Úvod k funkčnímu zobrazování mozku magnetickou rezonancí

Techniky funkčního zobrazování mozku

Fyziologie mozkové aktivace v souvislosti s BOLD fMRI

Techniky funkčního zobrazování mozku

Funkční zobrazování mozku (nebo také funkční mapování) lze definovat různým způsobem. Uvažujeme-li šířeji pojatou definici, pak zahrnuje celý rozsah technik u nichž jsou fyziologické změny spojeny s mozkovou aktivitou. Asi nejkvalitnější metodou by bylo mapování činnosti jednotlivých neuronů, což je ovšem pro zobrazovací metody úkol téměř neřešitelný. Proto se metody funkčního mapování opírají o aktivitu rozsáhlých populací neuronů. To je naštěstí přístup s taktéž vysoce informativní hodnotou, jelikož jednotlivé neurony nepracují nezávisle, ale sdružují se do jistých funkčních oblastí. Tedy navzdory velmi malým rozměrům neuronů jsme schopni mapovat mozkové funkce i za použití prostorového rozlišení jednotek milimetrů či lepšího.

V současné době se pro funkční mapování používá řada metod vycházejících z odlišných principů a využívajících různých měřených veličin. Např. EEG (elektroencefalograf) snímá změny elektrických potenciálů na povrchu hlavy, MEG (magnetoencefalograf) obdobně snímá změny magnetického pole. PET (pozitronová emisní tomografie) změny metabolismu nebo krevního toku. Poměrně mladá je metoda zvaná funkční magnetická rezonance (fMR, fMRI), která k funkčnímu mapování používá MR tomografu. fMRI může využívat dvou způsobů nepřímého mapování neuronální aktivity. První způsob využívá lokálního zvýšení průtoku krve, tzv. perfuze, v místě neuronální aktivity. Druhý způsob využívá změnu poměru okysličené a neokysličené krve v místě neuronální aktivity, což se označuje jako BOLD efekt (blood oxygeantion level dependent). Metody se pak nazývají BOLD fMRI a perfuzní fMRI. Pro vlastní funkční zobrazování se u fMRI používají MR snímky vážené tak, aby byly schopny zachytit výše popsané efekty.

Uvedené metody se od sebe vzájemně liší prostorovým a časovým rozlišením. Nejvyšší časové rozlišení, ovšem současně s tím i nízké prostorové rozlišení, poskytují EEG a MEG. Nevýhodou PET je zejména vystavení vyšetřované osoby radioaktivnímu záření a špatné časové rozlišení. fMRI je neinvazivní, s poměrně vysokým prostorovým rozlišením a přijatelným časovým rozlišením. Může se tak jevit jako ideální metoda, ale má také svá negativa, např. kontraindikace vyšetření u osob s kardiostimulátorem, časovou a ekonomickou náročnost atd. Zmíněné metody samozřejmě nejsou úplným výčtem, zahrnují však nejpoužívanější možnosti funkčního zobrazování mozku. O jejich srovnání si lze udělat představu také z následující tabulky.

Fyziologie mozkové aktivace v souvislosti s BOLD fMRI

Přenos informací v mozku se odehrává zejména elektrickým vedením po axonech (tedy spojích mezi neurony). Informace mezi neurony je zprostředkována uvolňováním neurotransmiterů na synapsích a jejich interakcí se specifickými receptory v cílových neuronech.Tyto interakce mezi neurotransmitery a receptory vedou ke změně membránových proudů, které změní postsynaptický potenciál a frekvenci depolarizace. Metabolické změny v neuronech a gliových buňkách, jenž způsobující uvolňování neurotransmiterů, pro svou činnosti potřebují energii (většina této energie je použita na synapsích nebo jejich okolí). Jedním z důležitých prvků potřebných k tvorbě energie je kyslík a proto se při zvýšení synaptické aktivity zvyšují požadavky na dodávku kyslíku do cílové oblasti. K uspokojení těchto požadavků dochází zvýšeným průtokem okysličené krve. Zobecněním výše popsaných principů lze tedy s jistou nepřesností říci, že neuronální aktivita je doprovázena zvýšením krevního průtoku (nepřesnost proto, jelikož je tento mechanismus vyvolán především synaptickou aktivitou). Dále je třeba zdůraznit, že přísun okysličené krve do místa neuronální aktivity je větší než spotřeba kyslíku a v dané lokalitě začne převažovat množství okysličené krve nad neokysličenou.

K tomu, abychom byli schopni pomocí MR tomografu zachytit výše popsaný jev, je třeba využít kombinace následujícího efektu: Nositelem kyslíku v krvi je hemoglobin a pokud je okysličen (je na něj navázán kyslík), říká se mu oxyhemoglobin. Naopak hemoglobinu, který kyslík odevzdal se říká deoxyhemoglobin. Hemoglobin samotný (jako deoxyhemoglobin) má paramagnetické vlastnosti. Pokud je na něm ovšem navázán kyslík (jedná se o oxyhemoglobin), projevuje se navenek jako látka diamagnetická. Množství oxyhemoglobinu a deoxyhemoglobinu v krvi tak přispívá k lokálním nehomogenitám v magnetickém poli, což se projeví na patřičně vážených MR snímcích. Pokud se v konkrétním místě nahromadí větší množství oxyhemoglobinu, pak v něm získáme silnější MR signál než kdyby v této lokalitě převažoval deoxyhemoglobin.

Zkoumáme-li průběh měřeného MR signálu v konkrétním místě, v němž dochází k neuronální aktivaci, pak pozorovanému časovému průběhu říkáme hemodynamická odezva (hemodynamic response function = hrf). Její průběh v čase v reakci na neuronální aktivitu (stimulační podnět) je znázorněn na obrázku

Souhrnně můžeme hemodynamickou odpověď popsat takto:

• Při neuronální aktivitě se prudce zvýší utilizace kyslíku. Je třeba dodávat větší množství krve, proto se zvýší objem a průtok krve v aktivované oblasti.


• Zejména prudkou deoxygenací se nepatrně sníží MR signál (intenzita signálu krve je nižší než intenzita signálu okolní tkáně). Tento jev nastává asi 1 sekundu po začátku stimulu a je velmi malý a obtížně zachytitelný.


• Asi 2 až 5 sekund po začátku stimulu se zvýší krevní průtok o 50 až 70%, ale utilizace kyslíku se zvýší jen o 5 až 20%. Tím se zvedne poměr oxy/deoxyhemoglobinu a to způsobí zvýšení intenzity MR signálu. Maximální změny (a stavu nasycení při dlouhotrvající stimulaci) je dosaženo asi 6 až 9 sekund od začátku stimulace.


• Po skončení stimulu se sníží neuronální aktivita. Průtok krve i poměr oxy/deoxyhemoglobinu se postupně vrátí do normálního stavu. Koncový pokles signálu pod normální hodnotu je způsoben pomalejší změnou krevního průtoku oproti změně poměru oxy/deoxyhemoglobinu.

Experimentálně je prokázáno, že hemodynamická odezva se objeví i po velmi krátkém stimulačním podnětu, trvajícím např. jen desítky až stovky milisekund. Její amplituda bývá s kratším podnětem menší, ovšem její základní časové proporce se téměř nemění. Dobu vývoje a opětovného ustálení musíme tedy uvažovat přibližně 20 sekund, což má pro nás dva důsledky: Prvně to, že jsme schopni pomocí BOLD fMRI měřit i velmi krátce trvající aktivitu. Za druhé to, že námi měřený průběh BOLD signálu časově neodpovídá průběhu neuronální aktivity.