NeurokognitywistykaWYKŁAD 6a

Obrazowanie aktywności metodą

funkcjonalnego rezonansu magnetycznego

(fMRI)

Prof. dr hab. Krzysztof Turlejski

Uniwersytet Kardynała Stefana

Wyszyńskiego

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 włączeniu 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 jąder atomowych o nieparzystej liczbie protonów (90% -wodór).

• 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 mapy rozmieszczenia jąder w strukturze (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 obrazowaniuMR 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.

MRI - podziały kory mózgu i

połączenia jej obszarów

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.

Ukrwienie mózgu

• Głębokie i powierzchowne tętnice szyjne dochodzą do leżącego u

podstawy mózgu kręgu tętniczego Willisa, od którego odchodzą tętnice

doprowadzające krew do różnych struktur mózgu.

• W badanizch neurokognitywistycznych najważniejsze jest obrazowanie

przepływu krwi w korze mózgu i innych strukturach przodomózgowia.

• Tętnice kory mózgu, wychodzące z jego podstawy, biegną następnie

po powierzchni kory.

• Odchodzące od nich tętniczki i kapilary biegną prostopadle do

powierzchni mózgu.

• Jeśli jakiś obszar intensywniej pracuje i zużywa więcej tlenu, to

tętniczki w tym miejscu rozszerzają się, a ich przekrój zwiększa o 5-

10%. To zwiększenie przepływu krwi utlenowanej jest rejestrowane

jako sygnał 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 2015 – 45 000.

• Obecnie fMRI stał się dominującą metodą obrazowania aktywności mózgu ze względu na bezpieczeństwo istosunkowo 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 przyciskiuruchamiane 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

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

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

Problemy z interpretacją 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 (latencja 7-10 sekund, maximum odpowiedzi po 15-20 sekundach).

• 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.

Problemy techniczne badania

perfuzji mózgu

Zobrazowania dynamicznej perfuzji mózgu wygenerowane z tych samych danych (68-letni mężczyzna z

niedrożnością lewej środkowej tętnicy mózgu) za pomocą oprogramowania różnych firm. Pomimo że

zastosowano te same skale kolorów zarówno wartości CBF i MTT, jak i obszary, w których stwierdzono

zaburzenia, różnią się między sobą. Tomografy: (A) GE, (B) Siemens, (C) Philips, (D) Toshiba, (E) Hitachi.

M. Sasaki et al. 2006.

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.

Stymulacja przezczaszkowa

• Prąd elektryczny płynący przez specjalnie ukształtowaną cewkę

powoduje powstanie ukierunkowanego pola magnetycznego.

Odwrócenie biegunów elektrycznych powoduje odwrócenie kierunku

pola magnetycznego

• Pole to powoduje przesunięcia jonów w tkance mózgu, zaleznie od jego

kierunku depolaryzując lub hyperpolaryzując neurony. Powoduje to

pobudzenie lub zahamowanie aktywności pewnych struktur mózgu.

Leczenie depresji stymulacją

przezczaszkową.• Krótkie impulsy

magnetyczne

ukierunkowane na

struktury układu

limbicznego hamują go

lub pobudzają.

• W ten sposób można

zdalnie wzbudzać lub

hamować pewne

procesy emocjonalne i

zachowania.

Dowolne sterowanie pamięcią?• Badania mające na celu znalezienie sposobów leczenia

narkomanii, depresji i stresu pourazowego doprowadziły do

wynalezienia metod manipulowania pamięcią: wymazywania

śladów pamięciowych i ich ponownej aktywacji.

• Poważne problemy etyczne. Co, jeśli metody te zostaną

użyte do usunięcia pamięci przeżytych zdarzeń bez naszej

wiedzy i zgody? Po takim zabiegu moglibyśmy być

wewnętrznie przekonani, że pewne fakty nigdy nie zaistniały

(n.p., policja nie strzelała do demonstrantów).

Marzenie każdej władzy!

Pytanie

1. Do jakich celów służą rejestracje funkcjonalnego rezonansu jądrowego (fMRI) i jak powstają?