Funktsionaalne MRI võimaldab aju mitteinvasiivset visualiseerimist

Funktsionaalne MRI võimaldab aju mitteinvasiivset visualiseerimist
Funktsionaalne MRI võimaldab aju mitteinvasiivset visualiseerimist
Anonim

REHOVOT, Iisrael – 27. jaanuar 2000 – Teadusajakirja Nature Neuroscience väljaanne (veebruar 2000) sisaldab kahte artiklit, mis kirjeldavad funktsionaalsel MRI-l (fMRI) ja optilisel kuvamistehnoloogial põhinevaid teaduslikke leide, mis võivad valdkonda märkimisväärselt edendada. ajuuuringud, aga ka neuroloogiliste häirete ravi. See saavutus on Minnesota ülikooli ja Weizmanni teadusinstituudi teadlaste paralleelsete uurimistööde tulemus.

Aju-uurijad kogu maailmas soovivad täpselt kaardistada tegutsevaid närvirakkude klastreid, "vesteldes" oma kaaslastega elektriimpulsside vormis, töödeldes samal ajal sensoorset teavet või täites kognitiivseid funktsioone.

Iga klastrit, mis sisaldab tuhandeid teatud töötlemisülesannet täitvaid närvirakke, nimetatakse "kortikaalseks kolonniks". Kortikaalsed kolonnid on aju "mikroprotsessorid". Aju-uurijad väidavad, et kortikaalse veeru täpse kaardistamise võimalus on kriitilise tähtsusega, et mõista, kuidas inimese aju suudab oma märkimisväärseid funktsioone täita. Kuid siiani ei ole nad saanud seda otse teha ja nad on pidanud tuginema mitmetele kaudsetele meetoditele, nagu positronemissioontomograafia (PET), optiline pildistamine ja fMRI. Aju-veenide kaardistamine

Need meetodid põhinevad Lord Sherringtoni enam kui 100 aasta vanusel avastusel seoses aju elektrilise aktiivsuse ja vereringe muutustega. Näiteks põhineb PET radioaktiivse aine süstimisel vereringesse ja verevoolu asukohamuutuste kaardistamisel vastuseks aju elektrilisele aktiivsusele.

FMRI abil jälgivad teadlased veres hemoglobiiniga seotud hapniku taseme muutusi, mis tulenevad hemoglobiinist, mis varustab hapnikuga aktiivseid närvirakke.fMRI on täiesti mitteinvasiivne, seega on selle eelis võrreldes PET-iga, mis põhineb radioaktiivsete märgistusainete süstimisel. Seetõttu võib fMRI-d kasutada sama aju uurimiseks mitu aastat, võimaldades seeläbi teadlastel jälgida ja kaardistada mälujälgi, vananemisprotsesse või funktsionaalset taastumist traumast või insuldist.

Kuni viimase ajani oli nende tehnikate kaardistamise täpsus üsna piiratud: need suutsid kaardistada aktiivse piirkonna inimese ajus 1–3 mm (fMRI) või 3–7 mm (PET) täpsusega, ja seetõttu ei suutnud kaardistada aju põhilisi protsessoreid – 0,5 mm laiuseid mikroprotsessoreid.

Aju mikroprotsessorite kaardistamine

Viimase 15 aasta jooksul on Weizmanni Instituudi neurobioloogia osakonna prof Amiram Grinvald välja töötanud uudse optilise kujutise aju kaardistamise lähenemisviisi, mis põhineb aktiivseid mikroprotsessoreid hapnikuga varustava vere värvimuutuste jälgimisel. Seda tehnoloogiat kasutades suutis Grinvald kindlaks teha täpse aja ja koha, kus närvirakud veretihedast mikrotsirkulatsioonisüsteemist hapnikku tarbivad.Optilise kujutisega saavutatud kõrge eraldusvõime võimaldas tal täielikult kaardistada üksikud kortikaalsed veerud - aju mikroprotsessorid. Nende hulka kuulusid visuaalse süsteemi mikroprotsessorid, mis olid seotud kuju, värvi ja liikumise tajumisega. Optiline pildistamine pani aluse ka funktsionaalse MRI väljatöötamisele, mis sobib paremini mitteinvasiivseks inimese ajuuuringuteks ja kliinilisteks rakendusteks.

Alguses lootsid teadlased, et fMRI kasutamine võimaldab aju kaardistada optilise kujutise tehnoloogiaga saavutatava täpsusega samal tasemel. Tõepoolest, mõlemad meetodid tuvastavad märkimisväärse "aktiivsuse hari", mis ilmub ligikaudu 6 sekundit pärast elektrilise aktiivsuse algust. Kahjuks ei suutnud fMRI-süsteemid tuvastada "esialgset langust ", negatiivset signaali, mis ilmub varem ja mis on optiliste pildisüsteemidega selgelt nähtav.

Esimesed langused ja aktiivsuse tipud

Kaks kuud tagasi avaldasid aga Ivo Vanzetta ja Amiram Grinvald Weizmanni teadusinstituudist ajakirjas Science artikli, milles nad tegid ettepaneku, kuidas saaks fMRI-süsteemi eraldusvõimet oluliselt parandada.Minnesota ülikooli teadlaste meeskond eesotsas prof Kamil Ugurbiliga on selle retsepti omaks võtnud. Esiteks leidsid nad fMRI-ga puuduva esialgse languse, näidates seega, et need kaks tehnikat võivad jälgida samu vaskulaarseid sündmusi tingimusel, et fMRI tehakse tugevas magnetväljas. (Nagu optilise pildistamise puhul, annab esialgne langus palju väiksema signaali võrreldes viivitatud aktiivsuse harjaga. Seetõttu olid fMRI teadlased varem kasutanud elektrilise aktiivsuse täpse asukoha kaardistamiseks suuremat aktiivsusharja.)

Kuid Dae-Shik Kim, Timothy Duong ja Seong-Gi Kim Minnesota rühmast teatavad ajakirjas Nature Neuroscience, et seda aktiivsust ei saa kasutada elektrilise aktiivsuse täpse asukoha jälgimiseks fMRI abil. Nende raporti peamine järeldus on see, et tulistamise täpne asukoht vastab tõepoolest esialgse languse asukohale. Selle väikese signaali kasutamine võimaldas esimest korda täpset kaardistada orientatsiooniveerud - mikroprotsessorid, mis vastutavad kuju tajumise eest visuaalse ajukoore varajastes töötlemispiirkondades.

Praegune Nature Neuroscience sisaldab uudiste ja vaadete artiklit, mille on kirjutanud Amiram Grinvald, Hamutal Slovin ja Ivo Vanzetta Weizmanni Instituudist, milles nad arutavad Minnesota meeskonna saavutusi ja pakuvad uusi andmeid optilise pildistamise kohta. Kokkuvõttes näitavad need artiklid, et keskendudes esialgsele langusele, võimaldab fMRI kortikaalsete veergude mitteinvasiivset kaardistamist ka inimese ajuuuringutes.

Teadlased usuvad, et MRI täpsuse pöördeline paranemine edendab oluliselt teadusuuringuid, mille eesmärk on paremini mõista inimese taju ja kõrgemate kognitiivsete funktsioonide aluseks olevaid põhimehhanisme. Lisaks võib sellel olla väärtuslik tähtsus varajase diagnoosimise võime parandamisel ja võib-olla ka erinevate psüühikahäirete ennetamisel. Prof Grinvald, kes on Helen ja Norman Asheri aju-uuringute õppetool, on Murray H. ja Meyer Grodetsky kõrgemate ajufunktsioonide uurimiskeskuse ning Weizmanni aju funktsionaalse pildistamise rakendusteaduslike uuringute keskuse Wolfsoni juht. Instituut.Seda uuringut toetasid Saksamaa Iisraeli Teadusliku Uurimise ja Arendusfond, Horace W. Goldsmithi Fond, Phoenix, Arizona ja pr Margaret Enoch New Yorgist.

Pildid ja teave optilise pildistamise kohta on saadaval aadressil:

Iisraelis Rehovotis asuv Weizmanni teadusinstituut on üks maailma tähtsamaid teadusuuringute ja kraadiõppe keskusi. Selle 2500 teadlast, üliõpilast, tehnikut ja inseneri teevad alusuuringuid teadmiste otsimisel ja inimkonna edendamisel. Uued viisid haiguste ja nälja vastu võitlemiseks, keskkonna kaitsmiseks ja alternatiivsete energiaallikate kasutamiseks on Weizmanni prioriteedid.

Populaarne teema