Chụp ảnh thần kinh cấu trúc và chức năng

Chụp ảnh thần kinh là tập hợp các kỹ thuật hình ảnh hóa bộ não sống. Chụp ảnh cấu trúc cho thấy giải phẫu — hình dạng, kích thước và thành phần mô của các vùng não — trong khi chụp ảnh chức năng suy ra hoạt động, thường là từ những thay đổi về lưu lượng máu và oxy hóa máu đi kèm với quá trình xử lý thần kinh. Cùng với nhau, chúng cho phép nghiên cứu cấu trúc và chức năng não một cách không xâm lấn.

Definition

Chụp ảnh thần kinh cấu trúc hình dung giải phẫu và đặc tính mô của não, trong khi chụp ảnh thần kinh chức năng đo lường các yếu tố tương quan với hoạt động thần kinh như lưu lượng máu và oxy hóa, cho phép đánh giá cả cấu trúc và chức năng in vivo.

Scope

Chủ đề này bao gồm các phương thức cấu trúc chính (chụp cắt lớp vi tính và MRI cấu trúc, bao gồm chụp ảnh khuếch tán và hình thái học) và các phương thức chức năng (MRI chức năng dựa trên độ tương phản phụ thuộc mức oxy hóa máu, và phân tích kết nối chức năng và hiệu quả). Nó mô tả những gì mỗi phương pháp đo lường như một phương pháp tham chiếu, không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Chụp ảnh cấu trúc đo lường điều gì, và nó khác với chụp ảnh chức năng như thế nào?
• MRI chức năng suy ra hoạt động thần kinh từ tín hiệu oxy hóa máu như thế nào?
• Hình ảnh được chuyển thành các phép đo định lượng về cấu trúc và kết nối não như thế nào?

Key concepts

• Chụp cắt lớp vi tính và MRI cấu trúc
• Chụp ảnh khuếch tán
• Hình thái học dựa trên voxel và bề mặt
• Độ tương phản phụ thuộc mức oxy hóa máu (BOLD)
• Kết nối chức năng và hiệu quả
• Chụp ảnh trạng thái nghỉ và chế độ mặc định
• Phân đoạn và định lượng hình ảnh

Mechanisms

MRI cấu trúc phân biệt các mô bằng đặc tính cộng hưởng từ của chúng, và chụp ảnh khuếch tán khai thác sự di chuyển của nước để thăm dò vi cấu trúc và định hướng sợi (Le Bihan et al., 1986). MRI chức năng dựa trên phát hiện rằng máu khử oxy và máu oxy hóa khác nhau về độ nhạy từ, do đó những thay đổi trong oxy hóa máu cục bộ theo sau hoạt động thần kinh tạo ra tín hiệu phụ thuộc mức oxy hóa máu có thể đo được (Ogawa et al., 1990). Phân tích cách các tín hiệu này biến đổi đồng thời giữa các vùng mang lại các phép đo về kết nối chức năng và hiệu quả (Friston, 1994), bao gồm các mô hình được thấy khi nghỉ ngơi mà không có một nhiệm vụ rõ ràng (Gusnard & Raichle, 2001). Các quy trình tự động phân đoạn và gắn nhãn hình ảnh để chuyển chúng thành các phép đo giải phẫu định lượng (Fischl, 2012).

Clinical relevance

Các phương pháp chụp ảnh thần kinh là nền tảng cho cách cấu trúc và chức năng não được quan sát và đo lường trong nghiên cứu và thực hành, và việc hiểu rõ mỗi phương thức đo lường điều gì hỗ trợ việc diễn giải cẩn thận. Mục này là tài liệu tham khảo về phương pháp luận và không cung cấp tiêu chí chẩn đoán hoặc lời khuyên điều trị.

History

Chụp cắt lớp vi tính X-quang lần đầu tiên cho phép nhìn thấy giải phẫu não ở người sống, và chụp cộng hưởng từ sau đó cung cấp độ tương phản mô mềm vượt trội và chụp ảnh vi cấu trúc dựa trên khuếch tán (Le Bihan et al., 1986). Phát hiện độ tương phản phụ thuộc mức oxy hóa máu (Ogawa et al., 1990) đã khởi động MRI chức năng, sau đó phân tích kết nối (Friston, 1994) và nghiên cứu hoạt động trạng thái nghỉ (Gusnard & Raichle, 2001) đã mở rộng lĩnh vực này, được hỗ trợ bởi các công cụ phân tích hình ảnh tự động (Fischl, 2012).

Debates

Tín hiệu BOLD thực sự phản ánh điều gì?

MRI chức năng đo lường tín hiệu oxy hóa máu, một đại diện gián tiếp, mạch máu cho hoạt động thần kinh, do đó mối quan hệ chính xác giữa phản ứng BOLD và các sự kiện thần kinh cơ bản vẫn là một cảnh báo trong diễn giải.

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

Sự khác biệt giữa chụp ảnh thần kinh cấu trúc và chức năng là gì?

Chụp ảnh thần kinh cấu trúc hình dung giải phẫu và mô của não, trong khi chụp ảnh thần kinh chức năng đo lường các yếu tố tương quan với hoạt động, chẳng hạn như những thay đổi về oxy hóa máu đi kèm với quá trình xử lý thần kinh.

MRI chức năng có đo trực tiếp các tế bào thần kinh không?

Không. Nó đo lường tín hiệu phụ thuộc mức oxy hóa máu, một đại diện mạch máu gián tiếp theo sau hoạt động thần kinh chứ không ghi lại trực tiếp hoạt động của các tế bào thần kinh.