Klidový stav fMRI

Klidový stav fMRI (rsfMRI nebo R-fMRI) je mocná metoda funkčního zobrazování mozku, která může být použita k vyhodnocení regionálních interakcí, ke kterým dochází, když subjekt nevykonává explicitní úkol. Tato klidová mozková aktivita je pozorována prostřednictvím změn v krevním toku v mozku, které vytvářejí to, co je označováno jako signál závislý na hladině kyslíku v krvi (BOLD), který může být měřen pomocí funkčního magnetického rezonance (fMRI). Protože mozková aktivita je přítomna i při absenci externě vyvolaného úkolu, každá mozková oblast bude mít spontánní výkyvy v signálu BOLD. Přístup klidového stavu je užitečný k prozkoumání funkční organizace mozku a ke zkoumání, zda je změněna při neurologických nebo psychiatrických onemocněních. Výzkum funkční konektivity klidového stavu odhalil řadu sítí, které se soustavně nacházejí u zdravých subjektů a představují specifické vzorce synchronní aktivity.

Tyto snímky fMRI jsou ze studie, která ukazuje, jak se části mozku rozsvěcují při pohledu na domy a jiné části při pohledu na tváře. Hodnoty ‚r‘ jsou korelace, přičemž vyšší kladné nebo záporné hodnoty značí lepší shodu.

Funkční zobrazování pomocí magnetické rezonance (funkční MRI nebo fMRI) je specifický postup zobrazování pomocí magnetické rezonance (MRI), který měří mozkovou aktivitu detekcí souvisejících změn v krevním toku. Přesněji řečeno, mozková aktivita se měří pomocí nízkofrekvenčního signálu BOLD v mozku.

FMRI se používá jak ve výzkumu, tak v menší míře v klinickém prostředí. Lze ji také kombinovat a doplňovat s dalšími měřeními fyziologie mozku, jako jsou EEG a NIRS. Zkoumají se novější metody, které zlepšují prostorové i časové rozlišení, a ty ve velké míře využívají biomarkery jiné než signál BOLD. Některé společnosti vyvinuly komerční produkty, jako jsou detektory lži založené na technikách fMRI, ale výzkum není považován za dostatečně zralý pro širokou komercializaci.

Doporučujeme:  Racionální činitelé

Fyziologická odezva na průtok krve do značné míry rozhoduje o časové citlivosti, jak dobře můžeme měřit, kdy jsou neurony aktivní, v BOLD fMRI. Základním parametrem rozlišení času je vzorkovací frekvence neboli TR, která určuje, jak často je určitý mozkový řez vzrušen a je mu umožněno ztratit svou magnetizaci. TR se může lišit od velmi krátké (500 ms) až po velmi dlouhou (3 sekundy). Konkrétně u fMRI trvá hemodynamická odezva přes 10 sekund, násobně stoupá (tedy v poměru k aktuální hodnotě), vrcholí za 4 až 6 sekund a pak násobně klesá. Změny v systému průtoku krve, cévním systému, integrují odezvy na neuronální aktivitu v čase. Protože tato odezva je plynulá kontinuální funkce, vzorkování se stále rychlejšími TR nepomáhá; jen dává více bodů na křivce odezvy, které je stejně možné získat jednoduchou lineární interpolací. Experimentální paradigmata, jako je staggering, když je podnět prezentován na různých pokusech, mohou zlepšit časové rozlišení, ale snižují počet získaných efektivních datových bodů.

Funkční konektivita je konektivita mezi mozkovými oblastmi, které mají společné funkční vlastnosti. Přesněji řečeno, může být definována jako časová korelace mezi prostorově vzdálenými neurofyziologickými událostmi, vyjádřená jako odchylka od statistické nezávislosti napříč těmito událostmi v distribuovaných neuronálních skupinách a oblastech. To platí jak pro studie klidového stavu, tak pro studie úkolového stavu. Zatímco funkční konektivita může odkazovat na korelace mezi subjekty, běhy, bloky, pokusy nebo jednotlivými časovými body, funkční konektivita klidového stavu se zaměřuje na konektivitu posuzovanou napříč jednotlivými časovými body BOLD během klidových podmínek. Funkční konektivita MRI (fcMRI), která může zahrnovat klidový stav fMRI a úkolovou MRI, může jednou pomoci poskytnout definitivnější diagnózy duševních poruch, jako je bipolární porucha, a může také pomoci v pochopení vývoje a progrese posttraumatické stresové poruchy, stejně jako vyhodnotit účinek léčby.

Doporučujeme:  Mary Cover Jonesová

Propojení mozkových oblastí, které jsou na sebe fyzicky nebo anatomicky navázány, se označuje jako strukturální propojení. Regiony mozku nemusí být strukturálně propojeny, aby měly funkční propojení, a strukturální propojení nemusí nutně znamenat funkční propojení. Několik iniciativ, jako je Human Connectome Project, se snaží vybudovat konektom nebo mapu nervového propojení, která vrhne světlo na anatomické i funkční propojení v rámci zdravého lidského mozku.

Studie ukazující čtyři funkční sítě, které byly shledány vysoce konzistentními napříč subjekty. Tyto moduly zahrnují zrakovou (žlutou), smyslovou/motorickou (oranžovou) a bazální gangliovou (červenou) kůru, jakož i síť s výchozím režimem (zadní cingul, dolní parietální laloky a střední frontální gyrus; kaštanovou).

Ostatní odpočívající státní sítě

Mnoho programů existuje pro zpracování dat fMRI klidového stavu. Mezi nejčastěji používané programy pro zpracování a analýzu dat fMRI patří SPM, Afni a FSL (esp. pro ICA).

Existuje mnoho metod jak získávání a zpracování dat rsfMRI, přesto existují dvě metody analýzy, které se staly nejpopulárnějšími metodami pro analýzu funkční konektivity v mozku.

Nezávislá analýza komponent

Seed-based/Region of interest

Další metody pro charakterizaci sítí klidových stavů zahrnují parciální korelaci, koherenci a parciální koherenci, fázové vztahy, shlukování a teorii grafů.

Kombinace zobrazovacích technik

Tento snímek je ze studie využívající fMRI i EEG akvizici v klidovém stavu. Levý řádek ukazuje sagitální, koronální a horizontální řezy deseti RSN. Na pravé straně jsou zobrazeny kovariance a t-mapy pro 8 frekvenčních pásem.

Mnozí odborníci na zobrazování se domnívají, že k získání nejlepší kombinace prostorových a časových informací z mozkové aktivity by měla být současně používána fMRI i elektroencefalografie (EEG). Tato duální technika kombinuje dobře zdokumentovanou schopnost EEG charakterizovat určité stavy mozku s vysokým časovým rozlišením a odhalit patologické vzorce, s fMRI (nedávno objevenou a méně pochopenou) schopností zobrazovat dynamiku krve v celém mozku s vysokým prostorovým rozlišením. Doposud byla EEG-fMRI vnímána především jako fMRI technika, při níž se synchronně získané EEG používá k charakterizaci mozkové aktivity („stav mozku“) v čase, což umožňuje zmapovat (například prostřednictvím statistického parametrického mapování) související hemodynamické změny.

Doporučujeme:  Hierarchie

Klinická hodnota těchto nálezů je předmětem probíhajících výzkumů, ale nedávné výzkumy naznačují přijatelnou spolehlivost pro studie EEG-fMRI a lepší citlivost ve vyšším terénním skeneru. Mimo oblast epilepsie byla EEG-fMRI použita ke studiu mozkových reakcí souvisejících s událostmi (vyvolanými vnějšími podněty) a poskytla důležité nové poznatky o výchozí mozkové aktivitě během klidového bdění a spánku.

Transkraniální magnetická stimulace (TMS) využívá malá a relativně přesná magnetická pole ke stimulaci oblastí mozkové kůry bez nebezpečných invazivních zákroků. Když tato magnetická pole stimulují oblast mozkové kůry, zvyšuje se fokální průtok krve v místě stimulace i na vzdálených místech anatomicky spojených se stimulovaným místem. Pozitronová emisní tomografie (PET) pak může být použita k zobrazení mozku a změny v průtoku krve a výsledky ukazují velmi podobné oblasti konektivity potvrzující sítě nalezené ve studiích fMRI a TMS může být také použita k podpoře a poskytování podrobnějších informací o propojených oblastech.

Současné a budoucí aplikace

Výzkum využívající klidový stav fMRI již prokázal, že má mnoho užitečných klinických aplikací, včetně využití při hodnocení mnoha různých nemocí a duševních poruch.

Stav nemoci a změny klidového stavu Funkční konektivita

Mezi další typy současných a budoucích klinických aplikací pro klidový stav fMRI patří identifikace skupinových rozdílů v onemocnění mozku, získání diagnostických a prognostických informací, longitudinální studie a léčebné účinky, shlukování v heterogenních stavech onemocnění a předoperační mapování a cílená intervence.