Hình ảnh cộng hưởng từ chức năng

Các hình ảnh cộng hưởng từ chức năng (fMRI) là một phương pháp chụp cộng hưởng từ để thể hiện trực quan những thay đổi sinh lý trong cơ thể. Nó dựa trên các nguyên tắc vật lý của cộng hưởng từ hạt nhân. Theo nghĩa hẹp hơn, thuật ngữ này được sử dụng liên quan đến việc kiểm tra các vùng được kích hoạt của não.

Chụp cộng hưởng từ chức năng là gì?

Trên cơ sở chụp cắt lớp cộng hưởng từ (MRT), nhà vật lý Kenneth Kwong đã phát triển phương pháp chụp cắt lớp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) để mô tả những thay đổi trong hoạt động ở các vùng khác nhau của não. Phương pháp này đo những thay đổi trong lưu lượng máu não có liên quan đến những thay đổi hoạt động trong các vùng tương ứng của não thông qua khớp nối mạch thần kinh.

Phương pháp này sử dụng môi trường hóa học khác nhau của các hạt nhân hydro đo được trong hemoglobin của máu nghèo oxy và máu giàu oxy. Hemoglobin oxy (oxyhemoglobin) nghịch từ, trong khi hemoglobin không oxy (deoxyhemoglobin) có đặc tính thuận từ. Sự khác biệt về tính chất từ ​​tính của máu còn được gọi là hiệu ứng BOLD (hiệu ứng phụ thuộc vào mức độ oxy trong máu). Các quá trình chức năng trong não được ghi lại dưới dạng một loạt các hình ảnh mặt cắt.

Bằng cách này, những thay đổi trong hoạt động trong các vùng não riêng lẻ có thể được kiểm tra bằng cách sử dụng các nhiệm vụ cụ thể trên đối tượng thử nghiệm. Phương pháp này ban đầu được sử dụng cho nghiên cứu cơ bản để so sánh các mô hình hoạt động ở những người kiểm soát khỏe mạnh với các hoạt động não của những người bị rối loạn tâm thần. Theo nghĩa rộng hơn, thuật ngữ chụp cắt lớp cộng hưởng từ chức năng cũng bao gồm chụp cắt lớp cộng hưởng từ động học, mô tả sự biểu diễn chuyển động của các cơ quan khác nhau.

Chức năng, tác dụng và mục tiêu

Chụp cộng hưởng từ chức năng là một bước phát triển tiếp theo của kỹ thuật chụp cộng hưởng từ (MRT). Với MRI cổ điển, hình ảnh tĩnh của các cơ quan và mô tương ứng được hiển thị, trong khi fMRI cho thấy những thay đổi trong hoạt động trong não thông qua hình ảnh ba chiều khi một số hoạt động được thực hiện.

Với sự trợ giúp của thủ thuật không xâm lấn này, não có thể được quan sát trong các tình huống khác nhau. Như với MRI cổ điển, cơ sở vật lý của phép đo ban đầu dựa trên cộng hưởng từ hạt nhân. Bằng cách áp dụng một từ trường tĩnh, các spin của proton của hemoglobin được sắp xếp theo chiều dọc. Một trường xoay chiều tần số cao được đặt theo chiều ngang của hướng từ hóa này đảm bảo sự lệch hướng ngang của từ hóa sang trường tĩnh đến cộng hưởng (tần số Lamor). Nếu trường tần số cao bị tắt, phải mất một thời gian nhất định trong khi giải phóng năng lượng cho đến khi từ hóa tự căn chỉnh lại dọc theo trường tĩnh.

Thời gian thư giãn này được đo. Trong fMRI, thực tế là deoxyhemoglobin và oxyhemoglobin được từ hóa khác nhau được khai thác. Điều này dẫn đến các giá trị đo khác nhau cho cả hai dạng, có thể được cho là do ảnh hưởng của oxy. Tuy nhiên, vì tỷ lệ oxyhemoglobin và deoxyhemoglobin liên tục thay đổi trong quá trình sinh lý trong não, các bản ghi nối tiếp được thực hiện như một phần của fMRI, ghi lại những thay đổi tại bất kỳ thời điểm nào. Bằng cách này, các hoạt động của tế bào thần kinh có thể được hiển thị với độ chính xác đến từng milimet trong khoảng thời gian vài giây. Vị trí của hoạt động thần kinh được xác định bằng thực nghiệm bằng cách đo tín hiệu cộng hưởng từ tại hai thời điểm khác nhau.

Đầu tiên, phép đo diễn ra ở trạng thái nghỉ và sau đó ở trạng thái kích thích. Sau đó, việc so sánh các bản ghi được thực hiện theo quy trình kiểm tra thống kê và các khác biệt có ý nghĩa thống kê được ấn định theo không gian. Đối với mục đích thử nghiệm, kích thích có thể được trình bày với người thử nghiệm nhiều lần. Điều này thường có nghĩa là một nhiệm vụ được lặp lại nhiều lần. Sự khác biệt từ việc so sánh dữ liệu từ giai đoạn kích thích với kết quả đo từ giai đoạn còn lại được tính toán và sau đó biểu diễn bằng đồ thị. Với quy trình này, có thể xác định được vùng não nào đang hoạt động trong hoạt động nào. Ngoài ra, có thể xác định được sự khác biệt giữa một số vùng não bị bệnh tâm lý và não khỏe mạnh.

Ngoài nghiên cứu cơ bản, cung cấp những hiểu biết quan trọng về chẩn đoán các bệnh tâm lý, phương pháp này còn được sử dụng trực tiếp trong thực hành lâm sàng. Lĩnh vực ứng dụng lâm sàng chính của fMRI là xác định vị trí của các khu vực liên quan đến ngôn ngữ của não khi chuẩn bị phẫu thuật cho các khối u não. Điều này là để đảm bảo rằng khu vực này được tiết kiệm phần lớn trong quá trình hoạt động. Các lĩnh vực lâm sàng khác của ứng dụng chụp cộng hưởng từ chức năng liên quan đến việc đánh giá bệnh nhân bị suy giảm ý thức, chẳng hạn như hôn mê, trạng thái thực vật hoặc MCS (trạng thái ý thức tối thiểu).

Rủi ro, tác dụng phụ và nguy hiểm

Mặc dù thành công lớn của chụp cắt lớp cộng hưởng từ chức năng, phương pháp này cũng cần được xem xét một cách nghiêm túc về giá trị thông tin của nó. Có thể thiết lập các kết nối thiết yếu giữa các hoạt động nhất định và kích hoạt các vùng não tương ứng. Tầm quan trọng của một số vùng não đối với các bệnh tâm lý cũng trở nên rõ ràng hơn.

Tuy nhiên, chỉ những thay đổi về nồng độ oxy của hemoglobin mới được đo ở đây. Bởi vì các quá trình này có thể được bản địa hóa ở một số vùng nhất định của não, dựa trên sự kết nối mạch thần kinh, các vùng này của não cũng được kích hoạt. Vì vậy não không thể quan sát trực tiếp khi đang suy nghĩ. Cần phải lưu ý rằng sự thay đổi lưu lượng máu chỉ xảy ra sau khoảng thời gian tiềm ẩn vài giây sau hoạt động thần kinh. Do đó, việc phân công trực tiếp đôi khi rất khó khăn. Ưu điểm của fMRI so với các phương pháp khám thần kinh không xâm lấn khác là khả năng định vị không gian của các hoạt động tốt hơn nhiều.

Tuy nhiên, độ phân giải tạm thời thấp hơn nhiều. Việc xác định gián tiếp các hoạt động của tế bào thần kinh thông qua các phép đo lưu lượng máu và oxy hemoglobin cũng tạo ra một sự không chắc chắn nhất định. Độ trễ trên bốn giây được giả định. Vẫn còn phải điều tra xem các hoạt động thần kinh đáng tin cậy có thể được giả định với các kích thích ngắn hơn hay không. Tuy nhiên, cũng có những giới hạn ứng dụng kỹ thuật của chụp cắt lớp cộng hưởng từ chức năng, trong số những thứ khác, dựa trên thực tế là hiệu ứng BOLD không chỉ được tạo ra bởi các mạch máu mà còn bởi các mô tế bào lân cận với các mạch máu.