Нейронауки для всех. Методы нейронаук: фМРТ — измеряем активность

Магниторезонансная томография 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).

99bcd4a5731a60c13eaaea0e5a39fcbf

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.

69c89a171d7a5c3f02ae3fcf1fe512aa

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.

d99ed5fa7de85535cc79616dafafae60

Рис.2. Объём мозгового кровоснабжения (аи BOLD-ответ фМРТ (bпри активации первичной моторной корычеловекаСигнал проходит в стадии. 1 стадия  вследствие активации нейронов повышается потреблениекислородаувеличивается количество дезоксигенированной кровиBOLDсигнал немного уменьшается (на графикене показаноуменьшение незначительное). Сосуды расширяютсявследствие чего несколько уменьшаетсякровоснабжение мозговой ткани.  Стадия  длительное увеличение сигналаПотенциал действия нейроновзаканчиваетсяно поток оксигенированной крови увеличивается инерционновозможно вследствие воздействиябиохимических маркеров гипоксииСтадия  длительное снижение сигнала вследствие нормализациикровоснабжения. 4 стадия  постстимульный спад  вызван медленным восстановлением первоначальногокровоснабжения. 

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.

5d27d741320e6ec627a4fd381a389063 

Рис.3. а  трёхмерное МРТизображение головного мозгаСтрелкой указано расположение моторной коры впрецентральной извилинеb  карта фМРТактивности 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