Neurozobrazování zahrnuje použití různých technik k přímému nebo nepřímému zobrazení struktury, funkce/farmakologie mozku. Je to relativně nová disciplína v rámci medicíny a neurovědy/psychologie.
Počítačová tomografie (CT) nebo počítačová axiální tomografie (CAT) skenování využívá sérii rentgenových paprsků hlavy pořízených z mnoha různých směrů. CT skenování, které se obvykle používá pro rychlé zobrazení poranění mozku, využívá počítačový program, který provádí numerický integrální výpočet (inverzní Radonova transformace) na měřené sérii rentgenových paprsků, aby odhadl, kolik rentgenového paprsku je absorbováno v malém objemu mozku. Informace se obvykle prezentují jako průřezy mozkem . Při přibližování platí, že čím je materiál hustší, tím bělejší se jeho objem objeví na skenu (stejně jako u známějších „plochých“ rentgenových paprsků). Rhodes Adair (z Harvard Medical School) pracuje na nové, efektivnější verzi tradičního CT skenu. CT skeny se primárně používají pro vyhodnocení otoků způsobených poškozením tkáně v mozku a při hodnocení velikosti komory. Moderní CT skenování může poskytnout přiměřeně dobré snímky během několika minut.
Střevní MRI řez na středové čáře.
Magnetická rezonance (MRI) využívá magnetických polí a rádiových vln k vytvoření vysoce kvalitního dvoj- nebo trojrozměrného obrazu mozkových struktur bez použití ionizujícího záření (rentgenových paprsků) nebo radioaktivních stopovacích látek. Během magnetické rezonance vytváří velký válcovitý magnet magnetické pole kolem hlavy pacienta, přes které jsou rádiové vlny vysílány. Když je magnetické pole zavedeno, má každý bod v prostoru jedinečnou rádiovou frekvenci, na které je signál přijímán a přenášen (Preuss). Senzory čtou frekvence a počítač využívá informace ke konstrukci obrazu. Detekční mechanismy jsou tak přesné, že lze detekovat změny struktur v průběhu času. Pomocí MRI mohou vědci vytvořit snímky povrchových i podpovrchových struktur s vysokým stupněm anatomických detailů. MRI snímky mohou vytvářet průřezové snímky v jakémkoli směru shora dolů, ze strany na stranu nebo zepředu dozadu. Problém původní technologie magnetické rezonance spočíval v tom, že sice poskytuje podrobné posouzení fyzického vzhledu, obsahu vody a mnoha druhů jemných poruch struktury mozku (jako je zánět nebo krvácení), ale neposkytuje informace o metabolismu mozku (tj. o tom, jak aktivně funguje) v době zobrazování. Rozlišuje se proto mezi „zobrazováním pomocí magnetické rezonance“ a „funkčním zobrazováním pomocí magnetické rezonance“ (fMRI), kdy magnetická rezonance poskytuje pouze strukturální informace o mozku, zatímco fMRI poskytuje strukturální i funkční údaje.
Axiální MRI řez na úrovni bazálních ganglií, ukazuje fMRI BOLD změny signálu překryté v červené (zvýšení) a modré (snížení) tóny.
Funkční magnetická rezonance (fMRI) se spoléhá na paramagnetické vlastnosti okysličeného a neokysličeného hemoglobinu, aby viděl obrazy měnícího se toku krve v mozku spojeného s nervovou aktivitou. To umožňuje generovat obrazy, které odrážejí, které mozkové struktury jsou aktivovány (a jak) během provádění různých úkolů. Většina fMRI skenerů umožňuje subjektům prezentovat různé vizuální obrazy, zvuky a dotykové podněty a provádět různé akce, jako je stisknutí tlačítka nebo pohyb joystickem. V důsledku toho může být fMRI použito k odhalení mozkových struktur a procesů spojených s vnímáním, myšlením a činností. Rozlišení fMRI je v současnosti asi 2-3 milimetry, omezené prostorovým rozšířením hemodynamické reakce na nervovou aktivitu. Do značné míry nahradilo PET pro studium mozkových aktivačních vzorců. PET si však zachovává významnou výhodu schopnosti identifikovat specifické mozkové receptory (nebo transportéry) spojené s konkrétními neurotransmitery díky své schopnosti zobrazovat radioaktivně značené receptorové „ligandy“ (receptorové ligandy jsou jakékoli chemické látky, které se lepí na receptory).
Stejně jako výzkum na zdravých subjektech se fMRI stále více používá pro lékařskou diagnózu onemocnění. Protože je fMRI mimořádně citlivá na průtok krve, je mimořádně citlivá na časné změny v mozku způsobené ischemií (abnormálně nízký průtok krve), jako jsou změny, které následují po mrtvici. Včasná diagnóza určitých typů mrtvice je v neurologii stále důležitější, protože látky, které rozpouštějí krevní sraženiny, mohou být použity v prvních několika hodinách po výskytu určitých typů mrtvice, ale jejich následné použití je nebezpečné. Změny mozku pozorované na fMRI mohou pomoci při rozhodování o léčbě těmito látkami.
PET sken normálního 20 let starého mozku.
Pozitronová emisní tomografie (PET) měří emise radioaktivně značených metabolicky aktivních chemikálií, které byly vstříknuty do krevního oběhu. Údaje o emisích jsou počítačově zpracovány tak, aby vznikly 2- nebo 3-rozměrné obrazy distribuce chemikálií v celém mozku (Nilsson 57). Použité pozitrony emitující radioizotopy jsou produkovány cyklotronem a chemikálie jsou těmito radioaktivními atomy označeny. Označená sloučenina, nazývaná radiotracer, je vstříknuta do krevního oběhu a nakonec se dostane do mozku. Senzory v PET skeneru detekují radioaktivitu, jak se sloučenina hromadí v různých oblastech mozku. Počítač používá údaje shromážděné senzory k vytvoření vícebarevných 2- nebo 3-rozměrných obrazů, které ukazují, kde sloučenina v mozku působí. Zvláště užitečné jsou široké spektrum ligandů, které se používají k mapování různých aspektů aktivity neurotransmiterů, přičemž zdaleka nejčastěji používaným PET tracerem je označená forma glukózy (viz FDG).
Největším přínosem PET skenování je to, že různé sloučeniny mohou ukázat průtok krve a metabolismus kyslíku a glukózy ve tkáních pracujícího mozku. Tato měření odrážejí množství mozkové aktivity v různých oblastech mozku a umožňují nám dozvědět se více o tom, jak mozek pracuje. PET skeny byly lepší než všechny ostatní metody metabolického zobrazování, pokud jde o rozlišení a rychlost dokončení (pouhých 30 sekund), když byly poprvé k dispozici. Vylepšené rozlišení umožnilo lepší studium, pokud jde o oblast mozku aktivovanou konkrétním úkolem. Největší nevýhodou PET skenování je to, že protože se radioaktivita rychle snižuje, je omezeno na sledování krátkých úkolů (Nilsson 60). Před tím, než se technologie fMRI objevila online, bylo PET skenování preferovanou metodou funkčního (na rozdíl od strukturálního) zobrazování mozku a stále představuje velký přínos pro neurovědu.
PET skenování se také používá pro diagnostiku onemocnění mozku, především proto, že nádory mozku, cévní mozkové příhody a neurony poškozující nemoci, které způsobují demenci (jako je Alzheimerova choroba), způsobují velké změny v metabolismu mozku, což zase způsobuje snadno zjistitelné změny v PET skenech. PET je pravděpodobně nejužitečnější v počátečních případech určitých demencí (klasickými příklady jsou Azheimerova choroba a Pickova choroba), kde je časné poškození příliš difúzní a způsobuje příliš malý rozdíl v objemu mozku a hrubé struktuře, aby mohlo změnit CT a standardní MRI snímky natolik, aby bylo možné je spolehlivě odlišit od „normálního“ rozsahu kortikální atrofie, která se vyskytuje se stárnutím (u mnoha, ale ne u všech) osob, a která nezpůsobuje klinickou demenci.
Podobně jako PET lze SPECT použít také k rozlišení různých druhů chorobných procesů, které způsobují demenci, a k tomuto účelu se stále více používá. Neuro-PET má nevýhodu v tom, že vyžaduje použití stopovacích látek s poločasem rozpadu maximálně 110 minut, jako je FDG. Ty musí být vyrobeny v cyklotronu a jsou drahé nebo dokonce nedostupné, pokud se nezbytné přepravní doby prodlouží o více než několik poločasů rozpadu. SPECT je však schopen využít stopovací látky s mnohem delším poločasem rozpadu, jako je technecium-99m, a v důsledku toho je mnohem dostupnější.
Difuzní optická tomografie (DOI) nebo difuzní optická tomografie (DOT) je lékařská zobrazovací metoda, která využívá blízké infračervené světlo k vytváření snímků těla. Tato technika měří optickou absorpci hemoglobinu a spoléhá na absorpční spektrum hemoglobinu měnící se s jeho okysličovacím stavem.
EROS (Event Related Optical Signal) je technika skenování mozku, která využívá infračervené světlo prostřednictvím optických vláken k měření změn optických vlastností aktivních oblastí mozkové kůry. Zatímco techniky jako difuzní optické zobrazování (DOT) a blízká infračervená spektroskopie (NIRS) měří optickou absorpci hemoglobinu, a jsou tedy založeny na průtoku krve, EROS využívá rozptylových vlastností samotných neuronů, a poskytuje tak mnohem přímější měření buněčné aktivity. EROS dokáže určit aktivitu v mozku v rozmezí milimetrů (prostorově) a milisekund (časově). Jeho největší nevýhodou je neschopnost detekovat aktivitu hlubší než několik centimetrů. EROS je nová, relativně levná technika, která je neinvazivní pro testovaný subjekt. Byla vyvinuta na University of Illinois v Urbana-Champaign, kde se nyní používá v Kognitivní neurozobrazovací laboratoři Dr. Gabriele Grattonové a Dr. Monicy Fabianiové.
V roce 1918 zavedl americký neurochirurg Walter Dandy techniku ventrikulografie. Rentgenové snímky komorového systému v mozku byly získány injekcí filtrovaného vzduchu přímo do jedné nebo obou postranních komor mozku. Dandy také pozoroval, že vzduch zavedený do subarachnoidálního prostoru lumbální spinální punkcí může vstoupit do mozkových komor a také demonstrovat kompartmenty mozkomíšního moku kolem báze mozku a nad jeho povrchem. Tato technika se nazývala pneumoencefalografie.
V roce 1927 Egas Moniz, profesor neurologie v Lisabonu, zavedl mozkovou angiografii, díky níž bylo možné s velkou přesností vizualizovat normální i abnormální cévy v mozku a jeho okolí.
Na počátku 70. let představili Allan McLeod Cormack a Godfrey Newbold Hounsfield počítačovou axiální tomografii (CAT nebo CT skenování) a pro diagnostické a výzkumné účely byly k dispozici stále detailnější anatomické snímky mozku. Cormack a Hounsfield za svou práci získali v roce 1979 Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu. Brzy po zavedení CAT na počátku 80. let umožnil vývoj radioligandů výpočetní tomografii s jednou fotonovou emisí (SPECT) a pozitronovou emisní tomografii (PET) mozku.
Více či méně souběžně bylo vyvinuto magnetickou rezonancí (MRI nebo MR skenování) výzkumníky včetně Petera Mansfielda a Paula Lauterbura, kteří v roce 2003 obdrželi Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu. Počátkem 80. let bylo klinicky zavedeno MRI a během 80. let došlo k opravdové explozi technických vylepšení a diagnostických aplikací MR. Vědci brzy zjistili, že velké změny krevního průtoku měřené pomocí PET lze také zobrazit pomocí správného typu MRI. Zrodilo se funkční magnetické rezonance (fMRI) a
od 90. let 20. století začala fMRI dominovat v oblasti mapování mozku díky své nízké invazivnosti, nedostatečné radiační expozici a relativně široké dostupnosti. Jak je uvedeno výše, fMRI začíná dominovat také v oblasti léčby mrtvice.
Počátkem 21. století dospěl obor neurozobrazování do stádia, kdy se staly realizovatelnými omezené praktické aplikace funkčního zobrazování mozku. Hlavní oblastí využití jsou hrubé formy rozhraní mozek-počítač.