Введение
Тип МР-изображения
Изображение, зависящее от уровня оксигенации крови, или BOLD-контрастная визуализация, — это метод, используемый в функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) для наблюдения за различными областями мозга или других органов, активность которых определяется в данный момент времени.
Blood oxygen level dependent imaging, or BOLD contrast imaging, is a method used in functional magnetic resonance imaging (fMRI) to observe different areas of the brain or other organs, which are found to be active at any given time.
Теория
Нейроны не имеют внутренних запасов энергии в форме сахара и кислорода, поэтому их активация вызывает потребность в быстром поступлении дополнительной энергии. В процессе, называемом гемодинамическим ответом, кровь доставляет кислород к активным нейронам с большей скоростью, чем к неактивным. Это приводит к изменению относительного уровня оксигемоглобина и дезоксигемоглобина (насыщенной и ненасыщенной кислородом крови), который можно обнаружить на основе их различной магнитной восприимчивости. В 1990 году три статьи, опубликованные Сейджи Огавой и его коллегами, показали, что гемоглобин обладает разными магнитными свойствами в зависимости от насыщения кислородом (дезоксигемоглобин парамагнитен, а оксигемоглобин диамагнитен), и оба эти состояния могут быть зафиксированы с помощью МРТ. Это вызывает вариации магнитного сигнала, которые можно зарегистрировать с помощью МРТ-сканера. При многократном повторении мысли, действия или переживания статистические методы позволяют определить области мозга, в которых стабильно наблюдается большее различие в уровнях окси- и дезоксигемоглобина, и, следовательно, какие области мозга наиболее активны в процессе этой мысли, действия или переживания.
Критика и ограничения
Хотя в большинстве исследований фМРТ используется контрастная визуализация BOLD для определения наиболее активных областей мозга, поскольку сигналы относительны и не являются количественно определенными для каждого отдельного случая, некоторые ставят под сомнение ее достоверность. Предпринимались попытки использования других методов, предназначенных для непосредственного измерения нейронной активности (например, измерение фракции извлечения кислорода, или ОЭФ, в областях мозга, которое определяет, какая часть оксигемоглобина в крови превратилась в дезоксигемоглобин), но из-за того, что электромагнитные поля, создаваемые активным или возбужденным нейроном, чрезвычайно слабы, отношение сигнал/шум очень низкое, и статистические методы, используемые для получения количественных данных, пока в основном не принесли успеха. Типичное исключение низкочастотных сигналов при контрастной визуализации BOLD было поставлено под вопрос в 1995 году, когда было обнаружено, что "шум" в области мозга, отвечающей за движение правой руки, колебался синхронно с аналогичной активностью в области на противоположной стороне мозга, связанной с движением левой руки. Таким образом, для анализа этих скоррелированных колебаний потребовался новый метод, получивший название фМРТ в состоянии покоя.
История
Доказательство концепции контрастной визуализации, зависящей от уровня насыщения крови кислородом, было представлено Сейджи Огавой и его коллегами в 1990 году после эксперимента, который продемонстрировал возможность обнаружения изменений оксигенации крови *in vivo* с помощью МРТ. В экспериментах Огавы проводилась визуализация срезов мозга грызунов, зависящая от уровня насыщения крови кислородом, при различных концентрациях кислорода в воздухе. При использовании высоких магнитных полей проводилась измерение протонной магнитно-резонансной визуализации мозга живых мышей и крыс под анестезией с использованием импульсной последовательности градиентного эхо. Эксперименты показали, что при постепенном изменении содержания кислорода в дыхательной смеси контрастность изображений также постепенно менялась. Огава предположил и доказал, что оксигемоглобин и дезоксигемоглобин вносят основной вклад в эту разницу. Другими известными пионерами BOLD fMRI являются Кеннет Квонг и его коллеги, которые впервые применили эту технику на людях в 1992 году.