Нейровізуалізація або візуалізація мозку — використання різних методів для прямого або непрямого зображення структури, функції або фармакології нервової системи. Це відносно нова дисципліна в медицині, нейронауці та психології. Лікарі, що спеціалізуються на виконанні та інтерпретації нейровізуалізації в клінічних умовах, називаються нейрорадіологами.
Нейровізуалізація ділиться на дві широкі категорії:
- Структурна візуалізація, яка займається структурою нервової системи і діагностикою грубих (великомасштабних) внутрішньочерепних захворювань (таких як пухлина) і травм.
- Функціональна візуалізація, яка використовується для того щоб діагностувати метаболічні захворювання та пошкодження на більш точному масштабі (такі як хвороба Альцгеймера) і також для неврологічного та дослідження когнітивної психології та для створення нейро-комп'ютерних інтерфейсів.
Функціональна візуалізація дозволяє, наприклад, миттєво візуалізувати як обробляється інформація центрами в мозку. Такі процеси призводять до того, що залучена область мозку збільшує метаболізм і «загоряється» при скануванні. Одним з найбільш спірних застосувань нейровізуалізації було дослідження «ідентифікації думок» або читання думок.
Історія
Перший розділ історії нейровізуалізації відсилає до італійського нейрофізіолога Анджело Моссо, який винайшов «баланс кровообігу людини», що дозволяло неінвазивно вимірювати перерозподіл крові під час емоційної та інтелектуальної діяльності.
У 1918 році американський нейрохірург Волтер Денді ввів методику вентрикулографії. Рентгенівські знімки шлуночкової системи головного мозку були отримані шляхом введення фільтрованого повітря безпосередньо в один або обидва бічних шлуночка головного мозку. Денді також досліджував, що повітря, введене в субарахноїдальний простір через люмбальну пункцію, може проникати в шлуночки головного мозку, а також ілюструє відсіки спинномозкової рідини навколо основи мозку і над його поверхнею. Ця методика отримала назву пневмоенцефалографії.
У 1927 році Еґаш Моніш ввів церебральну ангіографію, за допомогою якої можна було з великою точністю візуалізувати як нормальні, так і аномальні кровоносні судини в головному мозку і навколо нього.
На початку 1970-х років Аллан Маклеод Кормак і Годфрі Ньюболд Гаунсфілд ввели комп'ютерну осьову томографію (КТ), і все більш докладні анатомічні зображення мозку стали доступні для діагностичних і дослідницьких цілей. Кормак і Хаунсфілд отримали за свою роботу Нобелівську премію з фізіології або медицини в 1979 році. Незабаром після введення КТ на початку 1980-х років розвиток радіолігандів дозволило проводити однофотонну емісійну комп'ютерну томографію (ОФЕКТ або ОЕКТ) і позитрон-емісійну томографію (ПЕТ) головного мозку.
Приблизно водночас була розроблена магнітно-резонансна томографія (МРТ або МР-сканування) такими дослідниками, як Пітер Менсфілд і Пол Лотербур, які були відзначені Нобелівською премією з фізіології або медицини в 2003 році. На початку 1980-х років МРТ була впроваджена клінічно, а в 1980-х роках відбувся справжній вибух технічних удосконалень і діагностичних застосувань МРТ. Науковці незабаром виявили, що великі зміни кровотоку, виміряні ПЕТ, також можуть бути відтворені за допомогою правильного типу МРТ. Так з'явилась функціональна магнітно-резонансна томографія (фМРТ), і з 1990-х років фМРТ стала домінувати в області картування мозку через її низьку інвазивність, відсутність радіаційного опромінення та відносно широкої доступності.
На початку 2000-х років область нейровізуалізації досягла стадії, коли обмежене практичне застосування функціональної візуалізації мозку стало можливим. Основна область застосування це грубі форми Нейро-комп'ютерних інтерфейсів.
Показання
Нейровізуалізацію слід проводити післяневрологічного обстеження, в якому лікар знайшов причину для більш глибокого дослідження пацієнта, який має або може мати неврологічні розлади.
Одна з найбільш поширених неврологічних проблем, з якою може зіткнутися людина — це проста непритомність. У випадках простої непритомності діагноз включає неврологічне обстеження, якщо в історії хвороби пацієнта не згадано про інші неврологічні симптоми, але звичайне неврологічне сканування не показано для пацієнта, оскільки ймовірність виявлення причини непритомності в центральній нервовій системі надзвичайно низька, і пацієнт малоймовірно отримає користь від цієї процедури.
Нейровізуалізація не показана для пацієнтів з постійними головними болями, які діагностуються як мігрень. Дослідження показують що наявність мігрені не збільшує ризик внутрішньочерепних захворювань для пацієнта. Діагноз мігрені, який зазначає відсутність інших проблем, таких як папіллоедема, не свідчить про необхідність нейровізуализації. Під час проведення ретельної діагностики, лікар повинен виявити, чи є головний біль причиною, відмінною від мігрені, що може викликати необхідність у нейровізуализації.
Іншим показником для нейровізуалізації є стереотаксична хірургія з КТ, МРТ і ПЕТ або радіохірургія для лікування внутрішньочерепних пухлин, артеріовенозних мальформацій та інших хірургічно виліковних станів.
Методи візуалізації мозку
Комп'ютерна томографія
Комп'ютерна осьова томографія або комп'ютерна томографія (КТ-сканування) використовує серію рентгенівських знімків голови, отриманих в різних напрямках. Зазвичай використовується для швидкого перегляду черепно-мозкових травм. КТ-сканування використовує комп'ютерну програму, яка виконує чисельний інтегральний розрахунок (зворотне перетворення Радона) ґрунтуючись на виміряних рентгенівських знімках, щоб оцінити, скільки рентгенівських променів поглинається в невеликому обсязі мозку.
Дифузійна оптична візуалізація
Дифузійна оптична візуалізація (ДОВ) або дифузна оптична томографія (ДОТ) — це медичний метод візуалізації, який використовує інфрачервоне світло для створення зображення тіла. Метод вимірює оптичну абсорбцію гемоглобіну та покладається на спектр поглинання гемоглобіну, який змінюється з його статусом оксигенації. Дифузна оптична томографія високої щільності (HD-DOT) порівнювалася безпосередньо з фМРТ (Функціональна магнітно-резонансна томографія) з використанням реакції на візуальну стимуляцію у суб'єктів, що вивчаються за допомогою обох методів, зі схожими результатами. HD-DOT також порівнюється з фМРВ з точки зору мовних завдань і функціональної зв'язності стану спокою.
Динамічна візуалізація мозку — це метод сканування мозку, який використовує інфрачервоне світло через оптичні волокна для вимірювання змін оптичних властивостей активних областей кори головного мозку. У той час як методи, такі як дифузійна оптична томографія (ДОТ) і спектроскопія в ближній інфрачервоній області вимірюють оптичне поглинання гемоглобіну, і таким чином ґрунтуються на потоці крові, тоді коли EROS використовує переваги розсіювальних властивостей самих нейронів і, що таким чином, забезпечує набагато більш прямий показник клітинної активності. EROS може точно визначати активність мозку в міліметрах (просторово) і в мілісекундах (тимчасово). Найбільший недолік цього методу сканування — неможливість виявити активність глибиною більше декількох сантиметрів. EROS — це новий, відносно недорогий та неінвазивний для пацієнта та метод. Він був розроблений в Університеті штату Іллінойс в Урбана-Шампейн, де він зараз використовується в лабораторії когнітивного нейрозображення доктора Габріеле Граттона та доктора Моніки Фабіані.
Магнітно-резонансна томографія
Магнітно-резонансна томографія (МРТ) використовує магнітні поля і радіохвилі для отримання високоякісних дво- або тривимірних зображень структур мозку без використання іонізуючого випромінювання (рентгенівських променів) або радіоактивних трассерів.
Функціональна магнітно-резонансна томографія
Функціональна магнітно-резонансна томографія (фМРТ) та мітка артеріального спину (ASL сканування) покладається на парамагнітні властивості оксигенированного і дезоксигенированного гемоглобіну, що дозволяє побудувати зображення, на якому буде видно зміни кровотоку в мозку, пов'язаного з нейронною активністю. Це дозволяє створювати зображення, які показують, які структури мозку активуються під час виконання різних завдань або в стані спокою. Згідно з гіпотезою оксигенації, зміни у використанні кисню в регіональному мозковому кровонаповненні під час когнітивної або поведінкової активності можуть бути безпосередньо пов'язані з регіональними нейронами під час виконання когнітивних або поведінкових завдань.
Більшість сканерів фМРТ дозволяють суб'єктам отримувати різні візуальні зображення, звуки і сенсорні стимули, а також виконувати різні дії, такі як натискання кнопки або переміщення джойстика. Отже, фМРТ може бути використаний для виявлення структур мозку та процесів, пов'язаних зі сприйняттям, мисленням і діями. Роздільна здатність фМРТ становить приблизно 2-3 міліметри в даний час, яка обмежена просторовим поширенням гемодинамічної реакції на нейронну активність. Вона значною мірою витіснила ПЕТ для вивчення моделей активації мозку. ПЕТ, однак, зберігає істотну перевагу в змозі ідентифікувати специфічні рецептори мозку (або транспортерів), які пов'язані з певними нейромедіаторами. Завдяки своїй здатності до зображення радіоактивно мічених рецепторів «лігандів» (рецепторні ліганди — будь-які хімікати, які прилипають до рецепторів).
Як і дослідження здорових суб'єктів, фМРТ все частіше використовується для медичної діагностики захворювань. Оскільки фМРТ є особливо чутлива до споживання кисню в крові, то він надзвичайно чутливий до ранніх змін у мозку внаслідок ішемії (аномально низького кровотоку), змін, які призводять до інсульту. Рання діагностика деяких типів інсульту стає все більш важливою у неврології, оскільки речовини, які розчиняють тромби, можуть використовуватися в перші години після появи деяких видів інсульту, але вони небезпечні для використання після цього. Зміни мозку, які спостерігаються при МРТ, можуть допомогти прийняти рішення про лікування цими препаратами. З точністю від 72 % до 90 %, коли ймовірність досягає 0,8 %, методи МРТ можуть вирішити, яке з набору відомих зображень переглядає суб'єкт.
Магнітоенцефалографія
Магнітоенцефалографія (МЕГ) — це метод візуалізації, який використовується для вимірювання магнітних полів, створюваних електричною активністю в мозку, через надзвичайно чутливі пристрої, такі як надпровідні квантові інтерференційні пристрої або магнітометри без спінового обміну. МЕГ пропонує дуже пряме вимірювання нервової електричної активності (в порівнянні, наприклад, з МРТ) з дуже високою часовою щільністю, але відносно низьким просторовою щільністю. Перевага у вимірюванні магнітних полів, створюваних нервовою активністю, полягає в тому, що вони, ймовірно, будуть менш спотворені навколишніми тканинами (особливо черепом і шкірою голови) в порівнянні з електричними полями, вимірюваними електроенцефалографією (ЕЕГ). Зокрема, можна показати, що магнітні поля, створені електричною активністю, не схильні до впливу навколишніми тканинами голови, коли голова моделюється як набір сконцентрованих сферичних оболонок, кожна з яких є ізотропним однорідним провідником. Реальні голови не мають сферичну форму і мають в основному анізотропну провідність (особливо через білу речовину і череп). У той час як анізотропія черепа має незначний вплив на МЕГ (на відміну від ЕЕГ), анізотропія білої речовини сильно впливає на вимірювання Мег для радіальних і глибоких джерел. Відзначимо, однак, що в цьому дослідженні передбачалося, що череп є однорідно анізотропним, що невірно для реальної голови: абсолютна і відносна товщина шару кори і губчастої кістки відрізняються на поверхні та всередині черепа. Це уможливлює, що на Мег також впливає анізотропія черепа, хоча, ймовірно, не в тій же мірі, що і на ЕЕГ.
Існує безліч способів застосування МЕГ, в тому числі допомога хірургам в локалізації патології, допомога дослідникам у визначенні функцій різних частин мозку, нейробіоуправління та інші.
Позитрон-емісійна томографія
Позитрон-емісійна томографія (ПЕТ) та позитрон-емісійна томографія томографія головного мозку вимірюють викиди радіоактивно мічених метаболічно активних хімічних речовин, які були введені в кровотік. Дані про викиди обробляються на комп'ютері для отримання 2- або 3-мірних зображень розподілу хімічних речовин по всьому мозку.Радіонукліди, що використовуються при скануванні виробляються циклотроном, та випускають позитрони, а хімічні речовини маркуються цими радіоактивними атомами. Ця позначена структура (хімічне з'єднання), яка називається радіотрасером, вводиться в кровотік і зрештою потрапляє в мозок. Датчики в ПЕТ-сканері виявляють радіоактивність як міру накопичення з'єднань в різних областях мозку. Комп'ютер використовує дані, зібрані датчиками, для створення різнокольорових 2- або 3-мірних зображень, які показують, де з'єднання діє в мозку. Особливо корисний широкий спектр лігандів, які використовуються для картування різних аспектів нейромедіаторної активності, причому із найбільш використовуваних індикаторів ПЕТ є мічена форма глюкози.
Найбільшою перевагою ПЕТ-сканування є те, що різні сполуки можуть демонструвати кровотік та метаболізм кисню та глюкози в тканинах мозку в стані активності. Ці вимірювання відображають обсяг мозкової активності в різних областях мозку та дозволяють дізнатися більше про те, як працює мозок. Сканування ПЕТ перевершило всі інші методи метаболічної візуалізації з точки зору щільності візуалізації та швидкості завершення сканування (всього за 30 секунд), коли вони вперше стали доступні. Поліпшена щільність дозволила краще вивчати область мозку, яка активується конкретним виконуваними завданням. Найбільший недолік ПЕТ-сканування полягає в тому, що, через те, що радіоактивність швидко зменшується, воно обмежується моніторингом коротких завдань. До появи технології МРТ сканування ПЕТ-сканування було найкращим методом функціональної (а не структурної) візуалізації мозку, і він продовжує робити великий внесок в нейробіологію.
ПЕТ-сканування також використовується для діагностики захворювань головного мозку, перш за все тому, що пухлини головного мозку, інсульти та хвороби, що пошкоджують нейрони, які спричиняють набуте слабоумство (наприклад, хвороба Альцгеймера), всі ці захворювання викликають великі зміни в метаболізмі мозку, які, в свою чергу, легко виявляються через ПЕТ сканування. ПЕТ, ймовірно, найбільш корисна в ранніх випадках визначених деменцій (класичними прикладами є хвороба Альцгеймера і хвороба Піка), коли ранні ушкодження занадто дифузні та спричиняють занадто мало відмінностей в обсязі мозку та в грубій структурі, щоб ці зміни були помітні на КТ або на МРТ, унеможливлює впевнене розрізнення хвороби та «нормального» стану мозку.
Однофотонна емісійна комп'ютерна томографія
Однофотонна емісійна комп'ютерна томографія (ОФЕКТ) схожа на ПЕТ і використовує гамма-випромінювання, що випромінюється радіоізотопами, і гамма-камеру для запису інформації на комп'ютер у вигляді 2- або 3-мірних зображень активних ділянок мозку. ОФЕКТ потребує ін'єкції радіоактивного маркера, який швидко поглинається мозком, але не перерозподіляється. Його споживання становить близько 100 % протягом 30-60 с, відображаючи кровопостачання головного мозку під час ін'єкції. Саме ці властивості роблять ОФЕКТ особливо зручною для візуалізації епілепсії, що зазвичай є складним завданням через рухи пацієнта та різні типи судом. ОФЕКТ здійснює «моментальний знімок» кровопостачання головного мозку та зображення можна отримати одразу після завершення судом (в той час як маркер був введений під час судом). Значним обмеженням ОФЕКТ є низька щільність (до 1 см) у порівнянні з МРТ. Сьогодні широко використовуються машини ОФЕКТ з двома головками детекторів, хоча на ринку вже доступні машини Triple Detector Head. Томографічна реконструкція (в основному використовується для функціональних «знімків» мозку) вимагає багаторазових проєкцій з головок детекторів, які обертаються навколо черепа людини, тому деякі дослідники розробили машини з 6 та 11 детекторами ОФЕКТ, щоб скоротити час для виконання зображення та надати вищу роздільну здатність.
Як ПЕТ, ОФЕКТ також може бути використана для диференціації різних видів хворобливих процесів, які викликають деменцію, та вона все частіше використовується для цієї мети. Нейро-ПЕТ має недолік, що вимагає використання маркерів з періодом напіврозпаду не більше 110 хвилин, таких як фтордезоксиглюкоза. Їх виробляє циклотрон і вони дорогі, або навіть недоступні, якщо час транспортування займає більше ніж кілька періодів напіврозпаду. ОФЕКТ, однак, здатний використовувати маркери з набагато довшим періодом напіврозпаду, наприклад технецій-99m, і в результаті, є набагато більш широко доступним.
Ультразвукове дослідження черепа
Ультразвукове дослідження черепа зазвичай проводиться тільки у немовлят, у яких відкрите тім'ячко забезпечує акустичні вікна, що дозволяють проводити ультразвукове дослідження мозку. Переваги включають в себе відсутність іонізуючого випромінювання та можливість сканування біля ліжка хворого, але відсутність деталей м'яких тканин означає, що МРТ є кращим у деяких випадках.
Див.також
Посилання
- Повний атлас мозку @ Harvard
- Lecture notes on mathematical aspects of neuroimaging Вілл Пенні, Університетський коледж Лондона
- «Transcranial Magnetic Stimulation». Міхаель Левентон у співпраці з MIT AI Lab.
- NeuroDebian — повна операційна система, орієнтована на нейровізуалізацію
|
