Informatie

Opnamebeleid in functionele magnetische resonantiebeeldvorming

Opnamebeleid in functionele magnetische resonantiebeeldvorming


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Neem aan dat de gebieden in de hersenen van een enkele proefpersoon die betrokken zijn bij het oplossen van een taak, met fMRI worden gevisualiseerd. De dynamiek van het taakoplossende proces doet er niet toe (welke gebieden zijn eerst actief, welke tweede?).

Hoe, d.w.z. volgens welk beleid, worden de gegevens verzameld om het uiteindelijke beeld te geven?

Ik meen te hebben begrepen dat gegevens worden verzameld per schijfje (van enkele millimeters dik) en later nabewerkt om het uiteindelijke beeld te geven.

Laat voor de zekerheid $T$ de totale tijd zijn die nodig is om de taak te voltooien (bijvoorbeeld 10 seconden). Laat $t$ de tijd zijn die nodig is om tegelijkertijd de BOLD-gegevens van één plak te nemen (bijvoorbeeld 100 milliseconden). Laat $N$ het aantal op te nemen plakken zijn (bijvoorbeeld 20). Laat $n$ het minimale aantal opnames zijn van één plak dat nodig is voor statistische analyse ($n=?$). Er zijn dus $N n$ opnames van slices nodig die $N n t$ milliseconden duren, als er maar één slice tegelijk opgenomen zou kunnen worden. Als $T$ te kort is, zou het experiment $N n t/T$ keer moeten worden herhaald om alle vereiste $N n$ slice-opnames te krijgen.

Als $m$ segmenten tegelijkertijd zouden kunnen worden geregistreerd, zou een enkele run van het experiment voldoende zijn, wanneer $m > N n t/T$.

In ieder geval: in welke volgorde worden de op te nemen coupes gekozen (voor het geval ze niet allemaal tegelijk kunnen worden opgenomen)?

Mogelijk beleid:

  1. altijd van boven naar beneden (langs de z-as) in de tijd $T$?

  2. in een bepaalde tijd herhaaldelijk van boven naar beneden $T'=T/k < T$?

  3. afwisselend top-bottom en bottom-up in herhaalde experimenten?

  4. in willekeurige volgorde?

  5. in een volgorde op basis van kennis van de stadia van de taak (wanneer verschillende segmenten voornamelijk actief zijn op verschillende tijdstippen tijdens de taak)

Of is mijn beeld van het opnameproces te naïef? Of is de vraag op de een of andere manier zinloos (om redenen die ik niet zie, maar waar ik graag meer over zou willen weten)?


Als ik het me goed herinner, wordt in BOLD fMRI meestal een echo-planar imaging (EPI) -sequentie gebruikt. In een voorbeeld:

Er werden 44 coupes genomen, elke 3 seconden, 96 keer achter elkaar, wat leidde tot een totaal aantal van 4.224 beelden die werden verkregen in 4 minuten en 48 seconden.

- https://www.imagilys.com/functional-MRI-fMRI/

U kunt hier meer lezen over EPI. Ik denk dat je het zigzagpatroon in deze link interessant zult vinden. Zie ook deze link voor een beschrijving van EPI.

fMRI is traag en heeft een lage temporele resolutie, omdat de hemodynamische respons van het bloed ongeveer 6 seconden duurt. Dit is misschien een beperkende factor voor fMRI, daarom is er een grens aan het optimaliseren van de sequenties. Een echte impact van snellere sequenties is echter om artefacten van hoofdbewegingen nauwkeuriger vast te leggen. Andere sequenties worden gebruikt in anatomische MR-beeldvorming, zoals FLAIR.


Functionele neuroimaging

Functionele neuroimaging is het gebruik van neuroimaging-technologie om een ​​aspect van de hersenfunctie te meten, vaak met het oog op het begrijpen van de relatie tussen activiteit in bepaalde hersengebieden en specifieke mentale functies. Het wordt voornamelijk gebruikt als onderzoeksinstrument in cognitieve neurowetenschappen, cognitieve psychologie, neuropsychologie en sociale neurowetenschappen.


Karakterisering van functionele magnetische resonantiebeeldvorming van CCK-4-geïnduceerde paniekaanval en daaropvolgende anticiperende angst

Het belangrijkste doel van dit werk was het bestuderen van de functionele markers van de klinische respons op cholecystokininetetrapeptide (CCK-4). Twaalf gezonde mannelijke proefpersonen werden uitgedaagd met CCK-4 en ondergingen gelijktijdig functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) opname. Omdat anticiperende angst (AA) een intrinsiek onderdeel is van paniekstoornis, is een gedragsparadigma ontwikkeld, waarbij wordt gedreigd met het toedienen van een tweede injectie met CCK-4, om geïnduceerde AA te onderzoeken. Het onderzoek bestond uit drie fMRI-scans volgens een open design. Tijdens de eerste en tweede scan werden proefpersonen respectievelijk placebo en CCK-4 geïnjecteerd. De derde scan was de AA-uitdaging. Toediening van CCK-4 induceerde fysiologische en psychologische symptomen van angst die voldeden aan de criteria voor een paniekaanval bij 8 proefpersonen, evenals cerebrale activering in angstgerelateerde hersengebieden. De klinische en fysiologische responsintensiteit was consistent met de mate en robuustheid van de cerebrale activiteit. fMRI bleek gevoeliger dan klinische beoordeling bij het aantonen van de effecten van de AA-uitdaging. De laatste induceerde hersenactivatie, anders dan die verkregen op CCK-4 en tijdens placebo-injectie, die waarschijnlijk verband hield met angst. De in dit onderzoek toegepaste methode is geschikt voor het onderzoek naar angst met behulp van fMRI.


Wetenschappers zeggen: MRI

Dit is een magnetische resonantie afbeelding van de binnenkant van iemands hoofd. MRI kan de hersenen in prachtig detail laten zien.

Deel dit:

MRI (Magnetic Resonance Imaging) (zelfstandig naamwoord, "Mag-NEH-tik rez-uh-nunce IM-udj-ing")

Dit is een techniek die wetenschappers gebruiken om zeer gedetailleerde kaarten van het lichaam te maken.

Je lichaam zit vol met water. Elk molecuul ervan is gemaakt van één zuurstof atoom en twee waterstofatomen. Waterstof heeft er maar één proton, en dat proton heeft een positieve lading. MRI past een sterk magnetisch veld toe op de protonen van die waterstofatomen. Hierdoor draaien de protonen van het waterstofatoom in een richting die hen op één lijn brengt met het magnetische veld. Vervolgens past de beeldvormingsmachine een radiogolf toe in een loodrecht veld - één 90 graden van het eerste veld. Hierdoor kantelen de waterstofatomen opzij. Wanneer het tweede veld wordt verwijderd, kantelen de protonen terug in lijn met het eerste sterke veld. Als ze achterover kantelen, laten ze ook energie vrij. De MRI-machine kan deze energie meten om te bepalen in welk type weefsel de watermoleculen zich bevinden, van hersenen tot lever tot bot. Dankzij de gevoeligheid van MRI kunnen wetenschappers zeer specifieke kaarten van het menselijk lichaam maken.

Opvoeders en ouders, meld je aan voor de spiekbrief

Wekelijkse updates om u te helpen bij het gebruik Wetenschapsnieuws voor studenten in de leeromgeving

Er is ook een soort MRI genaamd functioneel MRI of fMRI. Artsen gebruiken het vaak om de hersenen te bestuderen. Wanneer een deel van je hersenen erg actief is, zal er meer bloed stromen om het van brandstof te voorzien. Het binnenkomende bloed bevat zuurstof. Meer bloed dat een deel van de hersenen binnenstroomt, zendt andere signalen uit dan weefsel dat een normale bloedstroom ontvangt. Een MRI-machine kan dat verschil detecteren en in kaart brengen waar het zich bevindt. Wetenschappers kunnen hetzelfde hersengebied vergelijken wanneer een persoon niets doet, en opnieuw wanneer de persoon een taak uitvoert, om te zien hoe de bloedstroom - en activiteit - in dat hersengebied verandert.

In een zin

MRI kan voor veel dingen worden gebruikt, van het bestuderen van het ouder wordende brein tot het uitzoeken hoe knokkels kraken.

Krachtwoorden

(klik hier voor meer over Power Words)

hersenscan Het gebruik van een beeldvormingstechnologie, meestal met behulp van röntgenstralen of een magnetische resonantie beeldvorming (of MRI) machine, om structuren in de hersenen te bekijken. Met MRI-technologie - vooral het type dat bekend staat als functionele MRI (of fMRI) - kan de activiteit van verschillende hersengebieden worden bekeken tijdens een evenement, zoals het bekijken van afbeeldingen, het berekenen van sommen of het luisteren naar muziek.

fMRI (functionele magnetische resonantie beeldvorming) Een speciaal type machine dat wordt gebruikt om hersenactiviteit te bestuderen. Het maakt gebruik van een sterk magnetisch veld om de bloedstroom in de hersenen te controleren. Door de beweging van bloed te volgen, kunnen onderzoekers zien welke hersengebieden actief zijn. (Zie ook, MRI of magnetische resonantie beeldvorming)

magneet Een materiaal dat meestal ijzer bevat en waarvan de atomen zo zijn gerangschikt dat ze bepaalde metalen aantrekken.

magnetisch veld Een invloedsgebied gecreëerd door bepaalde materialen, magneten genaamd, of door de beweging van elektrische ladingen.

magnetische resonantie beeldvorming (MRI) Een beeldvormende techniek om zachte inwendige organen in beeld te brengen, zoals de hersenen, spieren, het hart en kankergezwellen. MRI gebruikt sterke magnetische velden om de activiteit van individuele atomen vast te leggen.

molecuul Een elektrisch neutrale groep atomen die de kleinst mogelijke hoeveelheid van een chemische verbinding vertegenwoordigt. Moleculen kunnen worden gemaakt van enkele soorten atomen of van verschillende typen. De zuurstof in de lucht is bijvoorbeeld gemaakt van twee zuurstofatomen (O2), maar water is gemaakt van twee waterstofatomen en één zuurstofatoom (H2O).

Radio golven Golven in een deel van het elektromagnetische spectrum ze zijn een type dat mensen nu gebruiken voor communicatie over lange afstand. Langer dan de golven van zichtbaar licht, worden radiogolven gebruikt om radio- en televisiesignalen uit te zenden. Het wordt ook gebruikt in radar.

Over Bethany Brookshire

Bethany Brookshire was een lange tijd stafschrijver bij Wetenschapsnieuws voor studenten. Ze heeft een Ph.D. in fysiologie en farmacologie en schrijft graag over neurowetenschappen, biologie, klimaat en meer. Ze denkt dat Porgs een invasieve soort is.

Klaslokaalbronnen voor dit artikel Meer informatie

Voor dit artikel zijn gratis bronnen voor docenten beschikbaar. Registreer om toegang te krijgen:


Integratie kan een spatiotemporele momentopname van de hersenen opleveren

Cleveland Clinic is een academisch medisch centrum zonder winstoogmerk. Adverteren op onze site helpt onze missie te ondersteunen. We onderschrijven geen producten of diensten die niet van Cleveland Clinic zijn

Het gebruik van hoofdhuidelektro-encefalografie (EEG) gelijktijdig met functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) maakt het mogelijk elektrische hersenactiviteit te meten in correlatie met de hemodynamische respons in de hersenen. Deze niet-invasieve multimodale neuroimaging-techniek, bekend als EEG-gecorreleerde fMRI, of kortweg EEG/fMRI, wordt gebruikt in het epilepsiecentrum van Cleveland Clinic in een poging om de pathofysiologische mechanismen en patronen van epileptische activiteiten beter te begrijpen, met name de generatoren van interictale ontladingen (spikes) .

Cleveland Clinic is een van de weinige klinische centra in de Verenigde Staten die gebruik maken van EEG/fMRI, dat momenteel dient als onderzoeksinstrument bij de studie van hersengebieden die betrokken zijn op het moment van epileptische activiteit.

Uiteindelijk kan EEG/fMRI klinisch waardevol worden als een multimodaal hulpmiddel voor het evalueren van personen met epilepsie, inclusief patiënten bij wie de aanvallen moeilijk onder controle te houden zijn met medicijnen en bij wie het identificeren van de aanvalsfocus een uitdaging is. Het lokaliseren van de hersengebieden die veranderingen in neuronale activiteit vertonen tijdens interictale pieken door het gebruik van fMRI kan op een dag de evaluatie van chirurgische kandidaten verbeteren en kan helpen bij het begeleiden van chirurgische strategieën bij patiënten met refractaire aanvallen.

De software die wordt gebruikt om gelijktijdige EEG en fMRI uit te voeren, is goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration voor onderzoekstoepassingen. Cleveland Clinic bevindt zich in een unieke positie om het klinische gebruik van EEG/fMRI te valideren vanwege het grote aantal evaluaties en operaties dat het uitvoert bij patiënten met aanvallen die ongevoelig zijn voor medicijnen.

Een spatiotemporele momentopname van hersenactiviteit

Het integreren van gegevens die zijn verkregen uit EEG/fMRI kan een spatiotemporele momentopname van hersenactiviteit opleveren die niet alleen beschikbaar is via een van beide modaliteiten (zie afbeeldingen).

FIGUUR 1. Schematische illustratie van corticale activering onthuld met functionele MRI in de linker basale frontale kwab en de voorste insula. Interessegebieden worden gesuperponeerd op sagittale en axiale beelden van de structurele MRI van de patiënt. Rood geeft activering aan, groen geeft deactivering aan.

Schematische illustratie van een EEG-piek waarbij voornamelijk EEG-elektroden betrokken zijn die opnemen van de linker frontale en centrale regio's van de hersenen van de patiënt. Tijdens gelijktijdig opgenomen EEG/fMRI wordt gezocht naar correlatie tussen het tijdstip van de EEG-piek en het hersenactiveringspatroon.

Met EEG is de temporele resolutie uitstekend omdat het de elektrische activiteit in de hersenen direct meet, maar de ruimtelijke resolutie is slecht. Daarom is de nauwkeurigheid van EEG bij het lokaliseren van de neuronale bron uit metingen van spanningen op de hoofdhuid beperkt. Daarentegen is de ruimtelijke lokalisatie van hersenactiviteit veel beter met fMRI, maar de temporele resolutie is slecht. fMRI meet hersenactiviteit door bijbehorende veranderingen in de bloedstroom te detecteren. Deze verschillende profielen maken de twee technieken complementair voor het meten van de hersenfunctie.

Bij EEG/fMRI worden MRI-compatibele EEG-elektroden buiten de MRI-scanner op het hoofd van de patiënt bevestigd. Zodra de patiënt de scanner betreedt, worden deze elektroden via een glasvezelkabel aangesloten op een versterker in de MRI-suite en op een opnamecomputer buiten de scannerruimte. Deze configuratie helpt de patiëntveiligheid te waarborgen tijdens de acquisitie van het EEG/fMRI-onderzoek.

Omdat patiënten voor deze procedure in de scanner moeten worden geplaatst, is de duur van de opname beperkt tot ongeveer een uur, dus het vastleggen van activiteit tijdens een daadwerkelijke aanval is zeldzaam. Deze duur is echter meestal voldoende om verschillende interictale epileptische pieken vast te leggen en de timing van deze activiteiten vast te leggen.

De gelijktijdige verwerving van gegevens met behulp van EEG en fMRI maakt het mogelijk om de bloedzuurstofniveaus in specifieke hersengebieden te correleren met de piekactiviteit, wat bewijs levert van de oorsprong en het verspreidingspatroon van elke piek. De hemodynamische respons in de hersenen wordt het bloed-zuurstofniveau-afhankelijke (BOLD) effect genoemd. Meerdere pieken afkomstig uit hetzelfde hersengebied bieden belangrijke lokalisatie-informatie en vormen een sterke indicatie dat de epilepsie focaal is en mogelijk vatbaar is voor chirurgische therapie.

Ruwe EEG-gegevens verkregen in een 3T Siemens MRI-scanner voordat het artefact werd verwijderd. EEG-gegevens na verwijdering van artefacten die normale hersenactiviteit tonen tijdens het wakker zijn, samen met oogbewegingspotentieel, die, zoals verwacht, verdeeld zijn over de meest anterieure frontale EEG-elektroden.

Signaalartefacten opruimen

De EEG-opnameomgeving in de MRI-scanner is elektromagnetisch lawaaierig vanwege de inductieve effecten van sterk schakelende magnetische gradiëntvelden. Het verwijderen van artefacten uit de EEG-opname kan worden bereikt via verschillende methoden die software gebruiken om het signaal te filteren of op te schonen (zie afbeeldingen). De artefact-gecorrigeerde EEG-tracering wordt beoordeeld om de exacte timing van epileptische pieken te bepalen. De timing wordt vervolgens gecorreleerd aan veranderingen in het fMRI BOLD-signaal, dat de overeenkomstige hemodynamische respons meet.

Studies van focale epileptische pieken veroorzaakt door verschillende soorten hersenpathologieën hebben betrouwbare activeringen aangetoond in het fMRI BOLD-signaal binnen de verwachte locatie van de epileptogene focus. Bovendien onthullen deze studies gebieden van activering en deactivering op locaties die ver verwijderd zijn van de pathologische focus, en bieden ze zo een uniek kijkje in de onderliggende netwerken van hersenactiviteit. De betekenis van reacties op afstand in de studie van hersenconnectiviteit en pathologische epileptische netwerken is een van de problemen die actief worden onderzocht in het Epilepsiecentrum van Cleveland Clinic.

VETTE respons opgenomen tijdens een EEG/fMRI-sessie. Op het moment van interictale epileptische pieken vertoonde de linker anterior insula een prominente corticale activering (cirkel), waardoor de metabolische oorsprong van de spikes werd gelokaliseerd. De posterieure BOLD-veranderingen worden verwacht bij sommige patiënten die EEG/fMRI ondergaan en zijn niet direct gerelateerd aan de oorsprong van de epilepsie van de patiënt. EEG gelijktijdig opgenomen met de fMRI, met artefacten offline verwijderd. De piek betrof voornamelijk EEG-elektroden die werden opgenomen vanuit het linker temporale gebied van de hersenen van de patiënt, in overeenstemming met de corticale activering getoond door fMRI.

Dr. Alexopoulous is een neuroloog in het 8217 Epilepsiecentrum van Cleveland Clinic. Zijn specialismen zijn epilepsie bij volwassenen en geriatrische aandoeningen, epileptische manifestaties, medische en chirurgische behandeling van epileptische aandoeningen, klinische neurofysiologie, elektro-encefalografie (EEG), magneto-encefalografie (MEG), video-EEG, epilepsiechirurgie, multimodaliteit niet-invasieve onderzoeken bij patiënten met epilepsie, functionele MRI (fMRI), EEG/fMRI, intracraniële EEG-monitoring voor preoperatieve evaluatie, neurostimulatie, vooruitgang in niet-invasieve diagnose en behandeling van patiënten met epilepsie.

Dr. Najm is de directeur van het epilepsiecentrum. Zijn specialiteit is medische en chirurgische behandeling van epilepsie bij volwassenen en geriatrische patiënten, misvormingen van corticale dysplasie, basismechanismen van epilepsie, posttraumatische epilepsie.


MRI-scanners gebouwd voor twee push-limieten van neuroimaging

De donkere, bonzende grot van een MRI-scanner kan een eenzame plek zijn. Hoe kunnen wetenschappers die geïnteresseerd zijn in de neurale activiteit die ten grondslag ligt aan sociale interacties een betrokken, pratend brein vastleggen terwijl de eigenaar zo geïsoleerd is? Twee onderzoeksteams komen met een merkwaardige oplossing: twee mensen in één scanner persen.

Een dergelijke MRI-opstelling is in ontwikkeling met nieuwe financiering van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF), en een andere heeft de eerste tests ondergaan die vorige maand in een preprint zijn beschreven. Deze ontwerpen moeten nog bewijzen dat hun wetenschappelijke uitbetaling hun kosten en complexiteit rechtvaardigt, plus de vereiste dat twee mensen een vernauwde bijna-knuffel verdragen, in sommige gevallen gedurende 1 uur of langer. Maar de twee groepen hopen nieuwe manieren te openen om te bestuderen hoe hersenen subtiele sociale en emotionele signalen uitwisselen die verbonden zijn met gezichtsuitdrukkingen, oogcontact en fysieke aanraking. De tool zou "het scala aan mogelijke onderzoeken aanzienlijk kunnen uitbreiden", zegt Winrich Freiwald, een neurowetenschapper aan de Rockefeller University. "Dit is echt spannend."

Functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI), die bloedoxygenatie meet om neurale activiteit te schatten, is al een veelgebruikt hulpmiddel voor het bestuderen van sociale processen. Maar vergeleken met echte sociale interactie zijn deze experimenten "gereduceerd en kunstmatig", zegt Lauri Nummenmaa, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Turku in Finland. Deelnemers kijken vaak naar statische foto's van gezichten of luisteren naar spraakopnames terwijl ze in een scanner liggen. Maar foto's kunnen niet de subtiele stroom van emoties over de gezichten van mensen laten zien, en opnames laten geen echte conversatie toe.

Daarom hebben onderzoekers realtime ontmoetingen in de scanner gemaakt. In 2002 publiceerden neurowetenschapper Read Montague en collega's van het Baylor College of Medicine de eerste van vele onderzoeken om gelijktijdig mensen op te nemen in afzonderlijke, gekoppelde MRI-machines. De aanpak kan neurale activiteit vastleggen terwijl mensen een online game spelen of communiceren via een audio- of videofeed.

Zelfs met die benadering: "Er wordt een enorme hoeveelheid interpersoonlijke informatie uitgefilterd", zegt Ray Lee, een neurowetenschapper en MRI-fysicus aan de Columbia University. Dus in het afgelopen decennium heeft hij een fMRI-opstelling voor twee verfijnd. Het vereist een gespecialiseerd paar hoofdspoelen waarmee onderzoekers afzonderlijke signalen van twee aangrenzende hersenen kunnen lezen. Deze kooiachtige metalen spoelen omcirkelen de hoofden van de deelnemers terwijl ze op hun zij liggen met hun benen in de MRI-magneet en naar elkaar staren door een raam. In 2012, terwijl aan de Princeton University, Lee en collega's het eerste artikel over het apparaat publiceerden, waarvan hij schat dat het $ 200.000 zou kosten om aan een ander laboratorium te leveren.

Onderzoekers kunnen signalen van aangrenzende hersenen ontwarren om de actieve regio's te documenteren terwijl twee mensen oogcontact maken.

Een tweede tweepersoons fMRI-scanner, ontwikkeld door Nummenmaa en collega's in het laboratorium van neurowetenschapper Riitta Hari aan de Aalto University in Finland, gebruikt een ander type en vorm van de hoofdspoel, maar plaatst deelnemers in dezelfde bijna-knuffelhouding. (Het team probeerde een minder intieme, sfinxachtige pose: buik naar beneden, van aangezicht tot aangezicht. Maar het was "behoorlijk slecht voor de nek", merkt Hari op.)

In een bioRxiv-preprint van 10 december 2019 beschrijft het team een ​​vroege test van de technologie: het opnemen van neurale activiteit terwijl vrienden of intieme partners elkaar om de beurt op de lippen tikken. Met die taak konden de onderzoekers verifiëren dat de scanner hersenactiviteit oppikte die overeenkomt met zowel de aanraking van de tikken als de aanblik van de tikkende vinger - samen met het geluid van opgenomen instructies.

Lee's eerste onderzoeksvragen zijn ook relatief eenvoudig: hoe verschilt hersenactiviteit in de gedeelde scanner van activiteit tijdens een externe videoverbinding? Welke hersennetwerken lichten op als mensen oogcontact maken? Hij analyseert nog steeds gegevens en dient publicaties in van zijn opstelling uit 2012, maar in de herfst van 2019 ontving zijn team bijna $ 1 miljoen van NSF om een ​​spoel met verbeterde signaalkwaliteit te ontwerpen en meer hersenen te scannen.

"Als Ray dit systeem kan laten werken... heeft hij veel ruimte om te groeien", zegt Ellen Carpenter, een neurowetenschapper en programmadirecteur bij NSF. Toekomstige studies zouden bijvoorbeeld de hersenen kunnen observeren terwijl ze sociale signalen opvangen en beslissen wanneer en hoe empathie over te brengen op een scannerpartner, zegt ze.

Natuurlijk kunnen onderzoekers socialiserende hersenen al observeren door ze één voor één in beeld te brengen. Een persoon die wordt gescand, kan praten met of zelfs een persoon aanraken die zich direct buiten de scanner bevindt. "Heb je er echt iets aan om in realtime te observeren hoe de activiteit in de twee hersenen verandert?" Freiwald vraagt ​​zich af. Een probleem is dat fMRI traag is. De veranderingen in bloedzuurstof die het meet, vinden plaats op de schaal van seconden, wat betekent dat in sommige gevallen de precieze relatie tussen de timing van neurale vuren in de twee hersenen de scanner zou kunnen ontgaan.

Anderen zeggen dat de gezellige MRI-opstelling zelf het onderzoek zou kunnen beperken. "Dit is meer dan van aangezicht tot aangezicht", zegt Uri Hasson, een neurowetenschapper bij Princeton. "Je ligt naast heel bepaalde mensen in je leven." Bij andere mensen kan de ervaring bedreigend aanvoelen. “Heb je ooit voor een vreemde gestaan, op 15 centimeter van hun neus? Waarschijnlijk niet expres”, zegt Montague, nu verbonden aan het Virginia Polytechnic Institute en de State University. "Ik weet niet waar het heen gaat", zegt hij over de aanpak. "Aan de andere kant ben ik een groot voorstander van de afvallige buitenbeentje die [doet] wat ze willen doen."

Ondanks hun beperkingen, denkt Lee dat MRI-scanners voor twee personen aspecten van socialiserende hersenen zullen vastleggen die lang over het hoofd werden gezien door neuroimaging. Hij is van plan om te kijken naar verschillen in de hersendynamiek van kinderen met en zonder autisme wanneer ze oogcontact maken en interactie hebben met een ouder in de scanner. Hij verwacht dat zijn eerste proefpersonen dit najaar samen in de magneet zullen schuiven.


Faciliteiten en mogelijkheden

Het centrum beschikt over de unieke mogelijkheid om tegelijkertijd functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) vast te leggen, elektrische hersenactiviteit vast te leggen en oogbewegingen te volgen. Deze combinatie van hersenbeeldvorming en cognitieve beoordelingsapparatuur zou baanbrekende bevindingen kunnen opleveren over de invloed van de hersenfunctie op gedrag en prestaties.


Opnamebeleid in functionele magnetische resonantiebeeldvorming - Biologie

EEG, PET, MRI en fMRI scannen de hersenen via verschillende methoden en hebben verschillende gradaties van specificiteit en invasiviteit.

Leerdoelen

Vergelijk de methoden die onderzoekers kunnen gebruiken om de hersenen in beeld te brengen

Belangrijkste leerpunten

Belangrijkste punten

  • Neuroimaging, of hersenscanning, omvat het gebruik van verschillende technieken om direct of indirect de structuur, functie of farmacologie van de hersenen in beeld te brengen.
  • Neuroimaging valt uiteen in twee brede categorieën: structurele beeldvorming en functionele beeldvorming.
  • Elektro-encefalografie (EEG) wordt gebruikt om hersenactiviteit aan te tonen onder bepaalde psychologische toestanden, zoals alertheid of slaperigheid.
  • Positronemissietomografie (PET)-scans tonen hersenprocessen door de suikerglucose in de hersenen te gebruiken om te illustreren waar neuronen vuren.
  • Magnetische resonantie beeldvorming (MRI) scans gebruiken echogolven om onderscheid te maken tussen grijze stof, witte stof en hersenvocht.
  • Functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI)-scans zijn een reeks MRI's die de hersenfunctie meten via een computercombinatie van meerdere beelden die minder dan een seconde uit elkaar zijn genomen.

Sleutelbegrippen

  • geleidbaarheid: Het vermogen van een materiaal om elektriciteit, warmte, vloeistof of geluid te geleiden.
  • magnetisch veld: Een toestand in de ruimte rond een magneet of elektrische stroom waarbij een detecteerbare magnetische kracht aanwezig is en er twee magnetische polen aanwezig zijn.

Neuroimaging, of hersenscanning, omvat het gebruik van verschillende technieken om direct of indirect de structuur, functie of farmacologie van de hersenen in beeld te brengen. Het is een relatief nieuwe discipline binnen de geneeskunde, neurowetenschappen en psychologie. Artsen die gespecialiseerd zijn in de uitvoering en interpretatie van neuroimaging in de klinische setting staan ​​bekend als neuroradiologen.

Neuroimaging valt uiteen in twee brede categorieën:

  1. Structurele beeldvorming, die zich bezighoudt met de structuur van de hersenen en de diagnose van grootschalige intracraniële ziekte (zoals een tumor), evenals letsel.
  2. Functionele beeldvorming, die wordt gebruikt om metabole ziekten en laesies op een fijnere schaal te diagnosticeren (zoals de ziekte van Alzheimer), en ook voor neurologisch en cognitief-psychologisch onderzoek. Met functionele beeldvorming kan de informatieverwerking van de hersenen direct worden gevisualiseerd, omdat activiteit in het betrokken gebied van de hersenen het metabolisme verhoogt en 'licht op' op de scan.

Vier van de meest voorkomende soorten hersenscans zijn EEG, PET, MRI en fMRI.

Elektro-encefalografie (EEG)

Elektro-encefalografie (EEG) wordt gebruikt om hersenactiviteit aan te tonen in bepaalde psychologische toestanden, zoals alertheid of slaperigheid. Het is nuttig bij de diagnose van epileptische aanvallen en andere medische problemen die gepaard gaan met een overvloed of gebrek aan activiteit in bepaalde delen van de hersenen.

Ter voorbereiding op een EEG worden elektroden op het gezicht en de hoofdhuid geplaatst. Nadat elke elektrode in de juiste positie is geplaatst, kan de elektrische potentiaal van elke elektrode worden gemeten. Afhankelijk van de toestand van een persoon (waken, slapen, enz.), verschillen zowel de frequentie als de vorm van het EEG-signaal. Patiënten die lijden aan epilepsie vertonen een toename van de amplitude van het vuren die zichtbaar is op het EEG-record. Het nadeel van EEG is dat de elektrische geleidbaarheid - en dus de gemeten elektrische potentialen - van persoon tot persoon en ook in de loop van de tijd sterk kan variëren, vanwege de natuurlijke geleidbaarheid van andere weefsels zoals hersenmaterie, bloed en botten. Hierdoor is het soms onduidelijk welk deel van de hersenen precies een signaal afgeeft.

EEG-opname: Ter voorbereiding op een EEG worden elektroden op het gezicht en de hoofdhuid geplaatst.

Positronemissietomografie (PET)

Positronemissietomografie (PET)-scans meten de niveaus van de suikerglucose in de hersenen om te illustreren waar neurale vuren plaatsvinden. Dit werkt omdat actieve neuronen glucose als brandstof gebruiken. Als onderdeel van de scan wordt een aan radioactieve isotopen gehechte tracerstof in het bloed geïnjecteerd. Wanneer delen van de hersenen actief worden, wordt bloed (dat de tracer bevat) gestuurd om zuurstof af te geven. Hierdoor ontstaan ​​zichtbare vlekken, die vervolgens door detectoren worden opgepikt en worden gebruikt om een ​​videobeeld van de hersenen te maken tijdens het uitvoeren van een bepaalde taak. Met PET-scans kunnen we echter alleen gegeneraliseerde gebieden van hersenactiviteit lokaliseren en geen specifieke locaties. Bovendien zijn PET-scans kostbaar en invasief, waardoor het gebruik ervan beperkt is. Ze kunnen echter worden gebruikt bij sommige vormen van medische diagnose, waaronder voor de ziekte van Alzheimer.

PET-scanner: Dit is een weergave van de PET-scanner van buitenaf de stralingsdetectoren zitten onder het afdekpaneel.

Magnetische resonantie beeldvorming (MRI)

Magnetische resonantie beeldvorming (MRI) en functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) scans zijn de vorm van neurale beeldvorming die het meest direct bruikbaar is op het gebied van psychologie.

Een MRI gebruikt sterke magnetische velden om draaiende atoomkernen (meestal waterstofprotonen) in lichaamsweefsels uit te lijnen, verstoort vervolgens de rotatie-as van deze kernen en observeert het radiofrequentiesignaal dat wordt gegenereerd wanneer de kernen terugkeren naar hun basislijnstatus. Door dit proces creëert een MRI een beeld van de hersenstructuur. MRI-scans zijn niet-invasief, vormen weinig gezondheidsrisico's en kunnen worden gebruikt bij zuigelingen en in utero, waardoor een consistente beeldvormingsmodus over het gehele ontwikkelingsspectrum wordt geboden. Een nadeel is dat de patiënt gedurende lange tijd stil moet blijven zitten in een lawaaierige, krappe ruimte terwijl de beeldvorming wordt uitgevoerd.

MRI van de hersenen: MRI-hersenscan (in het axiale vlak - dat wil zeggen, van voor naar achter en van links naar rechts door het hoofd) met rechtsonder een hersentumor.

De fMRI is een reeks MRI's die zowel de structuur als de functionele activiteit van de hersenen meet door computeraanpassing van meerdere afbeeldingen. In het bijzonder meet de fMRI signaalveranderingen in de hersenen die het gevolg zijn van veranderende neurale activiteit. In een fMRI kan een patiënt mentale taken uitvoeren en kan het actiegebied worden gedetecteerd door de bloedstroom van het ene deel van de hersenen naar het andere door foto's te maken die minder dan een seconde uit elkaar liggen en te laten zien waar de hersenen 'oplichten'. Wanneer een persoon bijvoorbeeld visuele informatie verwerkt, stroomt het bloed naar de achterkant van de hersenen, waar de achterhoofdskwab zich bevindt. FMRI's maken het mogelijk om te laten zien wanneer dingen gebeuren, hoe hersengebieden veranderen door ervaring en welke hersengebieden samenwerken. Ze zijn gebruikt om een ​​breed scala aan psychologische verschijnselen te bestuderen, waaronder (maar zeker niet beperkt tot) de neurale activiteit van het vertellen van een leugen, de verschillen tussen beginners en experts bij het bespelen van een muziekinstrument, en wat er in ons hoofd gebeurt als we droom.

Een fMRI van de hersenen: Een fMRI-scan met activeringsgebieden (in oranje) inclusief de primaire visuele cortex.


Opnamebeleid in functionele magnetische resonantiebeeldvorming - Biologie

Het algemene doel van de MRI-faciliteit is het leveren van beeldvorming met hoge resolutie/hoge doorvoer en apparatuur/pulssequenties, die voldoende signaal-ruisverhoudingen (SNR) leveren om nieuwe moleculair gerichte MRI-middelen te kunnen testen. De hoogveldmagneet werkt met een veldsterkte van 4,7 Tesla en biedt de optimale opstelling voor het afbeelden van zowel T1- als T2/T2*-gerichte beeldsondes. Bovendien maakt de magneet geavanceerde anatomische en functionele beeldvorming met hoge resolutie mogelijk van verschillende muismodellen voor kanker-, cardiovasculair en neuro-onderzoek.

We gebruiken op maat gemaakte MR-pulssequenties en hoogwaardige, speciale radiofrequentie (RF) spoelen, variërend in grootte van het hele lichaam (rat) tot het hart van de muis, om de SNR voor elke specifieke toepassing te optimaliseren.

Om ervoor te zorgen dat beeldvorming plaatsvindt onder normale fysiologische omstandigheden en om de anesthesie te optimaliseren, worden speciale monitoringsystemen gebruikt om de hart- en ademhalingsfrequentie en de lichaamstemperatuur te registreren. Dit laatste wordt binnen een fysiologisch bereik gehouden door het gebruik van MR-compatibele verwarmingssystemen.


Soorten technieken voor hersenbeeldvorming

Hersenbeeldvormingstechnieken stellen artsen en onderzoekers in staat om activiteit of problemen in het menselijk brein te bekijken, zonder invasieve neurochirurgie. Er zijn tegenwoordig een aantal geaccepteerde, veilige beeldvormingstechnieken in gebruik in onderzoeksfaciliteiten en ziekenhuizen over de hele wereld.

Functionele magnetische resonantie beeldvorming, of fMRI, is een techniek om hersenactiviteit te meten. Het werkt door de veranderingen in bloedoxygenatie en -stroom te detecteren die optreden als reactie op neurale activiteit en wanneer een hersengebied actiever is, verbruikt het meer zuurstof en om aan deze verhoogde vraag te voldoen, neemt de bloedstroom naar het actieve gebied toe. fMRI kan worden gebruikt om activatiekaarten te maken die laten zien welke delen van de hersenen bij een bepaald mentaal proces zijn betrokken.

Computertomografie (CT)-scanning bouwt een beeld van de hersenen op op basis van de differentiële absorptie van röntgenstralen. Tijdens een CT-scan ligt de proefpersoon op een tafel die in en uit een hol, cilindrisch apparaat schuift. Een röntgenbron rijdt op een ring rond de binnenkant van de buis, met zijn straal gericht op het hoofd van de proefpersoon. Nadat de straal door de kop is gegaan, wordt deze bemonsterd door een van de vele detectoren die de omtrek van de machine omlijnen. Beelden gemaakt met behulp van röntgenstralen zijn afhankelijk van de absorptie van de straal door het weefsel waar het doorheen gaat. Bone and hard tissue absorb x-rays well, air and water absorb very little and soft tissue is somewhere in between. Thus, CT scans reveal the gross features of the brain but do not resolve its structure well.

Positron Emission Tomography (PET) uses trace amounts of short-lived radioactive material to map functional processes in the brain. When the material undergoes radioactive decay a positron is emitted, which can be picked up be the detector. Areas of high radioactivity are associated with brain activity.

Electroencephalography (EEG) is the measurement of the electrical activity of the brain by recording from electrodes placed on the scalp. The resulting traces are known as an electroencephalogram (EEG) and represent an electrical signal from a large number of neurons.

EEGs are frequently used in experimentation because the process is non-invasive to the research subject. The EEG is capable of detecting changes in electrical activity in the brain on a millisecond-level. It is one of the few techniques available that has such high temporal resolution.

Magnetoencephalography (MEG) is an imaging technique used to measure the magnetic fields produced by electrical activity in the brain via extremely sensitive devices known as SQUIDs. These measurements are commonly used in both research and clinical settings. There are many uses for the MEG, including assisting surgeons in localizing a pathology, assisting researchers in determining the function of various parts of the brain, neurofeedback, and others.

Near infrared spectroscopy is an optical technique for measuring blood oxygenation in the brain. It works by shining light in the near infrared part of the spectrum (700-900nm) through the skull and detecting how much the remerging light is attenuated. How much the light is attenuated depends on blood oxygenation and thus NIRS can provide an indirect measure of brain activity.


MATERIALEN EN METHODES

Optically pumped atomic magnetometer

The magnetometer is based on a pump-probe scheme to polarize the cesium atomic spins and monitor the Larmor precession. The pump laser is circularly polarized and has a 1/e 2 diameter of

2.7 mm. The central frequency of the pump laser is locked to the D1 transition line (from 6 2 S1/2 F = 3 to 6 2 P1/2 F′ = 4, where F en F′ are the total angular momentum numbers) with dichroic atomic vapor laser lock. The amplitude of the pump beam is modulated with an acoustic-optical modulator at the Larmor frequency. The modulation duty cycle is 20%. The averaged power of the pump laser is

50 μW. The probe laser is linearly polarized and has a 1/e 2 diameter of

1.1 mm. The power of the probe laser is

50 μW. The central frequency of the probe laser is positively detuned by

400 MHz from the D2 transition line (from 6 2 S1/2 F = 4 to 6 2 P3/2 F′ = 5). The cesium vapor cell is antirelaxation-coated and is kept at room temperature, with a typical magnetic resonance line width of

5 Hz. The diameter and the length of the cylinder vapor cell are both 25 mm. The vapor cell, including all the optical components, such as the polarizers, wave plates, mirrors, and the Wollaston prism, is mounted in a three-dimensional printed structure, which has a size of 5 cm by 24 cm by 27 cm. The pump and probe laser beams are coupled into the magnetic sensor with optical fibers. The transmitted probe laser from the vapor cell is fiber-coupled to the sensor and then detected with a balanced photodetector. The output signal from the balanced photodetector is demodulated with a lock-in amplifier (Stanford Research Systems, SR865A, LIA), from which the in-phase component amplitude is proportional to the difference between the Larmor frequency and the modulation frequency of the pump laser.

Frequency response of the atomic magnetometer

To measure the frequency responses of the magnetometers, we use a pair of Helmholtz coils, which has a diameter of 30 cm and is connected in series with a resistance of 500 ohm and is driven with a signal generator (Keysight, 53230A), to generate a sinusoidal magnetic field with an amplitude of 3.7 nT. The readouts of the two magnetometers, together with the sinusoidal signal from the signal generator, are recorded simultaneously with a data acquisition card (National Instruments, USB6363) at a sampling rate of 40 kSa/s. The readouts are demodulated at the frequency of the applied sinusoidal signal to extract the amplitude and phase shift relative to the sinusoidal signal. The frequency responses of the two magnetometers are thus obtained by scanning the modulation frequency from 1 to 2010 Hz and repeating the above measurement procedures. Similarly, we get the amplitude-frequency characteristics of the gradiometer by demodulating the difference of the two OPM sensors’ readouts at the frequency of the applied sinusoidal signal. The frequency dependence of the CMRR of the gradiometer is thus obtained by dividing the amplitude-frequency characteristic of OPM1 by that of the gradiometer.

Magnetic field stabilization

The magnetic noise is compensated using OPM2 and a pair of vertical coils. We use OPM2 as a reference magnetometer to monitor the magnetic field fluctuations. The measured signal from OPM2 is fed into a PID controller (Stanford Research Systems, SIM960), from which the output signal is used to control the current added into the coils. To characterize the ability of rejecting the common-mode magnetic field noise of the field stabilization, we monitor the residual magnetic noise with OPM1. We use the same coils as those for measuring the frequency response to add a white magnetic field noise with a bandwidth of 200 Hz and an amplitude of 58 pT/Hz 1/2 to both of the two OPMs and record the readout of OPM1 at a sampling rate of 40 kSa/s. We divide the noise spectrum density of OPM1 obtained under two different conditions, i.e., without and with field stabilization, to derive the CMRR of the field stabilization.

Measurement of the spontaneous alpha rhythm signal

Each measurement takes 180 s. To avoid the problem of synchronization, the person is asked to open (close) his eyes before recording the data and keep his eyes open (closed) until the recording is finished. The multifunction input/output device USB6363 (National Instruments) is used for data acquisition and is controlled with a LabVIEW program. To further confirm that the peak in Fig. 2A around 10 Hz is related to closing eyes, the participant is required to repeat closing and opening his eyes every 30 s to modulate the alpha rhythm signal. We set a 30-s timer around the unshielded MEG system and generate a tinkling sound every 30 s. The person then opens or closes his eyes once hearing this sound.

Measurement of the AEF signal

For the AEF signal measurement, we need to know the precise time duration between the AEF signal and the auditory stimulus. To do so, we use the MATLAB program to generate auditory stimuli signals in advance and save the sound file to the computer. The time interval between each stimulus is randomly distributed between 0.7 and 1.7 s, and each stimulus is a 440-Hz sinusoidal wave with a time duration of 100 ms. Then, we use the LabVIEW program to play the generated sound file and record the measured magnetic field data at the same time. For each measurement, the time uncertainty between playing the sound and recording the data is less than 1 ms, which has negligible effects for the AEF signal measurement. The transmission of the sound between the loudspeaker and the person makes relatively large but constant time delay, which is

10 ms and can be compensated with proper data processing. The measured data are filtered with a 0.5- to ∼30-Hz band-pass filter.


Bekijk de video: ANATOM Precision and SuperMark (September 2022).


Opmerkingen:

  1. Rygeland

    IMHO is de betekenis volledig ontwikkeld, de schrijver perste er alles uit wat hij kon, waarvoor mijn buiging voor hem!

  2. Sadek

    Persoonlijke berichten helemaal gaan vandaag?

  3. Daunte

    avondmaal)))) als je ernaar kijkt - je zult het niet willen

  4. Ranfield

    Ik denk dat je het fout hebt. Ik bied aan om het te bespreken. Schrijf me in PM, we praten.

  5. Shk?

    Goed gedaan, wat een geweldig antwoord.



Schrijf een bericht