Zarys mapowania mózgu

„Mapowanie ludzkiego mózgu” przekierowuje tutaj. Aby zapoznać się z czasopismem naukowym, zobacz Human Brain Mapping (czasopismo) .

Poniższy zarys stanowi przegląd i aktualny przewodnik po mapowaniu mózgu:

Mapowanie mózgu - zestaw technik neurobiologicznych opartych na mapowaniu (biologicznych) wielkości lub właściwości na przestrzenne reprezentacje mózgu (ludzkiego lub nie-ludzkiego), w wyniku czego powstają mapy. Mapowanie mózgu jest dalej definiowane jako badanie anatomii i funkcji mózgu i rdzenia kręgowego za pomocą obrazowania (w tym obrazowania śródoperacyjnego, mikroskopowego, endoskopowego i multimodalnego), immunohistochemii, molekularnej i optogenetyki, komórek macierzystych i komórkowych biologia, inżynieria (materiałowa, elektryczna i biomedyczna), neurofizjologia i nanotechnologia.

Szeroki zakres

Doktryna neuronów

  • Doktryna neuronowa - Zestaw starannie skonstruowanych elementarnych obserwacji dotyczących neuronów. Aby uzyskać bardziej szczegółowe, bardziej aktualne i bardziej zaawansowane tematy, zobacz sekcję dotyczącą poziomu komórkowego
  • Twierdzi, że neurony podlegają szerszej teorii komórkowej , która postuluje:
    • Wszystkie żywe organizmy składają się z jednej lub więcej komórek.
    • Komórka jest podstawową jednostką struktury, funkcji i organizacji wszystkich organizmów.
    • Wszystkie komórki pochodzą z wcześniej istniejących, żywych komórek.
  • Doktryna Neuron postuluje kilka elementarnych aspektów neuronów:
    • Mózg składa się z pojedynczych komórek (neuronów), które zawierają wyspecjalizowane cechy, takie jak dendryty , ciało komórki i akson .
    • Neurony to komórki różniące się od innych tkanek w ciele.
    • Neurony różnią się rozmiarem, kształtem i strukturą w zależności od ich lokalizacji lub specjalizacji funkcjonalnej.
    • Każdy neuron ma jądro, które jest centrum troficznym komórki (część, która musi mieć dostęp do pożywienia). Jeśli komórka zostanie podzielona, ​​przeżyje tylko część zawierająca jądro.
    • Włókna nerwowe są wynikiem procesów komórkowych i wyrostków komórek nerwowych. (Kilka aksonów jest połączonych ze sobą, tworząc jedno fibryle nerwowe. Zobacz także: Neurofilament . Kilka włókienek nerwowych tworzy następnie jedno duże włókno nerwowe. Mielina , izolator elektryczny, tworzy się wokół wybranych aksonów.
    • Neurony powstają w wyniku podziału komórki.
    • Neurony są połączone miejscami kontaktu, a nie ciągłością cytoplazmatyczną. ( Błona komórkowa izoluje wnętrze komórki od jej otoczenia. Neurony nie komunikują się poprzez bezpośredni kontakt cytoplazmy z cytoplazmą.)
    • Prawo polaryzacji dynamicznej. Chociaż akson może przewodzić w obu kierunkach, w tkance istnieje preferowany kierunek transmisji z komórki do komórki.
  • Elementy dodane później do początkowej doktryny Neuron
    • W miejscu kontaktu między dwoma neuronami istnieje bariera dla transmisji, która może umożliwić transmisję. (Synapsa)
    • Jedność przekazu. Jeśli dojdzie do kontaktu między dwiema komórkami, kontakt ten może być albo pobudzający , albo hamujący , ale zawsze będzie tego samego typu.
    • Zgodnie z prawem Dale'a każdy terminal nerwowy uwalnia jeden typ neuroprzekaźnika.
  • Niektóre z podstawowych postulatów doktryny Neuron zostały następnie zakwestionowane, obalone lub zaktualizowane. Aby uzyskać dodatkowe informacje, zobacz sekcję dotyczącą poziomu komórkowego .

Projekty map, atlasów i baz danych

  • Projekt mapy aktywności mózgu - projekt NIH z 2013 r. o wartości 3 miliardów dolarów mający na celu zmapowanie każdego neuronu w ludzkim mózgu w ciągu dziesięciu lat, w oparciu o projekt genomu ludzkiego.
  • NIH Brain Research poprzez Inicjatywę Postęp Innowacyjnych Neurotechnologii (BRAIN) [1]
  • Witryna społecznościowa o zasięgu powyżej, na której opinia publiczna może komentować [2]
  • BigBrain Atlas 3D ludzkiego mózgu o wysokiej rozdzielczości stworzony w ramach HBP.
  • Projekt Human Connectome - projekt NIH z 2009 r. o wartości 30 milionów dolarów mający na celu zbudowanie mapy sieci ludzkiego mózgu, w tym elementów strukturalnych (anatomicznych) i funkcjonalnych. Nacisk obejmował badania nad dysleksją, autyzmem, chorobą Alzheimera i schizofrenią. Zobacz także Connectome , obszerną mapę połączeń neuronowych w mózgu.
  • Allen Brain Atlas - projekt o wartości 100 milionów dolarów z 2003 roku, sfinansowany przez Paula Allena (Microsoft)
  • BrainMaps - baza danych Narodowego Instytutu Zdrowia (NIH), zawierająca 60 terabajtów skanów obrazów naczelnych i innych niż naczelne, zintegrowana z informacjami dotyczącymi struktury i funkcji.
  • NeuroNames – definiuje mózg w kategoriach około 550 podstawowych struktur (około 850 unikalnych struktur), z którymi powiązane są wszystkie inne struktury, nazwy i synonimy. Około 15 000 terminów neuroanatomicznych jest indeksowanych krzyżowo, w tym wiele synonimów w siedmiu językach. Zakres obejmuje mózg i rdzeń kręgowy czterech gatunków najczęściej badanych przez neuronaukowców: człowieka, makaka (małpy), szczura i myszy. Kontrolowane, znormalizowane słownictwo dla każdej struktury znajduje się w jednoznacznej, ścisłej hierarchii fizycznej, a terminy te są wybierane na podstawie łatwości wymowy, wartości mnemonicznej i częstotliwości użycia w ostatnich publikacjach neuronaukowych. Uwzględniono relacje każdej konstrukcji z jej nadbudówkami i podkonstrukcjami. Kontrolowane słownictwo jest odpowiednie do unikalnego indeksowania informacji neuroanatomicznych w cyfrowych bazach danych.
  • Decade of the Brain 1990–1999 przez NIH i Bibliotekę Kongresu „w celu zwiększenia świadomości społecznej na temat korzyści płynących z badań nad mózgiem”. Komunikaty były skierowane do członków Kongresu, personelu i ogółu społeczeństwa w celu promowania finansowania.
  • Talairach Atlas patrz Jean Talairach
  • Harvard Cały Atlas Mózgu patrz Ludzki mózg
  • Szablon MNI patrz Obliczanie obrazu medycznego
  • Blue Brain Project i sztuczny mózg
  • Międzynarodowe Konsorcjum ds. Mapowania Mózgu, patrz Mapowanie Mózgu
  • Lista baz danych neuronauki
  • Zestaw narzędzi NIH Zestaw narzędzi National Institute of Health (USA) do oceny funkcji neurologicznych i behawioralnych
  • Organizacja Mapowania Ludzkiego Mózgu Organizacja Mapowania Ludzkiego Mózgu (OHBM) to międzynarodowe stowarzyszenie zajmujące się wykorzystaniem neuroobrazowania do odkrywania organizacji ludzkiego mózgu.

Systemy obrazowania i rejestracji

Ta sekcja dotyczy systemów obrazowania i nagrywania. Część ogólna obejmuje historię, neuroobrazowanie i techniki mapowania określonych połączeń neuronowych. Sekcja dotycząca konkretnych systemów obejmuje różne specyficzne technologie, w tym eksperymentalne i szeroko stosowane systemy obrazowania i nagrywania.

Ogólny

Konkretne systemy

  • Mapowanie stymulacji korowej
  • Dyfuzyjny MRI (dMRI) – obejmuje obrazowanie tensora dyfuzji (DTI) i funkcjonalny MRI dyfuzji (DfMRI) . dMRI to niedawny przełom w mapowaniu mózgu, umożliwiający wizualizację połączeń krzyżowych między różnymi anatomicznymi częściami mózgu. Umożliwia nieinwazyjne obrazowanie struktury włókien istoty białej i oprócz mapowania może być przydatne w klinicznych obserwacjach nieprawidłowości, w tym uszkodzeń spowodowanych udarem.
  • Elektroencefalografia (EEG) – wykorzystuje elektrody na skórze głowy i inne techniki do wykrywania przepływu prądu elektrycznego.
  • Elektrokortykografia – wewnątrzczaszkowe EEG, praktyka polegająca na stosowaniu elektrod umieszczonych bezpośrednio na odsłoniętej powierzchni mózgu w celu rejestracji aktywności elektrycznej kory mózgowej.
  • Techniki elektrofizjologiczne w diagnostyce klinicznej
  • Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI)
  • Obliczenia obrazu medycznego (badania mózgu potencjalnych medycznych i chirurgicznych zastosowań technologii mapowania)
  • Neurostymulacja (w badaniach stymulacja jest często stosowana w połączeniu z obrazowaniem)
  • Pozytonowa tomografia emisyjna (PET) – nuklearna technika obrazowania medycznego, która daje trójwymiarowy obraz lub obraz procesów funkcjonalnych w organizmie. System wykrywa pary promieni gamma emitowanych pośrednio przez emitujący pozytony radionuklid (znacznik), który jest wprowadzany do organizmu na aktywnej biologicznie cząsteczce. Trójwymiarowe obrazy stężenia znacznika w ciele są następnie konstruowane za pomocą analizy komputerowej. W nowoczesnych skanerach trójwymiarowe obrazowanie często uzyskuje się za pomocą tomografii komputerowej wykonywanej na pacjencie podczas tej samej sesji, na tym samym urządzeniu.

Komponenty obrazowania i nagrywania

Elektrochemiczny

  • Odpowiedź hemodynamiczna – szybkie dostarczanie krwi do aktywnych tkanek neuronalnych. Sygnał zależny od poziomu natlenienia krwi (BOLD) odpowiada stężeniu deoksyhemoglobiny. Efekt BOLD opiera się na fakcie, że gdy aktywność neuronów jest zwiększona w jednej części mózgu, zwiększa się również ilość mózgowego przepływu krwi do tego obszaru. Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego jest możliwe dzięki wykryciu sygnału BOLD.
  • Obrazowanie funkcjonalnego rezonansu magnetycznego związanego ze zdarzeniem można wykorzystać do wykrywania zmian w odpowiedzi hemodynamicznej zależnej od poziomu tlenu we krwi (BOLD) na aktywność neuronów w odpowiedzi na określone zdarzenia.

Elektryczny

  • Potencjał związany ze zdarzeniem – dodatnie i ujemne odpowiedzi od 10 μ do 100 μ woltów (μ to milionowe części), mierzone za pomocą nieinwazyjnych elektrod przymocowanych do skóry głowy, które są wiarygodnymi i powtarzalnymi wynikami określonego określonego zdarzenia sensorycznego, poznawczego lub motorycznego. Są one również nazywane stereotypową reakcją elektrofizjologiczną na bodziec. Nazywa się je somatosensorycznymi potencjałami wywołanymi kiedy są wywoływane przez bodźce zdarzeń sensorycznych (w porównaniu z poznawczymi lub motorycznymi). Sekwencje wahań napięcia są rejestrowane i dzielone na dodatnie i ujemne oraz według tego, jak długo po bodźcu są obserwowane. Na przykład [N100] to ujemna zmiana obserwowana między 80 a 120 milisekundami (100 to punkt środkowy) po wystąpieniu bodźca. Alternatywnie wahania napięcia są oznaczane na podstawie ich kolejności, przy czym N1 jest pierwszym obserwowanym ujemnym wahaniem, N2 drugim ujemnym wahaniem itd. Patrz: N100 ( neurologia) , N200 (neuronauka) , P300 (neuronauka) , N400 (neuronauka) , P600 (neuronauka) . Pierwsze ujemne i pozytywne wahania (patrz Wizualne N1 , C1 i P1 (neuronauka) ) w odpowiedzi na stymulację wzrokową są szczególnie interesujące w badaniu wrażliwości i selektywności uwagi.

Elektromagnetyczny

  • Magnetoencefalografia – technika mapowania aktywności mózgu poprzez rejestrację pól magnetycznych wytwarzanych przez prądy elektryczne występujące naturalnie w mózgu, przy użyciu bardzo czułych magnetometrów W badaniach MEG służy przede wszystkim do pomiaru przebiegów czasowych aktywności . MEG może rozpoznawać zdarzenia z dokładnością do 10 milisekund lub szybciej, podczas gdy funkcjonalny MRI (fMRI), który zależy od zmian w przepływie krwi, może w najlepszym przypadku rozpoznawać zdarzenia z dokładnością do kilkuset milisekund. MEG dokładnie wskazuje również źródła w pierwotnych obszarach słuchowych, somatosensorycznych i motorycznych. Do tworzenia funkcjonalnych map kory mózgowej człowieka podczas bardziej złożonych zadań poznawczych MEG jest najczęściej łączony z fMRI, gdyż metody te wzajemnie się uzupełniają. Dane neuronalne (MEG) i hemodynamiczne (fMRI) niekoniecznie są zgodne, pomimo ścisłego związku między lokalnymi potencjałami polowymi (LFP) a sygnałami zależnymi od poziomu utlenowania krwi (BOLD)

Radiologiczny

  • Radionuklid emitujący pozytony (znacznik). Zobacz pozytonową tomografię emisyjną
  • Altanserin – związek wiążący się z receptorem serotoninowym. Po wyznakowaniu izotopem fluoru-18 jest używany jako radioligand w badaniach mózgu metodą pozytonowej tomografii emisyjnej (PET).

Przetwarzanie wizualne i ulepszanie obrazu

  • Wizualizacja naukowa – interdyscyplinarna dziedzina nauki zajmująca się przede wszystkim wizualizacją zjawisk trójwymiarowych (w tym medycznych, biologicznych i innych), w której nacisk kładzie się na realistyczne odwzorowanie objętości, powierzchni, źródeł oświetlenia itp. składowa dynamiczna (czasowa). Jest uważana za gałąź informatyki, która jest podzbiorem grafiki komputerowej. Mapowanie mózgu jest głównym beneficjentem postępów w wizualizacji naukowej.
  • Wykrywanie plam – obszar w wizji komputerowej. Kropelka to obszar obrazu cyfrowego, w którym niektóre właściwości (takie jak jasność lub kolor w porównaniu z obszarami otaczającymi te obszary) są stałe lub zmieniają się w określonym zakresie wartości; wszystkie punkty w kropli można uznać za w pewnym sensie podobne do siebie

Technologia informacyjna

  • Określanie liczby klastrów w zbiorze danych – typowym zastosowaniem jest redukcja danych: ponieważ zwiększenie rozdzielczości czasowej eksperymentów fMRI rutynowo daje sekwencje fMRI zawierające kilkaset obrazów, czasami konieczne jest wywołanie ekstrakcji cech w celu zmniejszenia wymiarowości przestrzeń danych.
  • Anizotropia frakcyjna – miara często stosowana w obrazowaniu dyfuzyjnym, gdzie uważa się, że odzwierciedla gęstość włókien, średnicę aksonów i mielinizację istoty białej. FA jest rozszerzeniem koncepcji mimośrodowości przekrojów stożkowych w trzech wymiarach, znormalizowanych do zakresu jednostek. Anizotropia jest właściwością zależności kierunkowej, w przeciwieństwie do izotropii, która implikuje identyczne właściwości we wszystkich kierunkach.
  • Ogólny model liniowy – statystyczny model liniowy. Można to zapisać jako Y=XB + U, gdzie Y to macierz z serią pomiarów wielowymiarowych, X to macierz, która może być macierzą projektu, B to macierz zawierająca parametry, które zwykle mają być oszacowane, a U to macierz zawierających błędy lub szumy. Jest często używany w analizie wielu skanów mózgu w eksperymentach naukowych, w których Y zawiera dane ze skanerów mózgu, X zawiera eksperymentalne zmienne projektowe i pomyłki. Zobacz też: statystyczne mapowanie parametryczne
  • Ponowne próbkowanie (statystyki) patrz rozdział poświęcony testom permutacji. W fMRI stosuje się nieparametryczne testy permutacji.

Pakiety oprogramowania

  • Analysis of Functional NeuroImages – środowisko typu open source do przetwarzania i wyświetlania funkcjonalnych danych MRI
  • Cambridge Brain Analysis - repozytorium oprogramowania opracowane na Uniwersytecie Cambridge do analizy funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) na licencji GNU General Public License i działające pod Linuksem.
  • Statystyczne mapowanie parametryczne – technika statystyczna służąca do badania różnic w aktywności mózgu zarejestrowanych podczas funkcjonalnych eksperymentów neuroobrazowania z wykorzystaniem technologii neuroobrazowania, takich jak fMRI czy PET. Może również odnosić się do określonego oprogramowania stworzonego przez Wellcome Department of Imaging Neuroscience (część University College London) do przeprowadzania takich analiz.
  • ITK-SNAP to interaktywna aplikacja, która umożliwia użytkownikom poruszanie się po trójwymiarowych obrazach medycznych, ręczne wyznaczanie interesujących obszarów anatomicznych i dokonywanie automatycznej segmentacji obrazu. Jest najczęściej używany do pracy ze zbiorami danych rezonansu magnetycznego (MRI) i tomografii komputerowej (CT).
  • Serwer Budapest Reference Connectome generuje konsensusowe wykresy mózgu z wybieralnymi parametrami; wykresy można pobrać w GraphML z adnotacjami , a także można je natychmiast wyświetlić na stronie.

Naukowcy, naukowcy i badacze

  • Mark S. Cohen neurobiolog profesor na UCLA. Wczesny pionier funkcjonalnego obrazowania mózgu za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI).
  • Anders Dale i profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. Opracował FreeSurfer , które ułatwia wizualizację obszarów funkcjonalnych silnie pofałdowanej kory mózgowej.
  • Pierre Flor-Henry wykazał w badaniu psychozy padaczkowej, że schizofrenia odnosi się do lewej, a stany maniakalno-depresyjne do padaczki prawej półkuli
  • Angela D. Friederici dyrektor w Instytucie Nauk Poznawczych Człowieka i Mózgu im. Maxa Plancka w Lipsku, Niemcy, ze specjalizacją w neuropsychologii i językoznawstwie.
  • Karl J. Friston Brytyjski neurobiolog i autorytet w dziedzinie obrazowania mózgu. Wynalazca statystycznego mapowania parametrycznego
  • Isabel Gauthier, neurobiolog i kierownik Laboratorium Percepcji Obiektów na Uniwersytecie Vanderbilt
  • Matthew Howard, III profesor neurochirurgii na University of Iowa, znany z wkładu w dziedzinie mapowania ludzkiego mózgu za pomocą elektrofizjologii wewnątrzczaszkowej.
  • Dr Surbhi Jain, pierwsza kobieta neurochirurg ze stanu Radżastan. Praktykuje w Moffitt Cancer Center w Tampa na Florydzie i jest światowym rekordzistą pod względem największej liczby pacjentów leczonych chirurgią mózgu z mapowaniem mózgu.
  • Gitte Moos Knudsen Gitte Moos Knudsen neurobiolog i neurolog kliniczny, profesor Kopenhaskiego Szpitala Uniwersyteckiego.
  • Kenneth Kwong Naukowiec z Uniwersytetu Harvarda, znany ze swojej pracy nad fMRI
  • Robert Livingston (naukowiec) (9 października 1918 - 26 kwietnia 2002) neurobiolog w 1964 roku Livingston założył pierwszy tego typu na świecie wydział neuronauki na nowo wybudowanym Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Jego najbardziej znane badania dotyczyły komputerowego mapowania i obrazowania ludzkiego mózgu. Jego zainteresowanie mózgiem rozszerzyło się również na kwestie poznania, świadomości, emocji i duchowości.
  • Helen S. Mayberg – profesor neurologii i psychiatrii na Emory University. Specjalizacja obejmuje określanie nieprawidłowej funkcji mózgu u pacjentów z dużą depresją za pomocą funkcjonalnego neuroobrazowania.
  • Geraint Rees, szef Wydziału Nauk o Mózgu University College London
  • Sidarta Ribeiro, neurobiolog i dyrektor Instytutu Mózgu na Universidade Federal do Rio Grande do Norte
  • Perminder Sachdev Neuropsychiatra Profesor na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii i dyrektor Centrum Zdrowego Starzenia Mózgu
  • Pedro Antonio Valdes-Sosa Wicedyrektor kubańskiego Centrum Neuronauki, którego był współzałożycielem w 1990 r. Specjalizuje się w analizie statystycznej pomiarów elektrofizjologicznych, neuroobrazowaniu (fMRI, tomografia EEG i MEG), nieliniowym dynamicznym modelowaniu funkcji mózgu, w tym w oprogramowaniu i sprzęcie elektrofizjologicznym rozwój. Członek rad redakcyjnych NeuroImage , Medicc, Audioology and Neurotology, PLosOne i Brain Connectivity.
  • Robert Turner dyrektor Instytutu Nauk Kognitywnych i Mózgu im. Maxa Plancka w Lipsku, Niemcy, ze specjalizacją w fizyce mózgu i obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego (MRI). Przypisuje mu się stworzenie projektu cewek znajdujących się w każdym skanerze MRI.
  • Arno Villringer Dyrektor w Instytucie Nauk Poznawczych Człowieka i Mózgu im. Maxa Plancka w Lipsku, Niemcy

Czasopisma

Zobacz też

Zobacz także kategorie

Uwagi i odniesienia

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Outline_of_brain_mapping&oldid=1110154455 ”