Функциональная нейровизуализация: методы и применение в изучении мозга.

Введение

Функциональная нейровизуализация – это использование технологий нейровизуализации для измерения аспектов работы мозга, часто с целью понимания взаимосвязи между активностью определенных областей мозга и конкретными психическими функциями. Она в основном используется как исследовательский инструмент в когнитивной нейронауке, когнитивной психологии, нейропсихологии и социальной нейронауке.

Темы функциональной нейромигги

Методы, используемые в конкретном исследовании, как правило, связаны с конкретным рассматриваемым вопросом. Ограничения измерений варьируются в зависимости от используемых техник. Например, МЭГ и ЭЭГ регистрируют магнитные или электрические колебания, возникающие при активности популяции нейронов. Эти методы превосходно подходят для измерения временной динамики нейронных событий (в масштабе миллисекунд), но, как правило, не позволяют точно определить место их возникновения. ПЭТ и фМРТ измеряют изменения в составе крови вблизи нейронного события. Поскольку измеримые изменения в крови происходят медленно (в масштабе секунд), эти методы хуже подходят для измерения временной динамики нейронных событий, но обычно лучше определяют их локализацию. Традиционные "исследования активации" сосредоточены на выявлении распределенных паттернов мозговой активности, связанных с конкретными задачами. Однако ученые могут глубже понять функции мозга, изучая взаимодействие различных областей мозга, поскольку значительная часть нейронной обработки осуществляется интегрированной сетью из нескольких областей мозга. Активная область исследований нейровизуализации посвящена изучению функциональной связности пространственно удаленных областей мозга. Анализ функциональной связности позволяет характеризовать межрегиональные нейронные взаимодействия во время выполнения определенных когнитивных или двигательных задач или даже спонтанной активности в состоянии покоя. фМРТ и ПЭТ позволяют создавать карты функциональной связности, отображающие различные пространственные распределения временно коррелирующих областей мозга, называемых функциональными сетями. Ряд исследований с использованием методов нейровизуализации также показали, что задние зрительные области у слепых людей могут быть активны при выполнении незрительных задач, таких как чтение шрифта Брайля, воспроизведение памяти и аудиальная локализация, а также других слуховых функций. Прямой метод измерения функциональной связности заключается в наблюдении за тем, как стимуляция одной части мозга влияет на другие области. Это можно сделать неинвазивно у людей, комбинируя транскраниальную магнитную стимуляцию с одним из инструментов нейровизуализации, таких как ПЭТ, фМРТ или ЭЭГ. Massimini et al. (Science, 30 сентября 2005 г.) использовали ЭЭГ для регистрации распространения активности от места стимуляции. Они сообщили, что во время сна без быстрых движений глаз, хотя мозг энергично реагирует на стимуляцию, функциональная связность значительно ослаблена по сравнению с уровнем бодрствования. Таким образом, во время глубокого сна "области мозга не взаимодействуют друг с другом". Функциональная нейровизуализация опирается на данные из многих областей, помимо когнитивной и социальной нейронауки, включая другие биологические науки (такие как нейроанатомия и нейрофизиология), физику и математику, для дальнейшей разработки и совершенствования технологии.

The measure used in a particular study is generally related to the particular question being addressed. Measurement limitations vary amongst the techniques. For instance, MEG and EEG record the magnetic or electrical fluctuations that occur when a population of neurons is active. These methods are excellent for measuring the time course of neural events (on the order of milliseconds,) but generally bad at measuring where those events happen. PET and fMRI measure changes in the composition of blood near a neural event. Because measurable blood changes are slow (on the order of seconds), these methods are much worse at measuring the time course of neural events, but are generally better at measuring the location. Traditional "activation studies" focus on determining distributed patterns of brain activity associated with specific tasks. However, scientists are able to more thoroughly understand brain function by studying the interaction of distinct brain regions, as a great deal of neural processing is performed by an integrated network of several regions of the brain. An active area of neuroimaging research involves examining the functional connectivity of spatially remote brain regions. Functional connectivity analyses allow the characterization of interregional neural interactions during particular cognitive or motor tasks or merely from spontaneous activity during rest. FMRI and PET enable creation of functional connectivity maps of distinct spatial distributions of temporally correlated brain regions called functional networks. Several studies using neuroimaging techniques have also established that posterior visual areas in blind individuals may be active during the performance of nonvisual tasks such as Braille reading, memory retrieval, and auditory localization as well as other auditory functions. A direct method to measure functional connectivity is to observe how stimulation of one part of the brain will affect other areas. This can be done noninvasively in humans by combining transcranial magnetic stimulation with one of the neuroimaging tools such as PET, fMRI, or EEG. Massimini et al. (Science, September 30, 2005) used EEG to record how activity spreads from the stimulated site. They reported that in non REM sleep, although the brain responds vigorously to stimulation, functional connectivity is much attenuated from its level during wakefulness. Thus, during deep sleep, "brain areas do not talk to each other". Functional neuroimaging draws on data from many areas other than cognitive neuroscience and social neuroscience, including other biological sciences (such as neuroanatomy and neurophysiology), physics and maths, to further develop and refine the technology.

Критика и тщательная интерпретация

Функциональные нейровизуализационные исследования должны быть тщательно спланированы и интерпретированы с осторожностью. Статистический анализ (часто с использованием метода, называемого статистическим параметрическим отображением) часто необходим для того, чтобы различать различные источники активации в мозге. Это может быть особенно сложно при рассмотрении процессов, которые трудно концептуализировать или для которых не существует четко определенной задачи (например, вера и сознание). Результаты функциональной нейровизуализации интересных явлений часто упоминаются в прессе. В одном случае группа известных исследователей в области функциональной нейровизуализации сочла необходимым написать письмо в New York Times в ответ на редакционную статью об исследовании так называемой нейрополитики. Они утверждали, что некоторые интерпретации исследования были "научно необоснованными". Центр Хейстингса опубликовал в марте 2014 года отчет под названием "Интерпретация нейроизображений: введение в технологию и ее ограничения", содержащий статьи ведущих нейробиологов и биоэтиков. В отчете кратко описываются технологии нейровизуализации и в основном критикуется, но в некоторой степени и защищается их текущее состояние, значимость и перспективы.