μέτρησης βασίζεται αρχικά σε πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό. Εφαρμόζοντας ένα στατικό μαγνητικό πεδίο, οι περιστροφές των πρωτονίων της αιμοσφαιρίνης ευθυγραμμίζονται κατά μήκος. Ένα εναλλασσόμενο πεδίο υψηλής συχνότητας που εφαρμόζεται εγκάρσια σε αυτήν την κατεύθυνση μαγνητισμού διασφαλίζει την εγκάρσια εκτροπή του μαγνητισμού στο στατικό πεδίο μέχρι τον συντονισμό (συχνότητα Lamor). Εάν το πεδίο υψηλής συχνότητας είναι απενεργοποιημένο, χρειάζεται κάποιος χρόνος, ενώ απελευθερώνεται ενέργεια έως ότου η μαγνήτιση επανατοποθετηθεί κατά μήκος του στατικού πεδίου.

Αυτός ο χρόνος χαλάρωσης μετράται. Στο fMRI, εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι η δεοξυαιμοσφαιρίνη και η οξυαιμοσφαιρίνη μαγνητίζονται διαφορετικά. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα διαφορετικές μετρημένες τιμές και για τις δύο μορφές, οι οποίες μπορούν να αποδοθούν στην επίδραση του οξυγόνου. Ωστόσο, δεδομένου ότι η αναλογία οξυαιμοσφαιρίνης προς δεοξυαιμοσφαιρίνης αλλάζει συνεχώς κατά τη διάρκεια των φυσιολογικών διεργασιών στον εγκέφαλο, πραγματοποιούνται σειριακές εγγραφές ως μέρος του fMRI, το οποίο καταγράφει τις αλλαγές σε οποιαδήποτε στιγμή του χρόνου. Με αυτόν τον τρόπο, οι δραστηριότητες των νευρικών κυττάρων μπορούν να εμφανιστούν με ακρίβεια χιλιοστομέτρου σε χρονικό διάστημα λίγων δευτερολέπτων. Η θέση της νευρικής δραστηριότητας προσδιορίζεται πειραματικά με μέτρηση του σήματος μαγνητικού συντονισμού σε δύο διαφορετικά χρονικά σημεία.

Πρώτον, η μέτρηση πραγματοποιείται σε κατάσταση ηρεμίας και μετά σε κατάσταση διέγερσης. Στη συνέχεια, η σύγκριση των εγγραφών πραγματοποιείται σε μια διαδικασία στατιστικής δοκιμής και οι στατιστικά σημαντικές διαφορές ανατίθενται χωρικά. Για πειραματικούς σκοπούς, το ερέθισμα μπορεί να παρουσιαστεί στο άτομο δοκιμής αρκετές φορές. Αυτό συνήθως σημαίνει ότι μια εργασία επαναλαμβάνεται πολλές φορές. Οι διαφορές από τη σύγκριση των δεδομένων από τη φάση διέγερσης με τα αποτελέσματα μέτρησης από τη φάση ανάπαυσης υπολογίζονται και στη συνέχεια απεικονίζονται γραφικά. Με αυτήν τη διαδικασία ήταν δυνατό να προσδιοριστεί ποιες περιοχές του εγκεφάλου είναι ενεργές σε ποια δραστηριότητα. Επιπλέον, θα μπορούσαν να προσδιοριστούν οι διαφορές μεταξύ ορισμένων περιοχών του εγκεφάλου σε ψυχολογικές ασθένειες και υγιείς εγκέφαλους.

Εκτός από τη βασική έρευνα, η οποία παρέχει σημαντικά ευρήματα για τη διάγνωση ψυχολογικών ασθενειών, η μέθοδος χρησιμοποιείται επίσης απευθείας στην κλινική πρακτική. Η κύρια κλινική περιοχή εφαρμογής του fMRI είναι ο εντοπισμός γλωσσικών περιοχών του εγκεφάλου κατά την προετοιμασία εγχειρήσεων για όγκους του εγκεφάλου. Αυτό γίνεται για να διασφαλιστεί ότι αυτή η περιοχή είναι σε μεγάλο βαθμό εξοικονομημένη κατά τη διάρκεια της λειτουργίας. Άλλοι κλινικοί τομείς εφαρμογής της λειτουργικής απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού σχετίζονται με την αξιολόγηση ασθενών με μειωμένη συνείδηση, όπως κώμα, βλαστική κατάσταση ή MCS (ελάχιστη κατάσταση συνείδησης).

Κίνδυνοι, παρενέργειες & κίνδυνοι

Παρά τη μεγάλη επιτυχία της λειτουργικής τομογραφίας μαγνητικού συντονισμού, αυτή η μέθοδος πρέπει επίσης να εξεταστεί κριτικά από την άποψη της πληροφοριακής της αξίας. Ήταν δυνατός ο προσδιορισμός ουσιαστικών συνδέσεων μεταξύ ορισμένων δραστηριοτήτων και της ενεργοποίησης των αντίστοιχων περιοχών του εγκεφάλου. Η σημασία ορισμένων περιοχών του εγκεφάλου για ψυχολογικές ασθένειες έχει επίσης γίνει σαφέστερη.

Ωστόσο, μόνο οι αλλαγές στη συγκέντρωση οξυγόνου της αιμοσφαιρίνης μετριούνται εδώ. Επειδή αυτές οι διεργασίες μπορούν να εντοπιστούν σε ορισμένες περιοχές του εγκεφάλου, θεωρείται ότι αυτές οι περιοχές του εγκεφάλου ενεργοποιούνται επίσης λόγω της νευροαγγειακής σύζευξης. Έτσι, ο εγκέφαλος δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα ενώ σκέφτεται. Πρέπει να σημειωθεί ότι η αλλαγή στη ροή του αίματος συμβαίνει μόνο μετά από μια περίοδο καθυστέρησης λίγων δευτερολέπτων μετά τη νευρική δραστηριότητα. Επομένως, μια άμεση ανάθεση είναι μερικές φορές δύσκολη. Το πλεονέκτημα του fMRI σε σχέση με άλλες μη επεμβατικές μεθόδους νευρολογικής εξέτασης είναι ο πολύ καλύτερος χωρικός εντοπισμός των δραστηριοτήτων.

Ωστόσο, η χρονική ανάλυση είναι πολύ χαμηλότερη. Ο έμμεσος προσδιορισμός των νευρωνικών δραστηριοτήτων μέσω μετρήσεων ροής αίματος και οξυγόνωσης αιμοσφαιρίνης δημιουργεί επίσης κάποια αβεβαιότητα. Υποτίθεται μια περίοδος καθυστέρησης άνω των τεσσάρων δευτερολέπτων. Απομένει να διερευνηθεί κατά πόσον αξιόπιστες νευρικές δραστηριότητες μπορούν να θεωρηθούν με μικρότερα ερεθίσματα. Ωστόσο, υπάρχουν επίσης όρια τεχνικής εφαρμογής της τομογραφίας μαγνητικού συντονισμού, τα οποία βασίζονται, μεταξύ άλλων, στο γεγονός ότι το φαινόμενο BOLD δεν δημιουργείται μόνο από τα αιμοφόρα αγγεία, αλλά και από τον κυτταρικό ιστό που βρίσκεται δίπλα στα αγγεία.