Нейронауки для всех. Методы нейронаук: фМРТ — измеряем активность. Функциональная МРТ головного мозга – диагностика будущего Функциональная магнитно резонансная томография головного мозга

фМРТ позволяет определить активацию определенной области головного мозга во время нормального его функционирования под влиянием различных физических факторов (например, движение тела) и при различных патологических состояниях.

На сегодняшний день это один из самых активно развивающихся видов нейровизуализации . С начала 1990-х годов функциональная МРТ стала доминировать в области визуализации процессов головного мозга из-за своей сравнительно низкой инвазивности, отсутствия воздействия радиации и относительно широкой доступности.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5
Мозг функционально не предназначен для хранения глюкозы - основного источника энергии. Однако, для активации нейронов и действия ионных насосов, которые обуславливают нормальное функционирование мозга, нужна энергия, получаемая из глюкозы. Энергия из глюкозы поступает за счёт кровотока. Вместе с кровью в результате расширения кровеносных сосудов также транспортируются кислородосодержащие молекулы гемоглобина в красных кровяных клетках. Изменение кровотока локализуется в пределах 2 или в области нейронной активности. Обычно увеличение концентрации кислорода больше, чем кислорода, израсходованного на сжигание глюкозы (на данный момент не определено, окисляется ли вся глюкоза), и это приводит к общему снижению гемоглобина . При этом изменяются магнитные свойства крови, препятствуя её намагничиванию, что впоследствии ведет к созданию индуцированного МРТ процесса.
Кровоток мозга неравномерно зависит от потребляемой глюкозы в разных областях мозга. Предварительные результаты показывают, что в некоторых областях мозга приток крови больше того уровня, который бы соответствовал потреблению. Например в таких областях, как в миндалине , базальных ганглиях , таламусе и поясной коре, которые набираются за быстрый отклик. В областях, которые имеют более совещательный характер, таких как боковая, лобной и латеральной париетальных долей, наоборот, исходя из наблюдений, следует вывод, что входящий поток меньше расхода. Это сильно влияет на чувствительность.
Гемоглобин отличается тем, как он реагирует на магнитные поля, в зависимости от того, имеет ли он привязку к молекуле кислорода . Молекула гемоглобина лучше реагирует на действие магнитного поля. Следовательно, она искажает окружающее её магнитное поле, индуцированного магнитно-резонансного сканера, вызывая потерю намагниченности ядер быстрее через период полураспада . Таким образом, сигнал МРТ лучше в тех областях мозга, где кровь сильно насыщается кислородом и меньше, где кислорода нет. Этот эффект возрастает, как квадрат напряженности магнитного поля. У фмрт-сигнала, следовательно, проявляется необходимость в сильном магнитном поле (1.5 Т и выше) и последовательности импульсов, таких как ЭПИ, которая чувствительна к периоду полураспада.
Физиологическая ответная реакция кровотока во многом определяет временную чувствительность, то есть насколько точно мы можем измерить период активности нейронов и в какое именно время они активны, отмечая жирным шрифтом фмрт. Основным временным параметрическим разрешением является - ТР, который диктует, как часто определенный кусочек мозга возбуждается и теряет свою намагниченность. Трс может варьироваться от очень коротких (500 мс) до очень длинных (3 сек). Для фмрт в частности, гемодинамическая реакция длится более 10 секунд, поднявшись мультипликативно с пиком на 4 до 6 секунд, а затем падает мультипликативно. Изменения в системе кровотока, сосудистая система, интеграция ответных реакций нейронной активности с течением времени. Так как данная ответная реакция представляет собой гладкую непрерывную функцию, отбора проб. Больше точек на кривой отклика можно получить путём простой линейной интерполяции в любом случае. Экспериментальные парадигмы могут улучшить временное разрешение, но уменьшат число эффективных точек данных, полученных экспериментальным путём.

Гемодинамическая ответная реакция зависимости уровня кислорода в крови (ЗУКВ)

Механизму, с помощью которого нервная система обеспечивает обратную связь с сосудистой системой , необходимо больше глюкозы, в том числе, частично высвобожденной из глутамата в рамках запуска нейронов. Глутамат влияет на ближайшие опорные клетки, астроциты , вызывая изменение концентрация ионов кальция . Это, в свою очередь, высвобождает оксид азота в точке контакта астроцитов и средних кровеносных сосудов, артериол . Оксид азота является вазодилататором , вызывая расширения артериол и привлечение к себе большего объема крови.
Ответный сигнал одного вокселя в течение периода времени называется timecourse. Как правило, нежелательный сигнал, называемый шумом, со сканера, беспорядочной деятельности, помех и аналогичных элементов соизмерим с величиной полезного сигнала. Чтобы устранить данные шумы, фмрт исследования повторяют несколько раз.

Пространственное разрешение

Пространственное разрешение фмрт исследований определяется, как способность оборудования различать границы мозга и близлежащие места. Она измеряется размером вокселей , как в МРТ . Воксель - это трехмерный прямоугольный параллелепипед, размеры которого определяются толщиной среза, площадь среза, и сетки, наложенные на срез путём сканирования. При полном исследовании мозга используются более крупные воксели, а те, которые специализируются на конкретных регионах, представляющие интерес, как правило, используют меньшие размеры. Размеры варьируются от 4-5 мм до 1 мм. Таким образом размеры вокселей напрямую зависят от области измерения. Вместе с тем время сканирования напрямую увеличивается с увеличением количества вокселей, зависящих от среза и количества срезов. Это может привести к дискомфорту для субъекта внутри сканера и к потере намагниченности сигнала. Вокселя, как правило, содержат несколько миллионов нейронов каждый и десятки миллиардов синапсов .

Временное разрешение

Временное разрешение - это наименьший период времени нейронной активности который с высокой точностью можно определить с помощью фмрт.
Временное разрешение зависит от возможностей мозга обрабатывать данные за определенное время, находясь в различных ситуациях. Например, в широком диапазоне задается визуальная система обработки. То, что глаз видит, регистрируется на фоторецепторах сетчатки в пределах миллисекунд. Данные сигналы доходят до первичной зрительной коры через таламус за десятки миллисекунд. Активность нейронов, связанных с актом видения длится чуть больше 100 мс. Быстрые реакции, такие как резкий поворот, чтобы избежать аварии, занимает около 200 мс. Реакция происходит приблизительно во вторую половину осознания и осмысления произошедшего. Вспоминание подобного события может занять несколько секунд, и эмоциональные или физиологические изменения, такие как страх, возбуждение могут длиться минуты или часы. Распознавание лиц, событий могут длиться дни, месяцы или годы. Большинство экспериментов фмрт исследований процессов мозга, длящиеся несколько секунд, с исследованием, проведенным в течение нескольких десятков минут. Изменение психо-эмоционального состояния может изменить поведение субъекта и его когнитивные процессы.

Линейное дополнение от многократной активации

Когда человек выполняет две задачи одновременно, ответная реакция ЗУКВ, как ожидается, добавляется линейно. Это фундаментальное предположение многих фмрт исследований. Линейное дополнение означает отдельное масштабирование каждого интересующего процесса и их последующего суммирования. Поскольку масштабирование - это просто умножение на постоянное число, это означает, что событие, которое вызывается, скажем, два раза в нейронных реакциях могут быть смоделированы, как определенное событие представленное два раза одновременно.

МРТ дает четкое изображение всех тканей организма, в особенности мягких тканей, хрящей, межпозвоночных дисков и мозга. С помощью МРТ можно обнаружить даже самые незначительные воспалительные процессы в организме.
- Позволяет получить изображение практически всех тканей организма
- МРТ-обследование проводится без применения контрастного вещества
- Получается трехмерное изображение обследуемой области или органа, так называемая виртуальная эндоскопия
- Позволяет получить изображения в любой проекции: аксиальной, фронтальной, сагиттальной
- Позволяет заглянуть не просто «внутрь» организма, но сделать в динамике, например, посмотреть на экране монитора, как бьется сердце.
Магнитно-резонансная томография проводится для всех органов и тканей:
- МРТ головного мозга;
- МРТ гипофиза;
- МРТ мягких тканей;
- МРТ позвоночника и спинного мозга;
- МРТ органов брюшной полости;
- МРТ трактография головного и спинного мозга;
- МРТ органов малого таза;
- МРТ суставов;
- МРТ гиппокампа;
- МРТ височно-нижнечелюстных суставов;
- МРТ ангиография.
Для повышения точности результатов в центрах проводят исследования с ведением контрастирующего вещества, по направлению лечащего врача или врача-рентгенолога.

Магнитно - резонансная томография подразделяется на:

По способу проведения исследования:
- Простую (бесконтрастную) - это метод применяется в большинстве проводимых исследований; МРТ с контрастом – введение пациенту контрастного вещества на основе гадолиния. Как правило, используют для диагностики сосудов;
- По области исследования:
  - МРТ–ангиография – исследуются сосуды, состояние кровотока, определяются патологии стенок артерий и вен. Такое обследование, как правило, проводится с контрастом;
  - ФМРТ – функциональная магнитно-резонансная томография - исследование головного мозга, активность мозговых областей (нейровизуализация).
  - МР-диффузия - определения движения внутриклеточных молекул воды в тканях
  - МР – перфузия – оценка прохождения крови через ткани организма. Например, прохождение крови через печень, через головной мозг.
  - МР – спектроскопия – наблюдение за биохимическими изменениями тканей. В результате диагностики подобных изменений можно обнаружить заболевание на ранних стадиях. Различают следующие виды МР – спектроскопии:
    - МР - спектроскопия внутренних органов
    - МР - спектроскопия биологических жидкостей
Компьютерная тамография

Компьютерная диагностика дает возможность исследовать организм в целом, его отдельные системы, органы и даже элементы тканей. КТ – метод, который использует рентгеновское излучение для получения послойного изображения организма.

Преимущества метода:
- Информация о размерах и расположении органов
- Информация о плотности, внутренней структуре, наличии уплотнений
Недостаток метода:
Зависимость качества получаемого изображения от движений пациента во время исследования.

Область применения компьютерной томографии

Компьютерная томография применяется для изучения как организма в целом, так и для отдельных его областей, частей:

Головной мозг и кости черепа - опухоли, кровотечения, инфекции пазух носа, нарушения костных структур черепа и т.д.
Компьютерная томография мозга
Компьютерная томография носа
Компьютерная томография зубов
Органы грудной клетки - заболевания легких, сердца, пищевода, крупных сосудов (аорта), пространства средостения, новообразования, инфекции.
Компьютерная томография легких
Брюшная полость - кисты, абсцессы, опухоли, аневризмы, увеличение лимфоузлов, кровотечение в брюшной полости, камни, инородные предметы.
Органы малого таза – диагностирует проблемы в репродуктивных органах мужчин и женщин
Суставы и кости – травмы, воспалительные процессы.
Позвоночник - патология конечностей, суставов и позвоночника, грыжи, матастазы, проблемы кровоснабжения.

Обращаем внимание пациентов, что в клинике Семейная нет оборудования для проведения МРТ и КТ, наши специалисты дают направление к нашим партнерам, которые предоставляют специальную скидку для наших пациентов. Для проведения МРТ в "Рэмси", а для проведения КТ в "Медскан"

Консультация врача

Чтобы узнать какой метод диагностики, позвоните в клинику «Семейная» и запишитесь на консультацию к врачу

Запись на прием к специалисту в клинику «Семейная»

Заполните всего два поля в форме ниже, наш администратор свяжется с Вами для подтверждения данных и удобного времени

Изменение активности кровотока регистрируется функциональной магнитно-резонансной томографией (ФМРТ). Способ применяется с целью определения локализации артерий, для оценки микроциркуляции центров зрения, речи, движения, коры некоторых других функциональных центров. Особенность картирования – пациента просят выполнять определенные задачи, повышающие активность нужного мозгового центра (читать, писать, разговаривать, двигать ногами).

На заключительной стадии программное обеспечение формирует изображение путем суммации обычных послойных томограмм и картинок мозга с функциональной нагрузкой. Комплекс информации отображает трехмерная модель. Пространственное моделирование позволяет специалистами детально изучить объект.

Вместе с МРТ спектроскопией исследование выявляет все особенности метаболизма патологических образований.

Принципы функциональной МРТ головного мозга

Магнитно-резонансная томография основана на регистрации измененной радиочастоты атомов водорода жидких сред после воздействия сильным магнитным полем. Классическое сканирование показывает мягкотканые компоненты. Для улучшения видимости сосудов проводится внутривенное контрастирование парамагнетиком гадолинием.

Функциональная МРТ регистрирует активность отдельных зон коры мозга за счет учета магнитного эффекта гемоглобина. Вещество после отдачи молекулы кислорода тканям становится парамагнетиком, радиочастоту которого улавливают датчики аппарата. Чем интенсивнее кровоснабжение мозговой паренхимы, тем качественнее сигнал.

Магнетизация ткани дополнительно повышается за счет окисления глюкозы. Вещество необходимо для обеспечения процессов тканевого дыхания нейронов. Изменение магнитной индукции регистрируется датчиками устройства, обрабатывается программным приложением. Высокопольные аппараты создают разрешение высокой степени качества. На томограмме прослеживается детальное изображение деталей диаметром до 0,5 мм диаметром.

Функциональное исследование МРТ регистрирует сигнал не только от базальных ганглиев, поясной коры, таламуса, но и от злокачественных опухолей. Новообразования имеют собственную сосудистую сеть, по которой внутрь образования поступает глюкоза, гемоглобин. Отслеживание сигнала позволяет изучить контуры, диаметр, глубину проникновения опухоли внутрь белого или серого вещества.

Функциональная диагностика МРТ головного мозга требует квалификации врача лучевой диагностики. Разные зоны коры характеризуются различной микроциркуляцией. Насыщение гемоглобином, глюкозой влияет на качество сигнала. Учитывать следует структуру молекулы кислорода, наличие альтернативных заменителей атомов.

Сильное магнитное поле увеличивает период полураспада кислорода. Эффект работает при мощности аппарата более 1,5 Тесла. Более слабые установки нельзя не смогут исследовать функциональную активность мозга.

Метаболическую интенсивность кровоснабжения опухоли лучше определять высокопольным оборудованием мощностью 3 Тесла. Высокое разрешение позволит зарегистрировать небольшой очаг.

Эффективность сигнала научным языком называется «гемодинамическим ответом». Термин применяется для описания скорости нейронных процессов с интервалом 1-2 секунды. Кровоснабжения тканей не всегда достаточно для функциональных исследований. Повышается качество результата дополнительным введением глюкозы. После стимуляции пик насыщения наступает через 5 секунд, когда и проводится сканирование.

Технические особенности функционального исследования МРТ мозга

Функциональная диагностика МРТ основана на повышении активности нейронов после стимуляции мозговой активности путем выполнения человеком определенного задания. Внешний раздражитель вызывает стимуляцию сенсорной или моторной активности определенного центра.

Для отслеживания участка включается режим градиентного эха на основе импульсной эхопланарной последовательности.

Анализ сигнала активной зоны на МРТ делается быстро. Регистрация одной томограммы выполняется на интервале в 100 мс. Диагностика выполняется после стимуляции и в периоде покоя. Программное обеспечение использует томограммы для вычисления очагов нейрональной активности, наложения участков усиленного сигнала на трехмерную модель мозга в покое.

Лечащим врачам данный тип МРТ предоставляет информацию о патофизиологических процессах, которые нельзя отследить другими диагностическими методами. Изучение когнитивных функций необходимо нейропсихологам для дифференцировки психических и психологических заболеваний. Исследование помогает верифицировать эпилептические очаги.

Финальная карта картирования показывает не только участки повышенной функциональной стимуляции. Снимки визуализируют зоны сенсомоторной, слуховой речевой активности вокруг патологического очага.

Построение карт расположения мозговых каналов называется трактографией. Функциональная значимость расположения зрительного, пирамидного тракта перед планированием оперативного вмешательства позволяет нейрохирургам правильно спланировать расположения надрезов.

Что показывает ФМРТ

Высокопольное МРТ с функциональными пробами назначается по показаниям, когда требуется изучить патофизиологические основы функционирования моторных, сенсорных, зрительных, слуховых зон мозговой коры головного мозга. Нейропсихиологи применяют исследование у пациентов с нарушением речи, внимания, памяти, когнитивных функций.

С помощью ФМРТ выявляется ряд заболеваний на начальной стадии – Альцгеймера, Паркинсона, демиелинизацию при рассеянном склерозе.

Функциональная диагностика в разных медицинских центрах выполняется на различных установках. Знает, что показывает МРТ головного мозга , врач-диагност. Консультация специалиста обязательно проводится перед обследованием.

Высокое качество результатов достигается сканированием сильным магнитным полем. Перед выбором медицинского центра рекомендуем узнать тип установленного аппарата. Важна квалификация специалиста, который должен владеть знаниями о функциональной, структурной составляющей головного мозга.

Будущее функциональной диагностики МРТ в медицине

Функциональные исследования недавно внедрены в практическую медицину. Возможности метода использованы недостаточно.

Ученые разрабатывают методики визуализации снов, чтения мыслей с помощью функциональной МРТ. Предполагается использование томографии для выработки метода общения с парализованными людьми.

Нейронной возбудимости;
Психической активности;
Степени насыщения мозговой коры кислородом, глюкозой;
Количества дезоксилированного гемоглобина в капиллярах;
Участков расширения кровотока;
Уровня оксигемоглобина в сосудах.

Достоинства исследования:

Качественная временная картинка;
Пространственное разрешение выше 3 мм;
Возможность изучения мозга до и после стимуляции;
Безвредность (при сравнении с ПЭТ);
Отсутствие инвазивности.

Ограничивает массовое использование функционального МРТ головного мозга высокая стоимость оборудования, каждого единичного обследования, невозможность прямого измерения нейрональной активности, нельзя делать пациентам с металлическими включениями в теле (сосудистые клипсы, ушные импланты).

Регистрация функционального метаболизма мозговой коры имеет большое диагностическое значение, но не является точным показателем для динамической оценки изменений головного мозга на фоне лечения, после оперативного вмешательства.

Метод, известный под названием функциональная МРТ, был разработан совсем недавно и до настоящего времени не получил широкого применения в исследовании психопатологии. Изначально метод МРТ создавали и применяли с целью изучения структуры головного мозга, а не его деятельности. При исследованиях последней специалистам приходилось полагаться на ПЭТ-сканирование, принципиальным недостатком которого была дорогостоящая потребность в находящемся рядом циклотроне, продуцирующем ионизирующие радиоактивные изотопы. Необходимость введения ионизирующих частиц, пусть и короткоживущих, в организм пациента также настораживала многих клиницистов. В середине 1980-х годов стало ясно, что модификация метода МРТ, означала бы огромный шаг вперед в изучении как анатомии, так и функционирования головного мозга. Прорыв, которые многие ученые оценивают как самый революционный за всю историю методов получения изображений, был совершен в начале 1990-х годов; его описание представлено в Harvard heath letter.

Специфические механизмы, лежащие в основе оценки, производимой ФМРТ, помимо тех, которые содержатся в МРТ, представляют собой слишком узкие технические понятия, и мы не будем останавливаться на них подробнее. Короче говоря, наиболее часто ФМРТ измеряет изменения локального содержания кислорода в отдельных участках ткани головного мозга. Они, в свою очередь, зависят от активности нейронов в этих областях. Таким образом можно «нанести на карту» текущую психологическую деятельность - ощущения, образы и мышление, выявляя специфические участки головного мозга, в которых происходят нейрофизиологические процессы, ответственные за эту деятельность. Временной фактор является решающим при измерении изменения содержания кислорода, поэтому появление ФМРТ потребовало разработки высокоскоростных устройств для записи процесса и компьютерного анализа входящих данных. В настоящее время они стали доступными, что, без всяких сомнений, приведет к серьезному прогрессу в исследованиях с помощью функциональных изображений индивидов, страдающих расстройствами.

Однако до сих пор опубликовано незначительное число работ, посвященных психическим заболеваниям, а основная часть исследований проводится в области картирования зрительной зоны коры головного мозга. Полагают, что эта область участвует в обработке быстро движущихся визуальных стимулов, и поэтому эти исследования могут дать важный ключ к пониманию происхождения расстройств чтения.

В одной недавно опубликованной работе, выполненной на маленьких выборках, сообщалось об аномально высокой активности в нескольких участках головного мозга у субъектов, страдающих обсессивно-компульсив — ным расстройством, в условиях воздействия «провокационных» раздражителей, например необходимости взять в руки «грязное» полотенце. К сожалению, даже малейшие движения головы во время критических стадий исследования могут помешать получению адекватной записи с помощью ФМРТ. У многих пациентов с психическими нарушениями отмечаются большое напряжение и ажитация, особенно при контакте со стрессорами. Кроме того, задания в процессе исследования психического здоровья часто включают в себя физически невыполнимые реакции, если пациент не в состоянии двигать головой.

Недавно несколько ученых использовали ФМРТ для выявления в головном мозгу области аберрантного функционирования при шизофрении. Например, была отмечена связь между наличием у пациентов с диагнозом шизофрения звуковых галлюцинаций и активацией центров мозга, которые предположительно отвечают за восприятие речи.

Вместе с МРТ спектроскопией исследование выявляет все особенности метаболизма патологических образований.