การสร้างภาพทางระบบประสาทเชิงโครงสร้างและการทำงาน

การสร้างภาพทางระบบประสาทเป็นชุดของเทคนิคที่ใช้ในการสร้างภาพสมองที่มีชีวิต การสร้างภาพเชิงโครงสร้างแสดงกายวิภาคศาสตร์ — รูปร่าง ขนาด และองค์ประกอบของเนื้อเยื่อในบริเวณสมอง — ในขณะที่การสร้างภาพเชิงหน้าที่อนุมานกิจกรรม ซึ่งส่วนใหญ่มักจะมาจากความเปลี่ยนแปลงของการไหลเวียนเลือดและการออกซิเจนในเลือดที่มาพร้อมกับการประมวลผลของระบบประสาท เทคนิคทั้งสองนี้ช่วยให้สามารถศึกษาโครงสร้างและการทำงานของสมองได้โดยไม่ต้องผ่าตัด

Definition

การสร้างภาพทางระบบประสาทเชิงโครงสร้างแสดงภาพกายวิภาคศาสตร์และคุณสมบัติของเนื้อเยื่อสมอง ในขณะที่การสร้างภาพทางระบบประสาทเชิงหน้าที่วัดความสัมพันธ์ของกิจกรรมทางระบบประสาท เช่น การไหลเวียนเลือดและการออกซิเจน ซึ่งช่วยให้สามารถประเมินทั้งโครงสร้างและการทำงานในสิ่งมีชีวิตได้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมวิธีการสร้างภาพเชิงโครงสร้างหลัก (การตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์และการสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงโครงสร้าง รวมถึงการสร้างภาพการแพร่กระจายและการวัดรูปร่าง) และวิธีการสร้างภาพเชิงหน้าที่ (การสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงหน้าที่โดยอาศัยความแตกต่างของระดับออกซิเจนในเลือด และการวิเคราะห์การเชื่อมโยงเชิงหน้าที่และเชิงประสิทธิผล) โดยจะอธิบายสิ่งที่แต่ละวิธีวัดในฐานะระเบียบวิธีอ้างอิง ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• การสร้างภาพเชิงโครงสร้างวัดอะไร และแตกต่างจากการสร้างภาพเชิงหน้าที่อย่างไร?
• การสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงหน้าที่อนุมานกิจกรรมทางระบบประสาทจากสัญญาณออกซิเจนในเลือดได้อย่างไร?
• ภาพถูกแปลงเป็นค่าการวัดเชิงปริมาณของโครงสร้างและการเชื่อมโยงของสมองได้อย่างไร?

Key concepts

• การตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์และการสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงโครงสร้าง
• การสร้างภาพถ่วงน้ำหนักการแพร่กระจาย
• การวัดรูปร่างโดยอาศัยวอกเซลและพื้นผิว
• ความแตกต่างของระดับออกซิเจนในเลือด (BOLD)
• การเชื่อมโยงเชิงหน้าที่และเชิงประสิทธิผล
• การสร้างภาพในภาวะพักและโหมดเริ่มต้น
• การแบ่งส่วนและการหาปริมาณภาพ

Mechanisms

การสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงโครงสร้างแยกแยะเนื้อเยื่อตามคุณสมบัติการสะท้อนคลื่นแม่เหล็ก และการสร้างภาพการแพร่กระจายใช้ประโยชน์จากการเคลื่อนที่ของน้ำเพื่อสำรวจโครงสร้างจุลภาคและการวางแนวของเส้นใย (Le Bihan et al., 1986) การสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงหน้าที่อาศัยการค้นพบว่าเลือดที่มีออกซิเจนต่ำและเลือดที่มีออกซิเจนสูงมีความแตกต่างกันในความไวต่อแม่เหล็ก ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของระดับออกซิเจนในเลือดเฉพาะที่ที่เกิดขึ้นตามกิจกรรมทางระบบประสาทจึงสร้างสัญญาณที่ขึ้นกับระดับออกซิเจนในเลือดที่สามารถวัดได้ (Ogawa et al., 1990) การวิเคราะห์ว่าสัญญาณเหล่านี้มีความสัมพันธ์กันอย่างไรในแต่ละภูมิภาคจะให้ค่าการเชื่อมโยงเชิงหน้าที่และเชิงประสิทธิผล (Friston, 1994) รวมถึงรูปแบบที่พบในขณะพักโดยไม่มีภารกิจที่ชัดเจน (Gusnard & Raichle, 2001) กระบวนการอัตโนมัติจะแบ่งส่วนและติดป้ายภาพเพื่อแปลงเป็นค่าการวัดทางกายวิภาคเชิงปริมาณ (Fischl, 2012)

Clinical relevance

วิธีการสร้างภาพทางระบบประสาทเป็นพื้นฐานในการสังเกตและวัดโครงสร้างและการทำงานของสมองในการวิจัยและการปฏิบัติ และการทำความเข้าใจว่าแต่ละวิธีวัดอะไรช่วยสนับสนุนการตีความที่รอบคอบ บทความนี้เป็นเอกสารอ้างอิงทางระเบียบวิธีและไม่ได้ให้เกณฑ์การวินิจฉัยหรือคำแนะนำในการรักษา

History

การตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์เป็นครั้งแรกที่ทำให้สามารถมองเห็นกายวิภาคของสมองในคนที่มีชีวิตได้ และการสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้นำเสนอความคมชัดของเนื้อเยื่ออ่อนที่เหนือกว่าและการสร้างภาพจุลภาคโดยอาศัยการแพร่กระจาย (Le Bihan et al., 1986) การค้นพบความแตกต่างของระดับออกซิเจนในเลือด (Ogawa et al., 1990) ได้เปิดตัวการสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงหน้าที่ หลังจากนั้นการวิเคราะห์การเชื่อมโยง (Friston, 1994) และการศึกษาการทำงานในภาวะพัก (Gusnard & Raichle, 2001) ได้ขยายขอบเขตของสาขาวิชานี้ โดยได้รับการสนับสนุนจากเครื่องมือวิเคราะห์ภาพอัตโนมัติ (Fischl, 2012)

Debates

สัญญาณ BOLD สะท้อนอะไรกันแน่?

การสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงหน้าที่วัดสัญญาณออกซิเจนในเลือด ซึ่งเป็นตัวแทนทางอ้อมที่เกี่ยวข้องกับหลอดเลือดสำหรับกิจกรรมทางระบบประสาท ดังนั้นความสัมพันธ์ที่แม่นยำระหว่างการตอบสนองของ BOLD และเหตุการณ์ทางระบบประสาทที่อยู่เบื้องหลังยังคงเป็นข้อควรระวังในการตีความ

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

ความแตกต่างระหว่างการสร้างภาพทางระบบประสาทเชิงโครงสร้างและการทำงานคืออะไร?

การสร้างภาพทางระบบประสาทเชิงโครงสร้างแสดงภาพกายวิภาคศาสตร์และเนื้อเยื่อของสมอง ในขณะที่การสร้างภาพทางระบบประสาทเชิงหน้าที่วัดความสัมพันธ์ของกิจกรรม เช่น การเปลี่ยนแปลงของออกซิเจนในเลือดที่มาพร้อมกับการประมวลผลของระบบประสาท

การสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงหน้าที่วัดเซลล์ประสาทโดยตรงหรือไม่?

ไม่ มันวัดสัญญาณที่ขึ้นกับระดับออกซิเจนในเลือด ซึ่งเป็นตัวแทนทางอ้อมที่เกี่ยวข้องกับหลอดเลือดที่เกิดขึ้นตามกิจกรรมทางระบบประสาท แทนที่จะบันทึกกิจกรรมของเซลล์ประสาทโดยตรง