تصویربرداری از مغز: پیشرفت‌های جدید در fMRI برای اسکن های دقیق و سریع
پاییز گذشته، جامعه علمی تصویربرداری عصبی غرق در هیجان بود. به نظر می‌رسد محققان در کره جنوبی بر یکی از بزرگترین محدودیت‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) غلبه کرده‌اند. fMRI یک روش محبوب برای مطالعه مغز انسان است.
جانگ یون پارک، نویسنده این مطالعه، از دوران دانشجویی خود در دانشگاه مینه‌سوتا در میناپولیس، درباره محدودیت‌های fMRI فکر می‌کرد. پارک در حین انجام پروژه دکترای خود در حوزه فیزیک پزشکی، به علوم اعصاب علاقه مند شده بود. او به سمینارهایی میرفت که در آن محققان مطالعاتی را درباره مغز انسان که با fMRI انجام داده بودند تشریح می کردند.
تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) چگونه کار می‌کند؟
تکنیک fMRI با بررسی تغییرات در سطح اکسیژن خون، که با فعالیت عصبی تغییر می کند، کار می کند. اما تغییرات مرتبط با جریان خون – یا همودینامیک – در مقایسه با فعالیتی که نورون ها نشان می دهند، نسبتاً کند هستند. این یک محدودیت واضح است. برای آشکار کردن نحوه عملکرد مغز، fMRI باید بسیار سریعتر می شد.
به طور معمول، fMRI برش های مغز را در نهایت به عنوان تصاویر کامل به دست می آورد. فرآیندی که سرعت جمع آوری داده ها را محدود می کند. در عوض، پارک و تیمش در دانشگاه Sungkyunkwan در سئول نرم‌افزاری را بهینه‌سازی کردند تا داده‌های تصویر مغز را در بخش‌هایی ثبت کند، سپس از یک الگوریتم کامپیوتری برای بازسازی تصویر استفاده کردند. با استفاده از این اصلاح – و یک اسکنر قدرتمند MRI – محققان می‌توانند فعالیت مغز را در مقیاس زمانی میلی‌ثانیه‌ای ردیابی کنند که دقت زمانیش بسیار بیشتر از fMRI معمولی است. محققان این تکنیک را که تصویربرداری مستقیم از فعالیت عصبی یا به اختصار DIANA نامیده اند در اکتبر ۲۰۲۲ منتشر کردند.
بهبود محدودیت های fMRI
DIANA تنها رویکردی نیست که محققان برای بهبود fMRI ایجاد کرده‌اند. برخی، مانند پارک، به جای تکیه بر معیار جریان خون در مغز، در حال ابداع راه‌های دیگری برای نزدیک شدن به نورون‌هایی هستند که می‌خواهند اندازه‌گیری کنند. برخی دیگر بهبودهایی در وضوح مکانی و زمانی fMRI یافته‌اند – با تکیه بر همان سیگنال مبتنی بر خون – برای گرفتن اسکن های فوری و دقیق‌تر از عملکرد مغز.
نوام شمش، محقق بین رشته‌ای حوزه MRI در مرکز Champalimaud در لیسبون می‌گوید: «راه‌های امیدوارکننده زیادی وجود دارد» که محققان در حال بررسی آنها بوده‌اند.
پیشینه بررسی ارتباط فعالیت عصبی مغز با جریان خون
اصل اساسی fMRI ارتباط عصبی عروقی است – این ایده که فعالیت مغز و جریان خون به هم مرتبط هستند. در سال ۱۸۸۰، آنجلو موسو، فیزیولوژیست ایتالیایی، با مطالعه تغییرات جریان خون در افراد مبتلا به نقص در جمجمه، مشاهده کرد که انجام امور شناختی می تواند تغییراتی در جریان خون ایجاد کند. ده سال بعد، دانشمندان بریتانیایی چارلز روی و چارلز شرینگتون اثرات تزریق عصاره مغزی به جریان خون حیوانات را مشاهده کردند. آنها فرض کردند که متابولیت های تولید شده توسط فعالیت عصبی می توانند جریان خون به مغز را افزایش دهند.
در سال ۱۹۹۰، سیجی اوگاوا، محقق آن زمان در آزمایشگاه های AT&T Bell در موری هیل، نیوجرسی، و همکارانش متوجه خطوط تیره در تصاویر مغز موش هایی شدند که با استفاده از MRI گرفته بودند. آنها کشف کردند که این خطوط رگ های خونی هستند. خطوط سایه‌مانند به دلیل وجود هموگلوبین بدون اکسیژن (پروتئینی که اکسیژن را به سلول های سراسر بدن منتقل می کند) شکل گرفته است. هموگلوبین اکسیژن دار و بدون اکسیژن دارای خواص مغناطیسی متفاوتی هستند و افت خون اکسیژنه منجر به کاهش سیگنال MRI در جایی که رگ ها یافت شدند، شد.
محققان پیشنهاد کردند که این سیگنال وابسته به سطح اکسیژن خون (BOLD) می تواند برای اندازه گیری فعالیت مغز مورد استفاده قرار گیرد.
چند سال بعد، سه گروه – از جمله اوگاوا و همکارانش – به طور مستقل نشان دادند که BOLD می تواند فعال شدن مغز انسان را در اسکنرهای MRI تشخیص دهد، و این روش را محققان اکنون fMRI می نامند.
مزیت fMRI نسبت به سایر تکنیک های تصویربرداری از مغز
این یک مزیت آشکار نسبت به سایر تکنیک های تصویربرداری عصبی بود. اگرچه الکتروانسفالوگرافی (EEG) که فعالیت الکتریکی مغز را اندازه‌گیری می‌کند و مگنتوانسفالوگرافی (MEG) که میدان‌های مغناطیسی تولید شده توسط فعالیت عصبی را ثبت می‌کند، داده‌ها را بسیار سریعتر از fMRI جمع‌آوری می‌کند (یعنی در مقیاس زمانی میلی‌ثانیه و نه ثانیه) اما fMRI در تعیین دقیق محل فعالیت مغز بهتر است. و برای انجام fMRI برخلاف توموگرافی گسیل پوزیترون یا PET، نیازی به تزریق مواد رادیواکتیو به جریان خون نیست.
MRI قبلاً یک ابزار محبوب برای ایجاد تصاویر تشریحی دقیق در پزشکی بود و اسکنرهای MRI در بیمارستان‌های سراسر جهان در دسترس بودند. fMRI را می توان به سادگی با استفاده از افزودن نرم افزار جدید به این ماشین های موجود انجام داد. حالا محققین سالانه بیش از ۱۰۰۰۰ مقاله دانشگاهی با موضوع fMRI منتشر میکنند.
با این حال، fMRI محدودیت هایی نیز دارد…
یکی این است که مستقیماً فعالیت مغز را اندازه گیری نمی کند. ممکن است چند ثانیه طول بکشد تا تغییرات اکسیژن رسانی خون رخ دهد، در حالی که نورون ها در مقیاس های زمانی میلی ثانیه ای شلیک می کنند. این سوال نیز مطرح است که دقیقاً چگونه فعالیت عصبی منجر به تغییرات در سطح اکسیژن خون می شود و آیا رابطه بین فعالیت عصبی و اکسیژن رسانی خون در سراسر مغز یکسان است.
fMRI همچنین برای تصویربرداری از بیماری‌هایی که در آن جریان خون تحت تأثیر قرار می‌گیرد، مانند بیماری‌های قلبی عروقی یا بیماری آلزایمر، تلاش می‌کند. از آنجایی که fMRI مبتنی بر BOLD تغییرات جریان خون را اندازه گیری می کند، نمی تواند یک ناهنجاری عروقی را از یک ناهنجاری عصبی تشخیص دهد.
برخی از محققان در جستجوی راه‌های جایگزین برای اندازه‌گیری عملکرد مغز – و به‌ویژه، تشخیص مستقیم فعالیت‌های عصبی هستند.
در یکی از این روش‌ها، تصویربرداری جریان عصبی، میدان‌های الکترومغناطیسی تولید شده توسط فعالیت الکتریکی نورون‌ها را اندازه‌گیری می‌کند، مشابه آنچه EEG یا MEG می‌توانند انجام دهند. بروس روزن، فیزیکدان و رادیولوژیست در دانشکده پزشکی هاروارد در بوستون، می گوید که میدان های تولید شده بسیار کوچکتر از میدان های ایجاد شده توسط اثر BOLD هستند و تشخیص آنها با استفاده از MRI دشوار است. محققان نشان داده‌اند که این رویکرد از نظر تئوری امکان‌پذیر است.
ردیابی تغییرات عصبی با بررسی تغییرات مورفولوژیکی
محققان همچنین سعی کرده اند عملکرد نورون ها را با ردیابی تغییرات فیزیولوژیکی تشخیص دهند. هنگامی که نورون ها ورودی از سایر نورون های فعال شده دریافت می کنند، به طور موقت متورم می شوند. این را می توان با استفاده از MRI انتشاری، تکنیکی که حرکت مولکول های آب را اندازه گیری می کند، تشخیص داد. دنیس لو بیهان، عصب شناس و فیزیکدان در NeuroSpin، یک موسسه تحقیقاتی در پاریس با هدف توسعه MRI، می گوید که اگرچه مکانیسم دقیقی که MRI انتشاری از طریق آن تغییرات در تورم عصبی را تشخیص می دهد یک سوال باز باقی می ماند، یک توضیح بالقوه این است که تورم سلولی چگونه تغییر می کند. مولکول های آب در اطراف غشاهای عصبی سازماندهی می شوند.
MRI انتشاری، که Le Bihan در دهه ۱۹۸۰ توسعه داد، در این کلینیک برای تشخیص سکته مغزی و سایر بیماری های مغزی استفاده می شود. همچنین پایه ای برای تصویربرداری تانسور انتشاری است که محققان از آن برای ترسیم سازماندهی ماده سفید در مغز استفاده می کنند. اما توانایی تشخیص عملکرد عصبی با این روش، موسوم به fMRI انتشاری – که لو بیهان و همکارانش برای اولین بار در سال‌های ۲۰۰۰ گزارش کردند، با شک و تردید مواجه شده است. محققان این سوال را مطرح کرده‌اند که آیا fMRI انتشاری تغییرات مورفولوژیکی را که با شلیک نورون‌ها رخ می‌دهد شناسایی می‌کند یا اینکه صرفاً تغییرات در جریان خون را تشخیص می‌دهد.
لی بیهان و دیگران برای متقاعد کردن جامعه تصویربرداری عصبی تلاش کرده‌اند که ثابت کنند fMRI انتشاری واقعاً می‌تواند تورم سلولی مرتبط با فعالیت عصبی را تشخیص دهد. به عنوان مثال، شمش می‌گوید که کار گروهش در چند سال گذشته شواهد روشنی بر این امر ارائه می‌دهد. او توضیح می‌دهد: “ما سیگنال‌هایی را دیدیم که خیلی سریع هستند و نمی‌توانند با جریان خون مرتبط باشند و با اندازه‌گیری‌های تغییرات مورفولوژیکی فعالیت همخوانی دارند.”
با این حال، تکنیک fMRI انتشاری هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است…
fMRI انتشاری سیگنال ضعیف تری نسبت به fMRI مبتنی بر BOLD تولید می کند. همچنین نیاز است دانشمندان برای انجام آن نحوه استفاده از نرم افزارهای جدید را بیاموزند. کیلهولز می‌گوید مهم‌تر از آن، محققان هنوز در مورد کاربرد fMRI انتشاری متقاعد نشده‌اند. او می گوید نشان دادن این که این روش نتایج متفاوتی را در بیماران مبتلا به بیماری هایی مانند آلزایمر ایجاد می کند است که می تواند منجر به پذیرش آن شود.
کیلهولز می‌گوید fMRI انتشاری را امیدوارکننده‌ترین روش برای تشخیص مستقیم فعالیت‌های عصبی می‌دانست – تا زمانی که روش پارک از کره جنوبی به وجود آمد.
رویکرد جدیدی که دانشمندان را امیدوار ساخته است…
همانطور که پارک توضیح می دهد، پیشینه فنی رویکرد او به سال ۲۰۱۴ برمی گردد. بلافاصله پس از پیوستن او به دانشگاه سونگ کیونکوان در سئول، وقتی با مقاله ای از موسسه ملی اختلالات عصبی و سکته مغزی در بتسدا مواجه شد که روشی منحصر به فرد را گزارش می کرد. این روش پژوهشگران را قادر ساخت تا داده هایی را با وضوح ۴۰ تا ۵۰ میلی ثانیه جمع آوری کنند – بسیار سریعتر از fMRI معمولی – و آنها از آن برای مطالعه فعالیت عصبی در لایه های قشری خاص مغز موش استفاده کردند. پارک با خود فکر کرد ممکن است بتواند این روش را برای وضوح زمانی بیشتر، تا سرعتی که شلیک عصبی رخ می‌دهد، بهبود دهد.
تغییراتی که او در نرم افزار تصویربرداری اعمال کرد منجر به افزایش وضوح زمانی به ۵ میلی ثانیه شد.
به گفته ین یو شی، محقق تصویربرداری عصبی در دانشکده پزشکی دانشگاه کارولینای شمالی در چپل هیل، این روش که DIANA نام دارد می تواند نشان دهنده پیشرفت در وضوح زمانی در fMRI باشد. شی می‌گوید: «اگرچه قبل از اینکه این روش به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد، کار بیشتری باید رویش انجام شود، حتی نشان دادن این که این امکان وجود دارد کمک بزرگی به این زمینه است.»
با این حال، کارشناسان هشدار می دهند که هنوز خیلی زود است که مشخص شود این تکنیک چقدر مفید خواهد بود.
اول، محدودیت‌های خاصی وجود دارد. سیگنالی که DIANA تولید می کند نسبت به fMRI مبتنی بر BOLD کوچک است، به این معنی که تشخیص آن دشوار است. این تکنیک همچنین به حرکت بسیار حساس است – حیوانات در مطالعه پارک بیهوش شدند – و نیاز دارد که محرک دقیقاً با جمع‌آوری داده‌ها هماهنگ شود. این می تواند کاربردهای این روش را به فرآیندهایی مانند بینایی، شنوایی یا لمس محدود کند، که در آن امکان ارائه محرک در فواصل منظم وجود دارد. ممکن است سنجش عملکردهای شناختی سطح بالاتر، مانند حافظه با این روش دشوارتر باشد.
همچنین این سوال وجود دارد که محققان با DIANA چه چیزی را شناسایی می کنند. پارک و همکارانش پیشنهاد میکنند که تغییراتی را در مولکول‌های آب روی سطح نورون‌ها مشاهده میکنند. پارک می گوید که تغییرات در پتانسیل غشاء (غلظت یون های باردار در دو طرف غشای سلولی) هیدراتاسیون سطح سلول را تغییر می دهد. یک اسکنر MRI که تغییرات مولکول های آب را حس می کند، ممکن است بتواند این تفاوت را تشخیص دهد.
احتمال دیگر تورم سلولی است که امآرآی انتشاری نیز می‌تواند آن را تشخیص دهد. هر دو اثر ممکن است رخ دهد، زیرا تورم سلولی ممکن است به لایه آب در اطراف غشای سلولی مربوط باشد.
پیشرفت‌های فنی می‌تواند از نظر تئوری این مشکلات را حل کند…
اما بزرگترین سوال در حال حاضر این است که آیا گروه‌های دیگر می‌توانند نتایج پارک را به طور مستقل تکرار کنند یا خیر.
پارک می‌گوید که او و تیمش اکنون در حال کار برای بهینه‌سازی جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها و پیاده‌سازی DIANA fMRI در انسان هستند.
تلاش برای بهبود روش fMRI مبتنی بر BOLD
در این میان، محققان همچنین راه‌هایی برای بهبود fMRI بدون رها کردن جفت‌های عصبی عروقی ابداع کرده‌اند.
یک پیشرفت کلیدی به سخت افزار مربوط می شود. آهنرباهای قوی تر به این معنی است که محققان می توانند داده های بهتری را جمع آوری کنند، زیرا نسبت سیگنال به نویز را کاهش می دهند و امکان به دست آوردن تصاویر با وضوح مکانی و زمانی بالاتر را می دهند. برخی از اولین مطالعات fMRI انسانی با استفاده از آهنرباهایی با قدرت میدان ۱.۵ تسلا، حدود ۳۰۰۰۰ برابر قوی تر از میدان مغناطیسی زمین انجام شد. اکنون دانشمندان از آهنرباهایی با قدرت ۱۰.۵ تسلا در مطالعات تصویربرداری عصبی انسان استفاده کرده اند و آهنرباهای قدرتمندتری در حال ساخت هستند. در ماه فوریه، کنسرسیومی از موسسات تحقیقاتی در هلند اعلام کردند که قوی‌ترین اسکنر امآرآی انسان تا کنون را می‌سازند، دستگاهی با قدرت میدان مغناطیسی ۱۴ تسلا.
بهبود روش های مشاهده جریان خون در مغز
محققان همچنین روش های مشاهده جریان خون در مغز را تغییر داده اند. از آنجایی که BOLD به تغییرات در سطح اکسیژن خون بستگی دارد، به جریان خون از طریق سیاهرگ‌های بزرگ حساس‌تر است (نسبت به مویرگ ها)، که خون بدون اکسیژن را از محل‌هایی که در آن فعالیت مغز رخ داده است تخلیه می‌کند. زمانی که محققان می‌خواهند مغز را با جزئیات دقیق‌تر بررسی کنند، این موضوع به مشکل تبدیل می‌شود. برای دور زدن این مشکل، محققان تکنیک هایی مانند اشغال فضای عروقی را توسعه دادند که تغییرات حجم خون را به جای اکسیژن رسانی خون اندازه گیری می کند. چنین ابزارهایی به دانشمندان علوم اعصاب این امکان را داده است تا وضوح فضایی بهتری نسبت به BOLD fMRI استاندارد به دست آورند، و این امکان را فراهم می کند که به تفاوت های فعالیت عصبی در لایه های مختلف قشر مغز نگاه کنند.
پیشرفت‌های دیگر شامل به‌روزرسانی تکنیک‌های جمع‌آوری داده‌ها و استفاده از یادگیری ماشین برای بهبود بازسازی تصویر است.
برخی از دانشمندان در حال کار بر روی توسعه درک خود از سیگنال BOLD هستند. با گذشت ۳۰ سال، سؤالات زیادی در مورد تصویربرداری مبتنی بر BOLD باقی مانده است، مانند اینکه آیا جفت‌شدن عصبی عروقی به یک شکل در سراسر مناطق مغز اتفاق می‌افتد؟ و چگونه سیگنال همودینامیک تحت تأثیر فعالیت انواع مختلف سلول ها یا مولکول‌ها مانند انتقال‌دهنده‌های عصبی قرار می‌گیرد؟
آنا دوور، مهندس زیست پزشکی در دانشگاه بوستون در ماساچوست، و همکارانش در حال بررسی چگونگی ارتباط تغییرات در جریان خون با نوسانات انتقال دهنده های عصبی هستند. دوور می‌گوید: «امروزه اگر به نقشه‌های fMRI نگاه کنید، می‌بینید که فعالیت در کجا انجام می‌شود، اما نمی‌دانید فعالیت چیست. ما در تلاشیم تا بفهمیم این الگوهای همودینامیک چگونه با مدارهای عصبی خاص مرتبط هستند.»
دانشمندان می گویند ما همیشه به دنبال چیزی هستیم که بهتر از BOLD کار کند. اما BOLD برای بسیاری از سوالات علوم اعصاب به طرز شگفت انگیزی قوی بوده است. به هر حال هنوز شگفتی‌ها و اکتشافات بیشتری در انتظار ماست.
