Нейровізуалізація або візуалізація мозку — використання різних методів для прямого або непрямого зображення структури та функції нервової системи. Нейровізуалізацію широко використовують у медицині, нейронауці та психології. Лікарі, що спеціалізуються на виконанні та інтерпретації нейровізуалізації в клінічних умовах, називаються нейрорадіологами.
Нейровізуалізація ділиться на дві широкі категорії: Структурна візуалізація, яка займається структурою нервової системи і діагностикою грубих (великомасштабних) внутрішньочерепних захворювань (таких як пухлина) і травм. Функціональна візуалізація, яку використовують для того, щоб діагностувати метаболічні захворювання та пошкодження на точнішому масштабі (такі як хвороба Альцгеймера) і також для неврологічного та дослідження когнітивної психології та для створення нейро-комп'ютерних інтерфейсів.
Функціональна візуалізація дозволяє, наприклад, миттєво візуалізувати як обробляється інформація центрами в мозку. Такі процеси призводять до того, що залучена область мозку збільшує метаболізм і «загоряється» при скануванні.
Передові технології нейровізалізації тісно пов'язані з обчисленням великих даних завдяки нейроінформатиці.
Історія
Перший розділ історії нейровізуалізації відсилає до італійського нейрофізіолога Анджело Моссо, який винайшов «баланс кровообігу людини», що дозволяло неінвазивно вимірювати перерозподіл крові під час емоційної та інтелектуальної діяльності.
У 1918 році американський нейрохірург Волтер Денді ввів методику вентрикулографії. Рентгенівські знімки шлуночкової системи головного мозку були отримані шляхом введення фільтрованого повітря безпосередньо в один або обидва бічних шлуночка головного мозку. Денді також досліджував, що повітря, введене в субарахноїдальний простір через люмбальну пункцію, може проникати в шлуночки головного мозку, а також ілюструє відсіки спинномозкової рідини навколо основи мозку і над його поверхнею. Ця методика отримала назву пневмоенцефалографії.
У 1927 році Еґаш Моніш ввів церебральну ангіографію, за допомогою якої можна було з великою точністю візуалізувати як нормальні, так і аномальні кровоносні судини в головному мозку і навколо нього.
На початку 1970-х років Аллан Маклеод Кормак і Годфрі Ньюболд Гаунсфілд ввели комп'ютерну осьову томографію (КТ), і все докладніші анатомічні зображення мозку стали доступні для діагностичних і дослідницьких цілей. Кормак і Хаунсфілд отримали за свою роботу Нобелівську премію з фізіології або медицини в 1979 році. Незабаром після введення КТ на початку 1980-х років розвиток радіолігандів дозволило проводити однофотонну емісійну комп'ютерну томографію (ОФЕКТ або ОЕКТ) і позитрон-емісійну томографію (ПЕТ) головного мозку.
Приблизно водночас була розроблена магнітно-резонансна томографія (МРТ або МР-сканування) такими дослідниками, як Пітер Менсфілд і Пол Лотербур, які були відзначені Нобелівською премією з фізіології або медицини в 2003 році. На початку 1980-х років МРТ була впроваджена клінічно, а в 1980-х роках відбувся справжній вибух технічних удосконалень і діагностичних застосувань МРТ. Науковці незабаром виявили, що великі зміни кровотоку, виміряні ПЕТ, також можуть бути відтворені за допомогою правильного типу МРТ. Так з'явилась функціональна магнітно-резонансна томографія (фМРТ), і з 1990-х років фМРТ стала домінувати в області картування мозку через її низьку інвазивність, відсутність радіаційного опромінення та відносно широкої доступності.
На початку 2000-х років область нейровізуалізації досягла стадії, коли обмежене практичне застосування функціональної візуалізації мозку стало можливим. Основна область застосування це грубі форми Нейро-комп'ютерних інтерфейсів.
Одним з найспірніших застосувань нейровізуалізації було дослідження «» або читання думок. 2023 року дослідники змогли реконструювати у відео суб'єктивний досвід людини (те що людина бачить, тобто, її кваліа) за допомогою штучного інтелекту, навчаного на великій кількості фМРТ зображень. Пізніше в тому ж році були проведені подібні експерименти зі зчитуванням того, що людина чує та словесно думає.
Техніки та методи Найпоширеніші методи і техніки медичної візуалізації відповідно рівня біологічної організації, яку вони можуть візуалізувати: Органний і тканинний рівніКлітинний і молекулярний рівніЕлектроенцефалографія (ЕЕГ)Конфокальна мікроскопіяКомп'ютерна томографія (КТ)Магнітно-резонансна томографія (МРТ) (ОКТ)Функціональна МРТРентгенівська кристалографіяУльтразвукове дослідженняПозитронно-емісійна томографія (ПЕТ)Флуоресцентна мікроскопіяОднофотонна емісійна комп'ютерна томографія (ОФЕКТ)Сканувальна електронна мікроскопіяДифузійна МРТПросвічуюча електронна мікроскопіяАнгіографіяАтомно-силова мікроскопія (АСМ)РентгенографіяІнфрачервона спектроскопія з перетворенням Фур'є (FTIR)Раман-спектроскопія
Покази Нейровізуалізацію слід проводити після неврологічного обстеження, в якому лікар знайшов причину для глибшого дослідження пацієнта, який має або може мати неврологічні розлади.
Одна з найпоширеніших неврологічних проблем, з якою може зіткнутися людина — це проста непритомність., which cites
У випадках простої непритомності діагноз включає неврологічне обстеження, якщо в історії хвороби пацієнта не згадано про інші неврологічні симптоми, але звичайне неврологічне сканування не рекомендовано для пацієнта, оскільки ймовірність виявлення причини непритомності в центральній нервовій системі надзвичайно низька, і пацієнт малоймовірно отримає користь від цієї процедури.
Нейровізуалізацію не рекомендовано для пацієнтів з постійними головними болями, які діагностуються як мігрень., which cites
Дослідження показують що наявність мігрені не збільшує ризик внутрішньочерепних захворювань для пацієнта. Діагноз мігрені, який зазначає відсутність інших проблем, таких як папіллоедема, не свідчить про необхідність нейровізуализації. Під час проведення ретельної діагностики, лікар повинен виявити, чи є головний біль причиною, відмінною від мігрені, що може викликати необхідність у нейровізуализації.
Іншим показником для нейровізуалізації є стереотаксична хірургія з КТ, МРТ і ПЕТ або радіохірургія для лікування внутрішньочерепних пухлин, артеріовенозних мальформацій та інших хірургічно виліковних станів.
Методи візуалізації мозку
Комп'ютерна томографія Комп'ютерна осьова томографія або комп'ютерна томографія (КТ-сканування) використовує серію рентгенівських знімків голови, отриманих в різних напрямках. Зазвичай використовують для швидкого перегляду черепно-мозкових травм. КТ-сканування використовує комп'ютерну програму, яка виконує чисельний інтегральний розрахунок (зворотне перетворення Радона) ґрунтуючись на виміряних рентгенівських знімках, щоб оцінити, скільки рентгенівських променів поглинається в невеликому обсязі мозку.
Дифузійна оптична візуалізація (ДОВ) або дифузна оптична томографія (ДОТ) — це медичний метод візуалізації, який використовує інфрачервоне світло для створення зображення тіла. Метод вимірює оптичну абсорбцію гемоглобіну та покладається на спектр поглинання гемоглобіну, який змінюється з його статусом оксигенації. Дифузна оптична томографія високої щільності (HD-DOT) порівнювалася безпосередньо з фМРТ (Функціональна магнітно-резонансна томографія) з використанням реакції на візуальну стимуляцію у суб'єктів, що вивчаються за допомогою обох методів, зі схожими результатами. HD-DOT також порівнюється з фМРВ з точки зору мовних завдань і функціональної зв'язності стану спокою.
Динамічна візуалізація мозку (Event-related optical signal, EROS) — це метод сканування мозку, який використовує інфрачервоне світло через оптичні волокна для вимірювання змін оптичних властивостей активних областей кори головного мозку. У той час як методи, такі як дифузійна оптична томографія (ДОТ) і спектроскопія в вимірюють оптичне поглинання гемоглобіну, і таким чином ґрунтуються на потоці крові, тоді коли EROS використовує переваги розсіювальних властивостей самих нейронів і, що таким чином, забезпечує набагато пряміший показник клітинної активності. EROS може точно визначати активність мозку в міліметрах (просторово) і в мілісекундах (тимчасово). Найбільший недолік цього методу сканування — неможливість виявити активність глибиною більше декількох сантиметрів. EROS — це новий, відносно недорогий та неінвазивний для пацієнта та метод. Він був розроблений в Університеті штату Іллінойс в Урбана-Шампейн, де його зараз використовують у лабораторії когнітивного нейрозображення доктора Габріеле Граттона та доктора Моніки Фабіані.
Магнітно-резонансна томографія Магнітно-резонансна томографія (МРТ) використовує магнітні поля і радіохвилі для отримання високоякісних дво- або тривимірних зображень структур мозку без використання іонізуючого випромінювання (рентгенівських променів) або радіоактивних трассерів.
Дифузійно-зважена магнітно-резонансна томографія (Дифузійна МРТ, або DWI або DW-MRI)
Дифузійно-зважена магнітно-резонансна томографія (Дифузійна МРТ, або DWI або DW-MRI) — це використання певних послідовностей МРТ, а також програмного забезпечення, яке генерує зображення з отриманих даних, що використовує дифузію молекул води для генерування контрасту в МРТ-зображеннях. Це дозволяє відображати процес дифузії молекул, головним чином води, у біологічних тканинах in vivo та неінвазивно. Молекулярна дифузія в тканинах не є випадковою, а відображає взаємодію з багатьма перешкодами, такими як макромолекули, волокна та мембрани. Таким чином, моделі дифузії молекул води можуть виявити мікроскопічні деталі архітектури тканини, як нормальної, так і у хворому стані. Спеціальний вид DWI, дифузійне тензорне зображення (DTI), широко використовували для картографії білої речовини мозку.
Функціональна магнітно-резонансна томографія Функціональна магнітно-резонансна томографія (fMRI) і артеріальне спінове маркування (ASL) покладаються на парамагнітні властивості оксигенованого та дезоксигенованого гемоглобіну, щоб побачити зображення зміни кровотоку в мозку, пов’язаного з нейронною активністю. Це дозволяє генерувати зображення, які відображають, які структури мозку активуються (і як) під час виконання різних завдань або в стані спокою. Згідно з гіпотезою оксигенації, зміни у споживанні кисню в регіональному церебральному кровотоці під час когнітивної або поведінкової активності можуть бути пов’язані з регіональними нейронами як безпосередньо пов’язані з когнітивними або поведінковими завданнями, які виконуються.
Більшість фМРТ-сканерів дозволяють показувати суб’єктам різні візуальні зображення, звуки та стимули дотику, а також виконувати різні дії, такі як натискання кнопки або переміщення джойстика. Отже, фМРТ можна використовувати для виявлення структур мозку та процесів, пов’язаних із сприйняттям, мисленням і діями. Роздільна здатність фМРТ нині становить близько 2-3 міліметрів, обмежена просторовим поширенням гемодинамічної відповіді на нейронну активність. Він значною мірою витіснив ПЕТ для вивчення патернів активації мозку. Однак ПЕТ зберігає суттєву перевагу в тому, що він здатний ідентифікувати специфічні рецептори мозку (або транспортери), пов’язані з певними нейромедіаторами, завдяки своїй здатності відображати «ліганди» рецепторів із радіоактивною міткою (ліганди рецепторів — це будь-які хімічні речовини, які прилипають до рецепторів). Існує також серйозне занепокоєння щодо достовірності деяких статистичних даних, які використовують в аналізі фМРТ; отже, обґрунтованість висновків, зроблених у багатьох дослідженнях фМРТ.
З точністю від 72 % до 90 %, де ймовірність досягає 0,8 %, методи фМРТ можуть визначити, яке з набору відомих зображень переглядає суб’єкт.