Neuroimaging

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 7. februar 2018; checks kræver 8 redigeringer .

Neuroimaging  er et fællesnavn for flere metoder, der tillader visualisering af hjernens struktur, funktion og biokemiske karakteristika [1] .

Inkluderer computertomografi , magnetisk resonansbilleddannelse osv. Dette er en relativt ny disciplin, som er en gren af ​​medicin, og mere specifikt, neurologi , neurokirurgi og psykiatri .

Klassifikation

Neuroimaging omfatter 2 brede kategorier:

  1. Strukturel billeddannelse, der beskriver hjernens struktur og diagnosticering af store intrakranielle sygdomme ( tumor eller TBI );
  2. Funktionel neuroimaging , brugt til tidlig diagnose af metaboliske lidelser (såsom Alzheimers sygdom ), samt til neurovidenskab og kognitiv psykologisk forskning og design af hjerne-computer-grænseflader .

Funktionel neuroimaging gør det for eksempel muligt at visualisere informationsbehandling i hjernecentre. En sådan behandling øger metabolismen af ​​disse centre og "fremhæver" scanningen (billedet opnået ved neuroimaging). Et af de mest kontroversielle spørgsmål er forskning i sindgenkendelse eller "læsning" af dem.

Historie

Det første kapitel af neuroimaging-spors historie gik tilbage til den italienske neurovidenskabsmand Angelo Mosso , som opfandt den "menneskelige kredsløbsbalance", der ikke-invasivt kunne måle blodomfordelingen under følelsesmæssig og intellektuel aktivering [2] . Dette forblev stort set ukendt indtil den nylige opdagelse af Mossos-manuskripterne takket være Stefano Sandrone og kolleger [3] .

I 1918 var den amerikanske neurokirurg W. E. Dandy pioner inden for ventrikulografiteknikken . Røntgenbilleder af hjerneventriklerne blev udført ved at indsprøjte filtreret luft direkte ind i hjernens laterale ventrikel. W. E. Dandy observerede også, hvordan luft introduceret i det subarachnoidale rum gennem en lumbalpunktur kan trænge ind i hjernens ventrikler og demonstrerede områder af CSF ved bunden og på hjernens overflade. undersøgelsesmetoden blev kaldt pneumoencefalografi.

I 1927 introducerede Egas Moniz cerebral angiografi i praksis .(se også angiografi ), som visualiserer normale og unormale blodkar i hjernen i høj opløsning.

I begyndelsen af ​​1970'erne introducerede A. M. Kormak og G. N. Hounsfield CT i praksis . Det gjorde det muligt at tage endnu mere detaljerede anatomiske billeder og bruge dem til diagnostik og forskning. I 1979 vandt de Nobelprisen i fysiologi eller medicin for deres opfindelse. Kort efter indførelsen af ​​QD, i begyndelsen af ​​1980'erne, forskning i radioliganderførte til opdagelsen af ​​SPECT og PET i hjernen.

MRI blev udviklet omkring samme tid af Sir P. Mansfield og P.C. Lauterbur . I 2003 blev de tildelt Nobelprisen i fysiologi eller medicin. I begyndelsen af ​​1980'erne begyndte MR at blive brugt i klinikken, og i 1980'erne var der en reel eksplosion i brugen af ​​denne teknologi i diagnostik. Forskere opdagede hurtigt, at betydelige ændringer i blodcirkulationen kunne diagnosticeres med en særlig type MR. Sådan blev fMRI opdaget, og siden 1990'erne er den begyndt at dominere hjernetopografi på grund af dens minimalt invasive evne, fravær af stråling og relativt brede tilgængelighed. fMRI er også begyndt at dominere diagnosen af ​​slagtilfælde .

I begyndelsen af ​​2000'erne nåede neuroimaging et punkt, hvor tidligere begrænsede funktionelle undersøgelser af hjernen blev tilgængelige. Dens vigtigste anvendelse er stadig utilstrækkeligt udviklede metoder til neurocomputer-grænseflader.

Hjernebilledteknologier

Computertomografi af hovedet

Computertomografi (CT) eller computeraksial tomografi (CAT) bruger en række røntgenstråler rettet mod hovedet fra et stort antal forskellige retninger. Det bruges normalt til hurtig visualisering af TBI. CT bruger et computerprogram, der udfører en digital integralberegning ( inversion af Radon-transformationen ) af rækken af ​​røntgenstråler, der måles. Den beregner, hvordan disse stråler absorberes af hjernens volumen. Normalt præsenteres information i form af skiver af hjernen [4] .

Diffus optisk tomografi

Diffus optisk tomografi(DOT) er en medicinsk billedbehandlingsteknik, der bruger infrarød stråling til at afbilde den menneskelige krop. Teknologien måler den optiske absorption af hæmoglobin og er afhængig af dets absorptionsspektrum som en funktion af iltmætning .

Optiske signaler ændret af en hændelse

Optisk signal modificeret af hændelse - neuroimaging teknologi, der bruger infrarød stråling, som passerer gennem optiske fibre og måler forskellen i de optiske egenskaber af aktive områder af hjernebarken . Mens DOT og nær-infrarød spektroskopi måler den optiske absorption af hæmoglobin og derfor er baseret på blodcirkulationen, er fordelen ved denne metode baseret på studiet af individuelle neuroner , det vil sige, at den direkte måler cellulær aktivitet. Hændelsesmodificeret optisk signalteknologi kan nøjagtigt identificere hjerneaktivitet ned til millimeter (rumlig) opløsning og inden for millisekunder . Den største ulempe ved teknologien er manglende evne til at identificere aktiviteten af ​​neuroner mere end et par centimeter dybe. Dette er en ny, relativt billig teknologi, som er ikke-invasiv for patienten. Det blev udviklet af University of Illinois i Urbana-Champaign , hvor det nu bruges i Cognitive Neuroimaging Laboratory af Dr. Gabriel Gratton og Dr. Monica Fabiani.

Magnetisk resonansbilleddannelse

MR bruger magnetfelter og radiobølger til at visualisere 2D- og 3D-billeder af hjernestrukturer uden brug af ioniserende stråling (stråling) eller radioaktive markører.

Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse

Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) er baseret på de paramagnetiske egenskaber af iltet og deoxygeneret hæmoglobin og gør det muligt at se ændringer i hjernens blodcirkulation afhængigt af dens aktivitet. Sådanne billeder viser, hvilke områder af hjernen der aktiveres (og hvordan) under visse opgaver.

De fleste fMRI-scannere giver motivet mulighed for at præsentere forskellige visuelle billeder, lyd og taktile stimuli og udføre handlinger som at trykke på en knap eller flytte et joystick . Derfor kan fMRI bruges til at vise hjernestrukturer og processer relateret til perception, tænkning og bevægelse. fMRI-opløsningen er i øjeblikket 2-3 mm, begrænset af blodforsyning, der påvirker neuronal aktivitet. Det erstatter i det væsentlige PET i studiet af typer af hjerneaktivering. PET har imidlertid den betydelige fordel at være i stand til at identificere specifikke cellereceptorer eller ( monoamintransmittere) forbundet med neurotransmittere på grund af visualiseringen af ​​radiomærket receptor " ligander " (en receptorligand er et kemikalie, der er bundet til en receptor).

fMRI bruges både til medicinsk forskning og (i stigende grad) til diagnostiske formål. Da fMRI er ekstremt følsom over for kredsløbsændringer, er den meget god til at diagnosticere iskæmi , såsom ved slagtilfælde. Tidlig diagnosticering af slagtilfælde er stadig vigtigere i neurologien, da lægemidler, der opløser størknet blod, kan bruges i de første par timer og til en bestemt type slagtilfælde, mens de senere kan være farlige. fMRI i sådanne tilfælde gør det muligt at træffe den rigtige beslutning.

fMRI kan også bruges til tankegenkendelse. I et eksperiment med en nøjagtighed på 72%-90% [5] var fMRI i stand til at bestemme, hvilket sæt billeder forsøgspersonen kiggede på [6] . Snart, ifølge forfatterne til forskningen, vil det takket være denne teknologi være muligt at fastslå, hvad individet præcist ser foran sig [6] . Denne teknologi kan bruges til at visualisere drømme , tidlig advarsel om hjernesygdomme, skabe grænseflader for lammede mennesker til at kommunikere med omverdenen, markedsføring af reklameprogrammer og bekæmpelse af terrorisme og kriminalitet [6] .

Magnetoencefalografi

Magnetoencefalografi (MEG) er en neuroimaging teknologi, der bruges til at måle magnetiske felter produceret af hjernens elektriske aktivitet gennem meget følsomme enheder såsom SQUID . MEG bruger en direkte måling af neuronernes elektriske aktivitet, mere nøjagtig end for eksempel fMRI, med meget høj opløsning i tid, men lille i rummet. Fordelen ved at måle sådanne magnetiske felter er, at de ikke forvrænges af omgivende væv , i modsætning til de elektriske felter målt med EEG .

Der er mange anvendelser af MEG, herunder at hjælpe neurokirurger med at lokalisere patologi, hjælpe forskere med at lokalisere hjernefunktion, studere neural feedback og andre.

Positron emission tomografi

Positron-emissionstomografi (PET) måler frigivelsen af ​​radioaktivt mærkede metabolisk aktive kemikalier, der sprøjtes ind i blodbanen. Informationen bearbejdes af en computer til 2- eller 3-dimensionelle billeder af fordelingen af ​​disse kemikalier i hjernen [7] . De positron - emitterende radioisotoper produceres af cyklotronen , og kemikalierne er mærket med radioaktive atomer . En radioaktivt mærket enhed, kaldet et radioaktivt sporstof , sprøjtes ind i blodbanen og når til sidst hjernen. Sensorer i PET-scanneren registrerer radioaktivitet, når et radioaktivt sporstof ophobes i forskellige hjernestrukturer. Computeren bruger informationen indsamlet fra sensorerne til at skabe 2- og 3-dimensionelle flerfarvede billeder, der afspejler fordelingen af ​​indikatoren i hjernen. I øjeblikket bruges hele grupper af forskellige ligander ofte til at kortlægge forskellige aspekter af neurotransmitteraktivitet. Det mest almindeligt anvendte PET-sporstof forbliver dog den mærkede form af glucose (se Fluorodeoxyglucose (FDG)), der viser fordelingen af ​​metabolisk aktivitet i hjerneceller.

Den største fordel ved PET er, at forskellige radiotracere kan vise blodcirkulation, iltning og glukosemetabolisme i den arbejdende hjernes væv. Disse målinger viser mængden af ​​hjerneaktivitet i forskellige områder af hjernen og giver mulighed for at lære mere om, hvordan det fungerer. PET er overlegen i forhold til andre metaboliske billeddannelsesteknikker med hensyn til opløsning og hastighed (foretager en scanning inden for 30 sekunder). Den forbedrede opløsning gjorde det muligt bedre at studere hjernen aktiveret af en bestemt opgave. Den største ulempe ved PET er, at radioaktiviteten henfalder hurtigt, hvilket begrænser overvågningen til kun korte opgaver [8] . Før tilgængeligheden af ​​fMRI var PET den dominerende funktionelle (i modsætning til strukturelle) neuroimaging teknik og fortsætter med at yde store bidrag til neurovidenskab i dag.

PET bruges også til at diagnosticere hjernesygdomme, primært fordi hjernetumorer , slagtilfælde og neuronskadende sygdomme, der forårsager demens (såsom Alzheimers sygdom), i høj grad forringer hjernens stofskifte, hvilket fører til let synlige ændringer på PET-scanninger. PET er sandsynligvis mest anvendelig i tidlige tilfælde af visse demenssygdomme (klassiske eksempler er Alzheimers sygdom og Picks sygdom ), hvor tidlige funktionsnedsættelser er særligt diffuse og resulterer i forskelle i hjernevolumen og makroskopisk struktur, der er for små til at kunne ses på CT eller standard MR, som ikke er i stand til at skelne dem fra den sædvanlige aldersrelaterede involution (atrofi), der ikke forårsager klinisk demens.

Enkelt fotonemission computertomografi

Single photon emission computed tomography (SPECT) ligner PET og bruger gammastråling udsendt af radioisotoper og et gammakamera til at optage information på en computer i form af 2- eller 3-dimensionelle billeder af aktive områder af hjernen [9] . SPECT kræver en indsprøjtning af en radioaktiv markør, som hurtigt optages af hjernen, men ikke omfordeles. Dens forbrug er omkring 100 % inden for 30-60 sekunder, hvilket afspejler blodforsyningen til hjernen på tidspunktet for injektionen. Disse egenskaber ved SPECT gør det særligt velegnet til at visualisere epilepsi , som normalt er vanskelig på grund af patientbevægelser og forskellige typer anfald . SPECT giver et "snapshot" af blodforsyningen til hjernen, da scanninger kan tages umiddelbart efter anfaldet er afsluttet (hvorimod markøren blev injiceret under anfaldet). En væsentlig begrænsning af SPECT er den lave opløsning (op til 1 cm) sammenlignet med MR.

Ligesom PET kan SPECT også bruges til at differentiere de processer, der fører til demens. Det bliver brugt mere og mere til dette. Neuro-PET har den ulempe at bruge indikatorer med en halveringstid på 110 minutter såsom FDG. De produceres af cyklotronen og er dyre eller endda utilgængelige, når transporttiden overstiger halveringstiden. SPECT kan dog bruge indikatorer med lang halveringstid, såsom technetium-99m . Som et resultat kan det bruges meget bredere.

Noter

  1. ↑ Filler, A.G. Historien, udviklingen og virkningen af ​​computerscanning i neurologisk diagnose og neurokirurgi: CT, MRI, DTI. Tilgængelig fra Nature Precedings  (engelsk)  // Neurosurgical Focus (in press). - Juli 2009. - doi : 10.1038/npre.2009.3267.5 .
  2. ↑ Sandrone et al. Angelo Mosso  //  Journal of Neurology : journal. - 2012. - Bd. 259 , nr. 11 . - S. 2513-2514 . - doi : 10.1007/s00415-012-6632-1 . — PMID 23010944 .
  3. ↑ Sandrone et al. Vejning af hjerneaktivitet med vægten: Angelo Mossos originale manuskripter kommer  frem //  Hjerne : journal. - Oxford University Press , 2014. - Vol. 137 , nr. Pt 2 . - s. 621-633 . - doi : 10.1093/brain/awt091 . — PMID 23687118 .
  4. ↑ Malcom Jeeves. Mind Fields: Reflections on the Science of Mind and Brain  //  Grand Rapids, MI: Baker Books. — S. 21 .
  5. ↑ Kerry Smith. Tankelæsning med hjerneskanning  (engelsk)  // Nature News. – 2008.
  6. ↑ 1 2 3 Brandon Keim. Hjernescanner kan fortælle, hvad du ser  på . Wired News (5. marts 2008). "En hjernescanner kan fortælle dig, hvad du ser på." Dato for adgang: 30. september 2017. Arkiveret fra originalen 2. februar 2012.
  7. ↑ Lars-Göran Nilsson og Hans J. Markowitsch. Cognitive Neuroscience of Memory = Cognitive Neuroscience of Memory. — Seattle: Hogrefe & Huber Publishers, 1999 . - S. 57.
  8. ↑ Lars-Göran Nilsson og Hans J. Markowitsch. Cognitive Neuroscience of Memory = Cognitive Neuroscience of Memory. — Seattle: Hogrefe & Huber Publishers, 1999 . - S. 60.
  9. ↑ Philip Ball. Brain Imaging Forklaret   // Nature . - 12. juli 2001. - Nej. 412 . - S. 150-157 .
  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier