Структурная и функциональная нейровизуализация

Нейровизуализация — это совокупность методов, позволяющих визуализировать живой мозг. Структурная визуализация показывает анатомию — форму, размер и тканевый состав областей мозга, — в то время как функциональная визуализация позволяет судить об активности, чаще всего по изменениям кровотока и оксигенации крови, сопровождающим нейронные процессы. Вместе они позволяют неинвазивно изучать структуру и функцию мозга.

Definition

Структурная нейровизуализация визуализирует анатомию и тканевые свойства мозга, в то время как функциональная нейровизуализация измеряет корреляты нейронной активности, такие как кровоток и оксигенация, что позволяет оценивать как структуру, так и функцию in vivo.

Scope

Данная тема охватывает основные структурные модальности (компьютерная томография и структурная МРТ, включая диффузионную визуализацию и морфометрию) и функциональные модальности (функциональная МРТ, основанная на контрасте, зависящем от уровня оксигенации крови, а также анализ функциональной и эффективной коннективности). В ней описывается, что измеряет каждый метод в качестве справочной методологии, а не в качестве клинического руководства.

Core questions

• Что измеряет структурная визуализация и чем она отличается от функциональной визуализации?
• Как функциональная МРТ выводит нейронную активность из сигналов оксигенации крови?
• Как изображения преобразуются в количественные показатели структуры и коннективности мозга?

Key concepts

• Компьютерная томография и структурная МРТ
• Диффузионно-взвешенная томография
• Воксельная и поверхностная морфометрия
• Контраст, зависящий от уровня оксигенации крови (BOLD)
• Функциональная и эффективная коннективность
• Визуализация в состоянии покоя и режим по умолчанию
• Сегментация и количественная оценка изображений

Mechanisms

Структурная МРТ различает ткани по их магнитно-резонансным свойствам, а диффузионная визуализация использует движение воды для исследования микроструктуры и ориентации волокон (Le Bihan et al., 1986). Функциональная МРТ основана на открытии, что дезоксигенированная и оксигенированная кровь различаются по магнитной восприимчивости, поэтому изменения локальной оксигенации крови, следующие за нейронной активностью, производят измеримый сигнал, зависящий от уровня оксигенации крови (Ogawa et al., 1990). Анализ того, как эти сигналы коварируют в разных областях, дает меры функциональной и эффективной коннективности (Friston, 1994), включая паттерны, наблюдаемые в состоянии покоя в отсутствие явной задачи (Gusnard & Raichle, 2001). Автоматизированные конвейеры сегментируют и маркируют изображения, чтобы преобразовать их в количественные анатомические измерения (Fischl, 2012).

Clinical relevance

Методы нейровизуализации лежат в основе наблюдения и измерения структуры и функции мозга в исследованиях и на практике, а понимание того, что измеряет каждая модальность, способствует тщательной интерпретации. Данная статья является методологическим справочным материалом и не содержит диагностических критериев или рекомендаций по лечению.

History

Рентгеновская компьютерная томография впервые позволила увидеть анатомию мозга у живых людей, а магнитно-резонансная томография затем предложила превосходный контраст мягких тканей и микроструктурную визуализацию на основе диффузии (Le Bihan et al., 1986). Открытие контраста, зависящего от уровня оксигенации крови (Ogawa et al., 1990), положило начало функциональной МРТ, после чего анализ коннективности (Friston, 1994) и изучение активности в состоянии покоя (Gusnard & Raichle, 2001) расширили область, поддерживаемые автоматизированными инструментами анализа изображений (Fischl, 2012).

Debates

Что на самом деле отражает сигнал BOLD?

Функциональная МРТ измеряет сигнал оксигенации крови, который является косвенным, сосудистым показателем нейронной активности, поэтому точная связь между ответом BOLD и лежащими в его основе нейронными событиями остается интерпретационным предостережением.

Key figures

• Seiji Ogawa
• Denis Le Bihan
• Karl Friston
• Marcus Raichle
• Bruce Fischl

Seminal works

• ogawa-1990
• le-bihan-1986
• friston-1994

Frequently asked questions

В чем разница между структурной и функциональной нейровизуализацией?

Структурная нейровизуализация отображает анатомию и ткани мозга, тогда как функциональная нейровизуализация измеряет корреляты активности, такие как изменения оксигенации крови, сопровождающие нейронные процессы.

Измеряет ли функциональная МРТ нейроны напрямую?

Нет. Она измеряет сигнал, зависящий от уровня оксигенации крови, — косвенный сосудистый показатель, который следует за нейронной активностью, а не регистрирует активность нейронов напрямую.