רמת הדם של רמת החמצן (BOLD) MRI היא אבן הפינה של נוירו-אייגנציה פונקציונלית מודרנית, המאפשרת לחוקרים ולרופאים להתבונן בפעילות המוח בזמן אמת על ידי מעקב אחר שינויים בחמצן הדם.טכניקה זו, אשר התפתחה בתחילת שנות ה-90, הפכה את ההבנה שלנו של תהליכים קוגניטיביים והפתולוגיים של הפרעות נוירולוגיות עתידיות.

ה-Biophysical Basis of BOLD Contrast

הבסיס של אפקט BOLD הוא בתכונות המגנטיות של המוגלובין, והדרך שבה פעילות המוח המקומית משנה את זרימת הדם וצריכת החמצן.

תכונות מגנטיות של המוגלובין

[המוגלובין, חלבון החמצן בתאי הדם האדומים, קיים בשתי מדינות עיקריות: oxyhemoglobin (HbOveFLT:02FLT:1) ו deoxyhemoglobin (ד'הב) Oxyhemoglobin (ה-Ophin) הוא FLT:2diaFLT 3, כלומר אין לו מולקולות לא מגנטיות ומתנגדות רק לאלקטרומגנטיות של 4.

ההבדל הזה ברגישויות מגנטיות הוא המפתח לתדמית BOLD.כאשר deoxyhemoglobin הוא נוכח, הוא מציג ⁇ שדה מיקרוסקופי אשר להפחית את זמן הרגיעה ההפוך (T2*) של פרוטונים מים רקמות, המוביל לאות MRI חלש יותר. versely, כאשר deoxyhemoglobin מוחלף על ידי oxyhemoglobin, העיוותים השדה פוחת, והאות הופך להיות חזק יותר ויותר חזק יותר של האזור.

התגובה המודינמית

פעילות עצבית וזרימת דם מתמזגים היטב בתהליך שנקרא FLT:0 (Nneurovascular הפיכה מעגלית הפיכה FLT:1 ; כאשר קבוצה של שריפות נוירונים, הם צורכים tripusine (ATP) וחמצן. דרישה מטבולית זו גורמת קערה של מולקולות אות - כולל תחמוצת שיניים חנקנית, adenosine, אשלגן - כי באופן כללי, אמנות מקומית ונפח דם מהיר (B) הוא עלייה מהירה יותר (acreiciciciclowd) ונפח הדם (avC) ולהגדיל את החמצן) ונפח הדם המהיר (aC).

באופן ספציפי, חלקיק החילוץ החמצן (OEF) – שיעור החמצן שהוסר מהדם – ירידה משמעותית במהלך ההפעלה, כי השיטפון של דם מחמצן יותר מאשר פיצוי על הצורך המטבולי.היתר הפרדוקסלי הזה של החמצן מוביל לירידה נטו בריכוז דהקסימוגלובין בתא הנקני של האזור הפעיל.

התגובה המודינמית אינה מיידית.לאחר התפרצות עצבית קצרה, יש דיפא ראשונית (ירידה קלה) שנמשכת כ-0.5-1 שניות, המיוחסת לעלייה מהירה במיצוי חמצן לפני עליית זרימת הדם.השיא החיובי העיקרי מתרחש 4-6 שניות לאחר גירוי, ואחריו לאחר גירוי לאחר גירוי שלאחר גירוי, לאחר שלאחר גירוי שלאחר גירוי של גירוי שלאחר גירוי תחת פתרון שעשוי להימשך 10-20 שניות.

כיצד MRI מדגימה את אות ה-BoLD

הסורק ה-MRI הוא הכלי שממיר שינויים מגנטיים עדינים אלה לתמונות, בעוד ש-MRI רגיל מנצל את ההבדלים בין הרקמות של ה-T1, הדמיה של BOLD מסתמכת בעיקר על רצפי T2* שרגישים לשדה מגנטי בהוגניות.

T2 *-Weighted Imaging

T2 * הרפיה היא דעיכה של מגנטיזציה הפוכה בשל שני תהליכים ט2 טוּט (אינטראקציות spin-spin) ו-Dephasing נוסף הנגרמת על ידי heterogeneities השדה המגנטי המקומי.נוכחות של deoxyhemoglobin יוצר את הטרוגניות האלה, קיצור T2* כאשר T2*-h-choe-e (GRE) הוא בשימוש, בעוצמתית דה-heglobin) הוא מושפע מאוד על ידי ריכוז מקומי (hegloin).

בפועל, הפרמטרים הם אופטימיזציה כדי למקסם את ניגודים של BOLD. ערכים TE אופייני עבור BOLD fMRI ב 3 טסלה הם סביב 30-40 מילישניות - קרוב ל T2* של חומר אפור. Longer TEs להגדיל את הרגישות ל dephas אבל גם להפחית את יחס האות-to-noise (NR) בחוזקות גבוהות יותר (למשל, 7), T2TE הוא קצר יותר, ולהפחית את יחס אופטימלי.

שינויים משמעותיים ופעילות ניל

במהלך הפעלה עצבית, ההפחתה בריכוז דהoxyhemoglobin הופכת את השדה המגנטי המקומי יותר אחיד, להאריך את T2 * ולהגדיל את אות ה-MR.שינוי אות זה הוא מקומי מרחבית לנקבוביות ולרידים ליד נוירונים פעילים, מתן מפות פונקציונליות עם החלטה על סדר מ"ממ"ל, עם זאת, אות ה-BoLD הוא מדד עקיף של פעילות עצבית - הוא משקף את ההשלכות המוסמודינמיקה של פעילות עצבית ופעולות עצביות כמו גם את הסוגיה של פעילות עצבית ופעולות עצביות, כמו גם את עצמם, כמו גם את ה-אונקרטיות, כמו גם את ה-ה, כמו גורמים עצביות, כמו אלה, כמו אלה, כמו גם את ה-אונקמיים, לאורטיים, כמו גם את מערכת יחסים עצביים, כמו גם את ה-אומטיים, כמו גם את ה-אומטיים, לא מושפעת, כמו אלה, כמו אלה, כמו אלה, כמו גם את מערכת יחסים עצביים מורכבים, לא מושפעת, כמו גם את הסימפטומים של מערכת יחסים עצביים, לאוריד, כמו גם את ה-ידי פיזיולוגית, כמו גם את ה-ידי פיזיולוגית, כמו אלה, כמו אלה

ניסויים מודרניים fMRI לרכוש סדרה של כרכים שלמים כל 1-3 שניות, ללכוד את האבולוציה הדינמית של תגובות BOLD על פני גירוי או פרדיגמה משימה.

הפונקציה תגובה של הולוגרמה (HRF)

ה- HRF הקנטון הוא מודל מתמטי המתאר את השינוי הצפוי של אות ה- BOLD לאחר אירוע עצבי קצר.זה בדרך כלל כולל דיפא ראשוני, שיא חיובי, ופוסט-רגישים תחת פתרון.צורת ה-HRF משתנה באזורים במוח ויחידים, אבל מודל סטנדרטי משמש לעתים קרובות בניתוח ברמה ראשונה.

עבור ניסויים בעיצוב בלוק (למשל, 30 שניות של משימה לסירוגין עם 30 שניות של מנוחה), HRF מצטבר, הפקת גובה אות מתמשך. עבור עיצובים הקשורים לאירוע, HRF מניסויים בודדים חייב להיות deconvolved, הדורש תזמון מדויק ורווחי ביניים נאותים כדי להימנע משינויים מתקדמים, כגון אימפולס סופי (FIR) מודלים המאפשרים סימולציה של צורה של ממשית ללא צורה HRFon יכול להניח את צורת HRD בפועל.

ה-HRF מושפע גם מפרמטרים פיזיולוגיים כגון קצב לב, מחזור נשימה, ורמות CO2 בסיס.משתנים אלה מספקים רעש ויכולים לבלבל הערכות הפעלה אם לא מודלים כראוי.

תגיות BOLD FMRI

BOLD fMRI הפך כלי חיוני הן במדעי המוח והן ברפואה הקלינית הבסיסית.טבעו הלא פולשני, היעדר קרינה מהדהדת, וכיסוי מוח שלם הופך אותו לתאים ייחודי למיפוי תפקוד המוח על פני אוכלוסיות מגוונות.

Neuroscience

במחקר, בוLD fMRI משמש לחקור תפיסה, תשומת לב, זיכרון, שפה, רגש וקבלת החלטות.על ידי ניגוד תנאים שונים בתהליך קוגניטיבי ספציפי, החוקרים יכולים לזהות את תת-שכבות העצביות של תהליך זה. לדוגמה, השוואת פרצופים מול בתים במשימה חזותית מגלה את אזור הפנים המטושטש.מנוחה-state fMRI, אשר מודד תנודות ספונטניות, יש חשפו רשתות גדולות כמו רשת סלסולנית (D) ורשת ברירת המחדל (MD) כמו רשת ברירת מחדל (MD) כמו רשת ברירת מחדל).

יישומים קליניים

במרפאה, BOLD fMRI מסייע בהערכה של חולים עם גידולי מוח, אפילפסיה, שבץ, פגיעה מוחית טראומטית ומחלות עצביות.עבור ניתוח אפילפסיה, fMRI יכול למקם את קליפת המוח הרהוטנטית (למשל, מנוע, שפה, זיכרון) כדי לשמור במהלך ניתוח מחדש.זה יכול גם לעזור לזהות את המיספרה הדומיננטית עבור שפה, צמצום הצורך בבדיקות Wada פולשניות, ו- שבץ מוחי יכול להעריך את השלמות פונקציונלית של רשתות שיקום.

תכנון טרום-ניתוח

אחד השימושים הקליניים הממוסדים ביותר הוא מיפוי טרום ניתוחי של אזורי חיישן ושפה.מטופלים מבצעים משימות (למשל, אצבע מנקה, דור פועל) תוך סריקה, ואת מדריך ההפעלה המוביל מפות נוירוכירורגונים בתכנון המסדרון הניתוחי הבטוח ביותר.מחקרים הראו כי שילוב fMRI בתכנון להפחית את הסיכון של גירעון לאחר הניתוח וקיצור זמן ההתאוששות, האמינות המוח של המטופלות על יכולת הבחירה האישית של המטופלת, תלוי ביכולת של המטופלת של תפקוד לא מבוקרת.

הגבלות ושיקולים

למרות כוחו, ל- BOLD fMRI יש מגבלות משמעותיות שיש להכיר בהן בפירוש הנכון של התוצאות.

החלטה מעשית ופנטרית

ההחלטה המרחבית של BOLD fMRI היא בדרך כלל 2-3 מ"מ איזוטרופיה ב 3 T, אשר הוא קורקזה בהשוואה לגודל העמודות הקורטריות (0.5-1 מ"מ) חוזקות שדה גבוהות יותר (7T ומעלה) יכול להשיג רזולוציה תת-מילימטרית, אך בעלות של פריטים רגישים מוגברת וקצב ספיגה ספציפי (SAR) מוגבלת על ידי התגובה ⁇ יתיתיתית (R) הוא יכול להתרחש בכל מטושטשת של 0.5 שניות.

המונחים: Physiological noise

כפייה (~1 הרץ) ונשימה (~0.3 הרץ) מציגה הבדלים תקופתיים בסימן BOLDHz שיכול לחקות או לערפל הפעלה אמיתית.תנודות פיזיולוגיות אלה לעתים קרובות מופרשות בתדרים נמוכים יותר בשל ה- TR הטיפוסי של 1–3 שניות.תיקון סביר, תיקון לב, ותגובה של רעש רטרוספקטיבי (למשל, RET), אינם יכולים להוריד את הנתונים הספונטניים הללו (בנוסף ל-0.01 שניות).

אתגרים

אות הבוLD אינו מדד ישיר של ירי עצבי.זה משקף בין-שיח מורכב של CBF, CBV, חילוף החומרים חמצן ופיזיולוגיה בסיסית.תנאים שמשנים הפיכה עצבית - כגון ההזדקנות, היפרטן או גידול - יכול לייצר ממצאים כוזבים או מעכבי שווא, אך גם הם עלולים להפחית את הרגישות השלילית או השלילית של הפחתת ההשוואה (למשל, לעומת זאת, כיוון התגובה של ה-BLD) עלולים להיות פרדוקסטית, אך עלולה להיות אפילפסיה, אך עלולה לגרום לדיכאון, אך לדיכאון, אך לדיכאון, אך לדיכאון, אך לדיכאון, אך לדיכאון, אך לדיכאון, אך לדיכאון, אך גם לדיכאון, אך גם לדיכאון (דפוספסיבי, אך גם לדיכאון, אך גם לדיכאון, אך גם לדיכאון, אך גם לדיכאון, אך לדיכאון, אך לדיכאון, אך גם לדיכאון, אך לדיכאון, אך גם לדיכאון, אך גם לדיכאון, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן

כיוונים עתידיים והתקדמות

BOLD FMRI ממשיך להתפתח, מונע על ידי שיפורים בחומרה, טכניקות רכישה ושיטות אנליטיות.

MRI גבוה

סורקים אולטרה-גבוהים (T, 9.4 T, ומעבר) מספקים ניגוד גבוה יותר SNR, הגדלת BOLD ורזולוציה מרחבית טובה יותר. בשעה 7 T, יחס ניגודיות-ל-לא-אין הוא בערך כפול מזה ב 3 T, המאפשר מחקרים של ארגון פונקציונלי בקנה מידה בסדר, כגון עמודות אורתות אורתות, כולל יותר B0 ב-homogeneity, אנרגיה מוגברת, ודרישות של המוח, למרות דחיסהמרכזים רבים.

המונחים: resting state fMRI

מאז גילוי תנודות נמוכות ⁇ ברשת ברירת המחדל, מצב מנוחה fMRI הפך להיות תת-תחום מרכזי.זה מודד פעילות מוחית ספונטנית בהיעדר משימה, ומאפשר חקירה של קישוריות פונקציונלית פנימית. גישה זו היא בעלת ערך במיוחד עבור חקר אוכלוסיות שאינן מסוגלות לבצע משימות (למשל, תינוקות, חולים עם ליקוי קוגניטיבי חמור).

טכניקות משולבות

integrating BOLD fMRI עם שיטות אחרות מניב מידע משלים.Sultaneous EEG-fMRI מאפשר להקליט של פעילות חשמלית ו hemoדינמית עם דיוק זמני גבוה, סיוע בהתאזרחות של ספיגים אפילפטיים ואת המחקר של קצבי המוח בשילוב עם דיפוזיה של עשרות או הדמיה (DTI), fMRI יכול להיות קשור לחיבור מבני כדי ליצור מערכות הדמיה של המוח (D) על פני מערכות הדמיה של נוגדנים.

יתר על כן, למידת מכונה ולמידה עמוקה מוחלים יותר ויותר על נתונים fMRI עבור מצבי מוח מרתיעים, זיהוי ביומרקרים, וחיזוי תוצאות קליניות. שיטות אלה יכולות לחשוף דפוסים שאינם ברורים מניתוח לא שגרתי קונבנציונלי, אם כי הם דורשים אימות זהיר כדי להימנע מהתאמה יתר.

מסקנה

העקרונות המדעיים שמאחורי רמת הדם של ה-MRI מייצגים שילוב יוצא דופן של פיזיקה, פיזיולוגיה ומדעי המוח.מתכונות המגנטיות העצומות של המוגלובין לתגובה המודינמית המורכבת לפעילות עצבית, כל אלמנט של אפקט ה- BOLD מאופיין בקפידה על פני שלושת העשורים האחרונים, בעוד מגבלות בהחלטה, רעש ופירוש נשאר התקדמות מתמשכת בטכנולוגיית הסורק, אסטרטגיות רכישה, וכלים אנליטיים ממשיכים להרחיב את ה-FMRI- ללא ספק, לעבוד ב-FMRI-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-F.

(ב) לקוראים המעוניינים במחקר נוסף, מספר משאבים מצוינים זמינים באינטרנט.ה-FLT:0 (FMRIB פריים) ב- fMRIFLT:1 מספק מבוא טכני מקיף, בעוד ה-FLT:2 Nature Reviews מאמר Neuroscience on BOLD fMRIFLT 3: 9G) מציע סקירה סמכותית של המנגנונים.