Obrazowanie zależne od poziomu tlenu we krwi
Obrazowanie zależne od poziomu tlenu we krwi lub obrazowanie z kontrastem BOLD to metoda stosowana w funkcjonalnym obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) do obserwacji różnych obszarów mózgu lub innych narządów, które są aktywne w danym momencie.
Teoria
Neurony nie posiadają wewnętrznych rezerw energii w postaci cukru i tlenu , więc ich odpalanie powoduje potrzebę szybkiego dostarczenia większej ilości energii. Poprzez proces zwany reakcją hemodynamiczną krew uwalnia tlen do aktywnych neuronów z większą szybkością niż do nieaktywnych neuronów. Powoduje to zmianę względnych poziomów oksyhemoglobiny i dezoksyhemoglobiny (natlenionej lub odtlenionej krwi ), które można wykryć na podstawie różnicowej podatności magnetycznej .
W 1990 roku trzy artykuły opublikowane przez Seiji Ogawę i współpracowników wykazały, że hemoglobina ma różne właściwości magnetyczne w swojej utlenionej i odtlenionej postaci (hemoglobina odtleniona jest paramagnetyczna , a utleniona hemoglobina jest diamagnetyczna ), z których oba można wykryć za pomocą MRI . Prowadzi to do zmian sygnału magnetycznego, które można wykryć za pomocą skanera MRI. Biorąc pod uwagę wiele powtórzeń myśli, działania lub doświadczenia, metody statystyczne mogą być użyte do określenia obszarów mózgu, które w wyniku tej różnicy są bardziej wiarygodne, a zatem które obszary mózgu są najbardziej aktywne podczas tej myśli, działania lub doświadczenie.
Krytyka i ograniczenia
Chociaż większość badań fMRI wykorzystuje obrazowanie kontrastowe BOLD jako metodę określania, które części mózgu są najbardziej aktywne, ponieważ sygnały są względne, a nie indywidualnie ilościowe, niektórzy kwestionują jego rygor. Próbowano innych metod, które proponują bezpośredni pomiar aktywności neuronów (na przykład pomiar frakcji ekstrakcji tlenu lub OEF w obszarach mózgu, który mierzy, ile oksyhemoglobiny we krwi zostało przekształcone w deoksyhemoglobinę), ale ponieważ pola elektromagnetyczne wytwarzane przez aktywny lub odpalający neuron są tak słabe, stosunek sygnału do szumu jest niezwykle niski, a metody statystyczne stosowane do wydobywania danych ilościowych były jak dotąd w dużej mierze nieskuteczne.
Typowe odrzucanie sygnałów o niskiej częstotliwości w obrazowaniu z kontrastem BOLD zostało zakwestionowane w 1995 roku, kiedy zaobserwowano, że „szum” w obszarze mózgu, który kontroluje ruch prawej ręki, zmieniał się zgodnie z podobną aktywnością w obszarze po przeciwnej stronie mózgu związanej z ruchem lewej ręki. Obrazowanie z kontrastem BOLD jest czułe tylko na różnice między dwoma stanami mózgu, dlatego potrzebna była nowa metoda analizy tych skorelowanych fluktuacji, zwana fMRI stanu spoczynku .
Historia
Dowód koncepcji obrazowania kontrastowego zależnego od poziomu tlenu we krwi został dostarczony przez Seiji Ogawę i współpracowników w 1990 r., Po eksperymencie, który wykazał, że zmianę utlenowania krwi in vivo można wykryć za pomocą MRI. W eksperymentach Ogawy zależne od poziomu tlenu we krwi obrazowanie wycinka mózgu gryzonia kontrastowało z różnymi składnikami powietrza. Przy silnych polach magnetycznych obrazy rezonansu magnetycznego protonów wody mózgów żywych myszy i szczurów w znieczuleniu zostały zmierzone za pomocą sekwencji impulsów echa gradientowego. Eksperymenty wykazały, że gdy zawartość tlenu w gazie oddechowym zmieniała się stopniowo, kontrast tych obrazów zmieniał się stopniowo. Ogawa zaproponował i udowodnił, że oksyhemoglobina i deoksyhemoglobina jest głównym wkładem w tę różnicę.
Inni znani pionierzy BOLD fMRI to Kenneth Kwong i jego współpracownicy, którzy po raz pierwszy zastosowali tę technikę u ludzi w 1992 roku.