Мидың гемодинамикалық жауабы және нейроваскулярлық байланыс
Haemodynamic response
Қан ағынының гемодинамикалық жауабы: миға оттегі мен глюкоза жеткізу, нейрондық белсенділік пен қан ағыны арасындағы байланыс. Мидың энергия қажеттілігі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Гемодинамикада дене физикалық белсенділіктерге, сыртқы температураға және басқа да факторларға гомеостаздық түрде қан ағынын реттеу арқылы жауап беруі керек, бұл қан ағыны оттегі және глюкоза сияқты қоректік заттарды стресстелген тіндерге жеткізіп, олардың жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Гемодинамикалық жауап (ГД) белсенді нейрондық тіндерге қанды жылдам жеткізуге мүмкіндік береді. Ми көп мөлшерде энергия тұтынады, бірақ сақталған энергия субстраттарының қоры жоқ. Мидағы жоғары деңгейдегі процестер дерлік үнемі жүріп жатқандықтан, мидағы қан ағыны нейрондардың, астроциттердің және мидың басқа да жасушаларының күшін сақтау үшін маңызды. Нейрондық белсенділік пен қан ағыны арасындағы осы байланыс нейроваскулярлық байланыс деп те аталады.
In haemodynamics, the body must respond to physical activities, external temperature, and other factors by homeostatically adjusting its blood flow to deliver nutrients such as oxygen and glucose to stressed tissues and allow them to function. Haemodynamic response (HR) allows the rapid delivery of blood to active neuronal tissues. The brain consumes large amounts of energy but does not have a reservoir of stored energy substrates. Since higher processes in the brain occur almost constantly, cerebral blood flow is essential for the maintenance of neurons, astrocytes, and other cells of the brain. This coupling between neuronal activity and blood flow is also referred to as neurovascular coupling.
Қан тамырларының анатомиясы туралы жалпы түсінік
Қанның бас сүйек тіндеріне қалай жеткізілетінін түсіну үшін, осы кеңістіктің қан тамырлары анатомиясын түсіну маңызды. Мидағы ірі ми артериялары кішкентай артериолаларға бөлінеді, олар гиапаль артериялары деп те аталады. Бұл артериолалар эндотелий жасушалары мен тегіс бұлшық еттерден тұрады, және осы гиапаль артериялары тармақталып, миға тереңдей түскенде, глиальды жасушалармен, атап айтқанда астроциттермен байланысады. Ми ішіндегі артериолалар мен капиллярлар жүйелік артериолалар мен капиллярлардан өзгеше, олар заттардың олар арқылы оңай диффузиялануына жол бермейді; олар қан-ми кедергісін (ҚМК) құру үшін тығыз байланыстармен біріктірілген. Эндотелий жасушалары, тегіс бұлшық еттер, нейрондар, астроциттер және перициттер мида бірлесіп жұмыс істейді, ҚМК-ні сақтау үшін, сонымен бірге тіндерге қоректік заттар жеткізіп және бас сүйек ішіндегі қан ағынын реттеу арқылы гомеостазды сақтауға көмектеседі. Олар функционалдық нейроваскулярлық бірлік ретінде жұмыс істейтіндіктен, жасушалық деңгейдегі өзара әрекеттесулерінің өзгеруі мидағы қан ағысын (HR) бұзуы мүмкін және қалыпты жүйке функциясының бұзылуына әкелуі мүмкін.
In order to understand how blood is delivered to cranial tissues, it is important to understand the vascular anatomy of the space itself. Large cerebral arteries in the brain split into smaller arterioles, also known as pial arteries. These consist of endothelial cells and smooth muscle cells, and as these pial arteries further branch and run deeper into the brain, they associate with glial cells, namely astrocytes. The intracerebral arterioles and capillaries are unlike systemic arterioles and capillaries in that they do not readily allow substances to diffuse through them; they are connected by tight junctions in order to form the blood brain barrier (BBB). Endothelial cells, smooth muscle, neurons, astrocytes, and pericytes work together in the brain order to maintain the BBB while still delivering nutrients to tissues and adjusting blood flow in the intracranial space to maintain homeostasis. As they work as a functional neurovascular unit, alterations in their interactions at the cellular level can impair HR in the brain and lead to deviations in normal nervous function.
Механизмдер
Әртүрлі жасуша түрлері ГЖ-да қатысады, оның ішінде астроциттер, тегіс бұлшық жасушалары, қан тамырларының эндотелий жасушалары және перициттер. Бұл жасушалар тамырлардың тарылуын немесе кеңеюін реттейді, ол нейрондық тіндерге жеткізілетін оттегі мен глюкоза мөлшерін анықтайды.
Various cell types play a role in HR, including astrocytes, smooth muscle cells, endothelial cells of blood vessels, and pericytes. These cells control whether the vessels are constricted or dilated, which dictates the amount of oxygen and glucose that is able to reach the neuronal tissue.
Астроциттер
Астроциттер қан тамырлары мен нейрондар арасындағы делдалдық қызмет атқаратын бірегей жасушалар. Олар басқа астроциттермен аралық байланыс арқылы қарым-қатынас жасай алады және нейрондық синапстармен өзара әрекеттесетін аяқ процестеріне ие. Бұл процестер норэпинефрин (НЭ) және глутамат сияқты әртүрлі нейротрансмиттерлерді сіңіре алады және нейрондық ортада химиялық және электрлік гомеостазды сақтау үшін түрлі функцияларды атқарады. In vitro жағдайында, НЭ синапсқа орналасып, астроциттердің рецепторларына сіңген кезде тамырлардың тартылуы байқалады. НЭ сіңіруі астроциттердегі жасуша ішкі Ca деңгейінің артуына алып келеді. Бұл кальций иондары толқындары астроцит бойымен тарағанда, фосфолипаза А (PLA) белсендіріледі, ол арахидон қышқылын босатады. Бұл екі зат тегіс бұлшық еттерге тасымалданып, цитохром P450-мен реакцияға түсіп, 20-гидроксиэйкозатетраено қышқылы (20 HETE) түзеді, ол әлі анықталмаған механизмдер арқылы қан тамырларының тартылуын тудырады. Сонымен қатар, метаботроптық глутамат рецепторларының (mGluR) агонисттері де жасуша ішкі Ca деңгейін көтеріп, тамырлардың тартылуына себеп болатыны дәлелденді.
Astrocytes are unique in that they are intermediaries that lie between blood vessels and neurons. They are able to communicate with other astrocytes via gap junctions and have endfoot processes that interact with neuronal synapses. These processes have the ability to take up various neurotransmitters, such as norepinephrine (NE) and glutamate, and perform various other functions to maintain chemical and electrical homeostasis in the neuronal environment. Constriction has been shown in vitro to occur when NE is placed in the synapse and is taken up by astrocyte receptors. NE uptake leads to an increase in intracellular astrocyte Ca. When these calcium ion waves spread down the length of the astrocyte, phospholipase A (PLA) is activated which in turn mobilizes arachidonic acid. These two compounds are transported to the smooth muscle and there react with cytochrome P450 to make 20 hydroxyeicosatetraenoic acid (20 HETE), which acts through yet to be determined mechanisms to induce vasoconstriction. It has also been shown that agonists of metabotropic glutamate receptors (mGluR) also increase intracellular Ca to produce constriction.
Сәл бұлшық еттер
Дилатация эндотелийлік жасушалардан азот оксидінің (NO) босатылуы және жақын орналасқан тамырлы тегіс бұлшық еттерге таралуы нәтижесінде пайда болады. Гемодинамикалық зерттеулер NO-мен шақырылған тамыр кеңеюінің бірнеше механизмін ұсынды. NO 20 HETE синтезін тежейтіні көрсетілді, бұл астроциттердің тарылу жолдарына бөгет қойып, тамыр кеңеюіне алып келуі мүмкін. Сондай-ақ, NO астроциттерге Ca ағынын күшейтуге және Ca-ға тәуелді калий каналдарын белсендіруге қабілетті, соның салдарынан K интерстициалдық кеңістікке шығарылып, тегіс бұлшық ет жасушаларының гиперполяризациясын тудырады деп ұсынылған. Бұл бұлшық ет жирылуының азаюына және одан кейін қан тамырларының кеңеюіне әкеледі. Тамырлардың тарылуы немесе кеңеюі нейрондық тіндерге жеткізілетін оттегі мен глюкоза мөлшерін анықтайды.
Dilation occurs when nitric oxide (NO) is released from endothelial cells and diffuses into nearby vascular smooth muscle. Several proposed pathways of NO induced vasodilation have been proposed through haemodynamic investigation. It has been shown that NO inhibits 20 HETE synthesis, which may interfere with astrocytes' constriction pathways and lead to vasodilation. It has also been proposed that NO may amplify astrocyte Ca influx and activate Ca dependent potassium channels, releasing K into the interstitial space and inducing hyperpolarization of smooth muscle cells. This leads to a decrease in muscle contraction and a subsequent dilation of the blood vessel. Whether the vessels are constricted or dilated dictates the amount of oxygen and glucose that is able to reach the neuronal tissue.
Қаңқалар
Перициттердің басты қызметтерінің бірі – астроциттермен, тегіс бұлшық жасушаларымен және бас сүйегінің ішіндегі басқа жасушалармен өзара әрекеттесу арқылы қан-ми кедергісін құру және қан тамырларының мөлшерін реттеу болып табылады, бұл нейрон тіндеріне оттегі мен қоректік заттардың дұрыс жеткізілуін және таралуын қамтамасыз етеді. Перициттерде холинергиялық (α2) және адренергиялық (β2) рецепторлары бар. Соңғыларының стимуляциясы қан тамырларының кеңеюіне, ал холинергиялық рецепторларды стимуляциялау жиырылуға алып келеді. Паракриндық белсенділік және оттегінің болуы перициттердің қызметін де реттейді. Ангиотензин II және эндотелин 1 (ET 1) пептидтері перициттерге байланысады және вазоактивті болып табылады. Эндотелий жасушалары эндотелин 1-дің өршуін шақырады, бұл NO өндірісіне және қан тамырларының кеңеюіне әкеледі. Тәжірибелер оттегі деңгейінің перициттердің жиырылуын және одан кейін қан тамырларының жиырылуын да өзгертетінін көрсетті. In vitro жағдайында жоғары оттегі концентрациясы перициттердің тартылуына, ал жоғары CO концентрациясы босаңсуға алып келеді. Бұл перициттердің оттегіге қажеттілік болғанда қан тамырларын кеңейтуге, ал артық болғанда қысқартуға қабілетті екенін көрсетеді, осылайша тіндерге қан ағынының жылдамдығын олардың метаболизміне байланысты өзгертеді.
A principal function of pericytes is to interact with astrocytes, smooth muscle cells, and other intracranial cells to form the blood brain barrier and to modulate the size of blood vessels to ensure proper delivery and distribution of oxygen and nutrients to neuronal tissues. Pericytes have both cholinergic (α2) and adrenergic (β2) receptors. Stimulation of the latter leads to vessel relaxation, while stimulation of the cholinergic receptors leads to contraction. Paracrine activity and oxygen availability have been shown to also modulate pericyte activity. The peptides angiotensin II and endothelin 1 (ET 1) bind to pericytes and are vasoactive. Endothelial cells induce expression of endothelin 1, which leads to NO production and vasodilation. Experiments have demonstrated that oxygen levels also alter pericyte contraction and subsequent blood vessel contraction. In vitro, high oxygen concentrations cause pericyte constriction, while high CO concentrations cause relaxation. This suggests that pericytes may have the ability to dilate blood vessels when oxygen is in demand and constrict them when it is in surplus, modifying the rate of blood flow to tissues depending on their metabolic activity.
Асқынулар
Гемодинамикалық жауап – белсенді нейрондық тіндерге қанның жылдам жеткізілуі. Бұл жауаптағы асқынулар жедел коронарлық синдромдар мен өкпе артериялық гипертензияда туындайды. Бұл асқынулар миға қан ағынының реттелуін өзгертеді, нәтижесінде нейрондарға жеткізілетін глюкоза мен оттегі мөлшері өзгереді, бұл жүйке жүйесі ғана емес, барлық дене жүйелерінің жұмысына да елеулі әсер ете алады.
The haemodynamic response is rapid delivery of blood to active neuronal tissue. Complications in this response arise in acute coronary syndromes and pulmonary arterial hypertension. These complications lead to a change in the regulation of blood flow to the brain, and in turn the amount of glucose and oxygen that is supplied to neurons, which may have serious effects not only on the functioning of the nervous system, but functioning of all bodily systems.
Жіті коронарлық синдром
Жүрек қабығының қабынуы (ЖҚҚ) сияқты жіті инфекциялар жіті коронарлық синдромдардың (ЖКС) тудырушы факторы болып табылады. ЖКС – коронарлық артериялардың бітелуінен туындайтын белгілермен айналысады. Осы бітелудің салдарынан атеросклеротикалық тақталар орналасқан жерлерде тромбоздық асқынулар пайда болады. Диагноз қоюға көмектесетін ең көп кездесетін белгі – жүрек ауыруы, құсық пен тершеңдікпен қатар жүреді. Емдеуге әдетте аспирин, клопидогрел, нитроглицерин және кеудедегі ауыру сақталса, морфин кіреді. Жақында жасалған зерттеулер тыныс жолдарының жіті инфекциясы ЖКС-тің тудырушы факторы болуы мүмкін екенін көрсетеді. Бұл өз кезегінде маңызды протромботикалық және гемодинамикалық әсерлерге ие. Жалпы алғанда, өкпе артериясының қысымы мен ЖКС – нейрондық тіндердің гипоксиясына алып келетін көптеген аурулардың бір бөлігі ғана, бұл гемодинамикалық жауапты нашарлатады және нейрондық өлімге әкеледі. Ұзаққа созылған гипоксия апоптоз арқылы нейрондық өлімді тудырады. Бұзылған гемодинамикалық жауаппен, мембраналық деполяризация нәтижесінде белсенді нейрондық тіндер қан ағынының бұзылуынан сигналдарды таратуға қажетті энергиядан айырылады. Бұл организмнің көптеген функцияларына әсер етеді және ауыр симптомдарға алып келуі мүмкін.
Acute infections, such as community acquired pneumonia (CAP), act as a trigger for acute coronary syndromes (ACS). ACS deals with symptoms that result from the obstruction of coronary arteries. Due to this obstruction there are thrombotic complications at the sites of atherosclerotic plaques. The most common symptom that prompts diagnosis is chest pain, associated with nausea and sweating. Treatment usually includes aspirin, Clopidogrel, nitroglycerin, and if chest pain persists morphine. Recent study suggests that acute respiratory tract infection can act as a trigger for ACS. This in turn has major prothrombotic and haemodynamic effects. Overall, pulmonary arterial tension and acute coronary syndromes are few of the many diseases that lead to hypoxia of neuronal tissue, which in turns deteriorates the haemodynamic response and leads to neuronal death. Prolonged hypoxia induces neuronal death via apoptosis. With a dysfunctional haemodynamic response, active neuronal tissue due to membrane depolarization lacks the necessary energy to propagate signals, as a result of blood flow hindrance. This affects many functions in the body, and may lead to severe symptoms.
Альцгеймер ауруы
Осы ауруда мида бета-амилоидты ақуыз жинақталады. Бұл, ақырында, гемодинамикалық жауаптың төмендеуіне және мидағы қан ағынының азаюына әкеледі. Бұл қан ағынының төмендеуі оттегі мен глюкоза жетіспеушілігінен нейрондық жасушаларды ғана емес, сонымен қатар мидың бета-амилоидты жою қабілетін де төмендетеді. Денсаулы мида осы ақуыз фрагменттері ыдырап, жойылады. Альцгеймер ауруында фрагменттер жинақталып, қан ағынын азайтатын қатал, ерімейтін плакалар құрайды. Бета-амилоидтың жинақталуына екі ақуыз қатысады: сарысу жауап факторы немесе SRF және миокардин. Осы екі ақуыз бірлесіп, қан тамырларының тегіс бұлшық еттерінің жиырылуын анықтайды. SRF және миокардин Альцгеймер ауруы бар адамдардың миында белсендірек болады. Бұл ақуыздар белсенді болғанда, SREBP2-ні қосады, ол LRP 1-ді тежейді. LRP 1 миға бета-амилоидты жоюға көмектеседі. Сондықтан SRF және миокардин белсенді болғанда, бета-амилоидты ақуыз жинақталады, бұл қан тамырларының жиырылуынан миға қан ағынының азаюына соқтырады.
In this disease, there is a build of the amyloid beta protein in the brain. This ultimately leads to a reduction in the haemodynamic response and less blood flow in the brain. This reduced cerebral blood flow not only kills neuronal cells because of shortages in oxygen and glucose but it also reduces the brain's ability to remove amyloid beta. In a healthy brain, these protein fragments are broken down and eliminated. In Alzheimer's disease, the fragments accumulate to form hard, insoluble plaques which reduce blood flow. Two proteins are involved in this accumulation of amyloid beta: serum response factor or SRF and myocardin. Together, these 2 proteins determine whether smooth muscle of blood vessels contract. SRF and myocardin are more active in the brains of people with Alzheimer's disease. When these proteins are active, they turn on SREBP2 which inhibits LRP 1. LRP 1 helps the brain remove amyloid beta. Therefore, when SRF and myocardin are active, there is a buildup in amyloid beta protein which ultimately leads to less blood flow in the brain because of contracted blood vessels.
Ишемия
Инсульт немесе жарақаттан кейін ми тамырларындағы қан айналымының төмендеуі ишемия деп аталатын жағдайға алып келуі мүмкін. Жалпы алғанда, миға қан ағынының төмендеуі қан тамырларының ішінара немесе толық түрде бітелуіне, жүйелік қан айналымының (соның салдарынан мидың) гипотензиясына немесе жүрек тоқтауына себеп болатын тромбоздың нәтижесі болуы мүмкін. Ми тамырлары жүйесіндегі қан ағынының төмендеуі нейрондар мен глиальды жасушалардың тудыратын метаболикалық қалдықтардың жиналуына және оларға оттегі мен глюкоза жеткізілімінің азаюына әкелуі мүмкін. Соның салдарынан жасушалық энергия тапшылығы, нейрондық және глиальды мембраналардың деполяризациясы, ісіну және артық нейротрансмиттерлер мен кальций иондарының бөлінуі мүмкін. Бұл, тікелей жасушалардың өліміне ұласады, себебі жасушалар метаболизмдерін қуаттандыруға қажетті қоректік заттардың жетіспеушілігіне және бос радикалдар мен артық иондарға толы, уытты ми ортасына тап болады, бұл жасушалардың қалыпты органеллаларының жұмысын бұзады.
A decrease in circulation in the brain vasculature due to stroke or injury can lead to a condition known as ischemia. In general, decrease in blood flow to the brain can be a result of thrombosis causing a partial or full blockage of blood vessels, hypotension in systemic circulation (and consequently the brain), or cardiac arrest. This decrease in blood flow in the cerebral vascular system can result in a buildup of metabolic wastes generated by neurons and glial cells and a decrease in oxygen and glucose delivery to them. As a result, cellular energy failure, depolarization of neuronal and glial membranes, edema, and excess neurotransmitter and calcium ion release can occur. This ultimately ends with cell death, as cells succumb to a lack of nutrients to power their metabolism and to a toxic brain environment, full of free radicals and excess ions that damage normal cell organelle function.
Клиникалық қолдану
Мидың белсенділігіндегі өзгерістер сол аймақтардағы қан ағынының өзгеруімен тығыз байланысты, және бұл факт адам миының функцияларын картаға түсіруде өте пайдалы болды. Клиникалық жағдайда гемодинамикалық жауапты өлшеу арқылы мидың аса белсенді және белсенді емес аймақтарын ажырататын бейнелер жасауға болады. Бұл нейрондық ауруларды диагностикалауда немесе хирургиялық операцияға дайындық кезеңінде жоспарлауда қолданылуы мүмкін. Функционалдық МРТ және ПЭТ сканилеуі – ми функцияларын картаға түсіру үшін гемодинамикалық жауапты пайдаланатын ең көп таралған техникалар. Дәрігерлер осы бейнелеу әдістерін мидың анатомиясын зерттеу, мидың нақты бөліктерінің қандай жоғары деңгейдегі функцияларды атқаратынын анықтау, дегенеративтік аурулардың әсерін бағалау және тіпті миға хирургиялық емдеуді жоспарлау үшін пайдаланады.
Changes in brain activity are closely coupled with changes in blood flow in those areas, and knowing this has proved useful in mapping brain functions in humans. The measurement of haemodynamic response, in a clinical setting, can be used to create images of the brain in which especially active and inactive regions are shown as distinct from one another. This can be a useful tool in diagnosing neural disease or in pre surgical planning. Functional MRI and PET scan are the most common techniques that use haemodynamic response to map brain function. Physicians use these imaging techniques to examine the anatomy of the brain, to determine which specific parts of the brain are handling certain high order functions, to assess the effects of degenerative diseases, and even to plan surgical treatments of the brain.
Функционалдық магниттік резонанс бейнелеу
Функционалдық магниттік-резонанстық томография (фМРТ) – мидың нейрондық белсенділікке байланысты гемодинамикалық жауабын өлшеуге арналған медициналық бейнелеу әдісі. Бұл ми функцияларын өлшеуге қолданылатын ең көп таралған құралдардың бірі және клиникалық жағдайда орындау үшін салыстырмалы түрде қолжетімді. Нейрондық белсенділіктің басталуы қан тамырларының жергілікті желісінде жүйелі физиологиялық өзгерістерге алып келеді, оларға ми тінінің бірлігіне шаққандағы ми қан көлемінің (МҚК) өзгеруі, ми қан ағынының жылдамдығының өзгеруі және оксигемоглобин мен дезоксигемоглобин концентрациясының өзгеруі кіреді. Әртүрлі фМРТ техникалары гемодинамикалық жауаптың жоғарыда аталған компоненттерінің әрқайсысының өзгеруіне сәйкес функционалдық сигналды анықтай алады. Функционалдық бейнелеудің ең көп қолданылатын сигналы – қандағы оттегі деңгейіне тәуелді сигнал (BOLD), ол негізінен дезоксигемоглобин концентрациясына сәйкес келеді. BOLD эффектісі мидың бір бөлігінде нейрондық белсенділік күшіндегенде, сол аймаққа қан ағынының артуымен байланысты, бұл гемодинамикалық жауаптың негізі болып табылады. Қан ағынының артуы осы аймақтағы оттегімен қаныққан гемоглобин мен оттегісіз гемоглобин арақатынасының артуына әкеледі. Оксигемоглобин мен дезоксигемоглобиннің магниттік қасиеттерінің айырмашылығы фМРТ бейнелеуіне қай нейрондар белсенді, ал қайсысы белсенді емес екенін анық карта жасауға мүмкіндік береді. Қысқасы, дезоксигемоглобин парамагниттік, ал оксигемоглобин диамагниттік. Диамагниттік қан (оксигемоглобин) магниттік-резонанстық (МР) сигналына аз кедергі келтіреді, бұл нейрондық белсенділігі жоғары аймақта МР сигналының жақсаруына әкеледі. Ал парамагниттік қан (дезоксигемоглобин) жергілікті магнит өрісін біркелкі емес етеді. Бұл доменде шығарылатын сигналдың фазасын өзгертуге әсер етеді, байқалатын МР сигналында деструктивті интерференция тудырады. Сондықтан дезоксигемоглобиннің көп мөлшері сигналдың төмендеуіне алып келеді. Нейрондық белсенділік дезоксигемоглобин концентрациясының төмендеуіне сәйкес келетін жергілікті МР сигналының күшеюіне әкеледі. Егер фМРТ сау мидағы қан ағынының қалыпты ағысын анықтауға көмектесе алса, дегенеративті ауруларға ұшыраған мидың проблемаларын анықтауға да қолданылуы мүмкін. Гемодинамикалық жауапты пайдаланатын функционалдық МРТ инсульт және Альцгеймер ауруы сияқты басқа дегенеративті аурулардың ми функциясына тигізетін әсерін бағалауға көмектеседі. ФМРТ-ны ми операцияларын жоспарлау үшін де қолдануға болады. Хирургтар фМРТ арқылы мидың ең белсенді аймақтарындағы қан ағынын және ойлау, сөйлеу, қозғалыс сияқты маңызды функцияларға қатысатын аймақтарды анықтай алады. Осылайша, ми операциялары қауіпсіз болады, себебі ми картасы адам өмірі үшін маңызды аймақтарды көрсетеді. Гемодинамикалық жауап фМРТ және клиникалық қолдану үшін маңызды, өйткені қан ағынын зерттеу арқылы ми анатомиясын зерттеп, ми операцияларын тиімді жоспарлауға және мидың дегенеративті ауруларының себептерін анықтауға болады. Тынығудағы фМРТ белгілі бір тапсырма орындалмаған кезде ми аймақтарының өзара әрекеттесуін бағалауға мүмкіндік береді. Бұл әдепкі режимдегі желілерді көрсету үшін де қолданылады.
Functional magnetic resonance imaging (fMRI), is the medical imaging technique used to measure the haemodynamic response of the brain in relation to the neural activities. It is one of the most commonly used devices to measure brain functions and is relatively inexpensive to perform in a clinical setting. The onset of neural activity leads to a systematic series of physiological changes in the local network of blood vessels that include changes in the cerebral blood volume per unit of brain tissue (CBV), changes in the rate of cerebral blood flow, and changes in the concentration of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin. There are different fMRI techniques that can pick up a functional signal corresponding to changes in each of the previously mentioned components of the haemodynamic response. The most common functional imaging signal is the blood oxygen level dependent signal (BOLD), which primarily corresponds to the concentration of deoxyhemoglobin. The BOLD effect is based on the fact that when neuronal activity is increased in one part of the brain, there is also an increased amount of cerebral blood flow to that area which is the basis of haemodynamic response. This increase in blood flow produces an increase in the ratio of oxygenated hemoglobin relative to deoxygenated hemoglobin in that specific area. The difference in magnetic properties of oxygenated and deoxygenated hemoglobin is what allows fMRI imaging to produce an effective map of which neurons are active and which are not. In short, deoxygenated hemoglobin is paramagnetic while oxygenated hemoglobin is diamagnetic. Diamagnetic blood (oxyhemoglobin) interferes with the magnetic resonance (MR) signal less and this leads to an improved MR signal in that area of increased neuronal activity. However, Paramagnetic blood (deoxyhemoglobin) makes the local magnetic field inhomogenous. This has the effect of dephasing the signal emitted in this domain, causing destructive interference in the observed MR signal. Therefore, greater amounts of deoxyhemoglobin lead to less signal. Neuronal activity ultimately leads to an increase in local MR signaling corresponding to a decrease in the concentration of deoxyhemoglobin. If fMRI can be used to detect the regular flow of blood in a healthy brain, it can also be used to detect the problems with a brain that has undergone degenerative diseases. Functional MRI, using haemodynamic response, can help assess the effects of stroke and other degenerative diseases such as Alzheimer's disease on brain function. Another way fMRI could be used is in the planning of surgery of the brain. Surgeons can use fMRI to detect blood flow of the most active areas of the brain and the areas involved in critical functions like thought, speech, movement, etc. In this way, brain procedures are less dangerous because there is a brain mapping that shows which areas are vital to a person's life. Haemodynamic response is vital to fMRI and clinical use because through the study of blood flow we are able to examine the anatomy of the brain and effectively plan out procedures of the brain and link together the causes of degenerative brain disease. Resting state fMRI enables the evaluation of the interaction of brain regions, when not performing a specific task. This is also used to show the default mode network.
ПЭТ сканерлеу
ПЭТ сканерлеу немесе позитрондық эмиссиялық томографиялық сканерлеу миды бейнелеу үшін фМРТ-мен қатар қолданылады. ПЭТ сканерлеу гемодинамикалық немесе метаболикалық жолмен, глюкоза сіңіру арқылы мидың белсенді аймақтарын анықтай алады. Олар мидың кез келген бөлігіндегі қан ағынын немесе метаболизмді бақылауға мүмкіндік береді. Қан ағынының және/немесе глюкоза сіңірудің артуымен белсендірілген аймақтар ПЭТ суретінде сигналдың күшеюі арқылы көрінеді. ПЭТ сканерлеуді бастамас бұрын, пациентке глюкоза немесе оттегі сияқты іздеушіге (tracer) бекітілген радиоактивті дәрінің шағын дозасы инъекцияланады. Сондықтан, егер ПЭТ сканерлеудің мақсаты ми белсенділігін анықтау болса, ФДГ немесе фтордезоксиглюкоза қолданылады. ФДГ – глюкозаға бекітілген радиоактивті фтордың күрделі қосылысы. Мидың белгілі бір бөлігі қаншалықты белсендірек болса, соншалықты көп глюкоза немесе энергия қажет болады және ФДГ соғұрлым көп сіңіріледі. Глюкоза сіңірудің артуы ПЭТ суретінде сигналдың күшеюі арқылы анықталады. ПЭТ сканерлері осы мүмкіндікті қамтамасыз етеді, себебі олар радиоизаотоптың позитрондары мидағы электрондармен соқтығысқанда бөлінетін энергияны өлшейді. Радиоизаотоп ыдыраған сайын, көбірек позитрондар пайда болады және ПЭТ сканерлеуде сигналдың күшеюі байқалады.
PET scan or Positron emission tomography scan is also used alongside fMRI for brain imaging. PET scan can detect active brain areas either haemodynamically or metabolically through glucose intake. They allow one to observe blood flow or metabolism in any part of the brain. The areas that are activated by increased blood flow and/or increased glucose intake are visualized in increased signal in the PET image. Before a PET scan begins, the patient will be injected with a small dose of a radioactive medicine tagged to a tracer such as glucose or oxygen. Therefore, if the purpose of the PET scan is to determine brain activity, FDG or fluorodeoxyglucose will be the medicine used. FDG is a complex of radioactive fluorine that is tagged with glucose. If a certain part of the brain is more active, more glucose or energy will be needed there and more FDG will be absorbed. This increase in glucose intake will be detectable with increased signal in the PET image. PET scanners provide this feature because they measure the energy that is emitted when positrons from the radiotracer collide with electrons in the brain. As a radiotracer is broken down, more positrons are made and there will be an increased signal in the PET scan.