История нейровизуализации - History of neuroimaging

Первый нейровизуализация техника - это так называемый «баланс кровообращения человека», изобретенный Анджело Моссо [1] в 1880-х гг. и способны неинвазивно измерить перераспределение кровь во время эмоциональной и интеллектуальной деятельности.[2] Затем, в начале 1900-х годов, появилась техника, названная пневмоэнцефалография был установлен. Этот процесс включал слив спинномозговая жидкость вокруг мозга и заменяя его воздухом, изменяя относительную плотность мозга и его окружения, чтобы заставить его лучше проявляться на рентгеновский снимок, и это считалось невероятно небезопасным для пациентов (Beaumont 8). Форма магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (CT) были разработаны в 1970-х и 1980-х годах.[3][4] Новые технологии МРТ и КТ были значительно менее вредными и более подробно описаны ниже. Далее пришел ОФЭКТ и ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ сканирование, которое позволило ученым отобразить функции мозга, потому что, в отличие от МРТ и КТ, эти сканирования могли создавать больше, чем просто статические изображения структуры мозга. Ученые с помощью МРТ, ПЭТ и ОФЭКТ-сканирования ученые смогли разработать функциональная МРТ (фМРТ) со способностями, которые открыли дверь для прямого наблюдения за познавательной деятельностью.

Анджело Моссо и его «баланс кровообращения человека»

Желание понять человека разум было одним из главных желаний философов на протяжении веков. Вопросы о мыслях, желаниях и т. Д. Нарисовали психологи, компьютерные ученые, философы, социологи и тому подобное вместе в новый дисциплина из познавательный наука. Неинвазивный визуализация человеческого мозга оказалась бесценной в этом контексте.

Самая первая глава истории нейровизуализации восходит к итальянскому нейробиологу. Анджело Моссо кто изобрел «баланс циркуляции человека», который мог неинвазивным методом измерять перераспределение кровь во время эмоциональной и интеллектуальной деятельности.[1] Однако, даже если кратко упомянуто Уильям Джеймс в 1890 году детали и точная работа этих весов и эксперименты Моссо в исполнении этого инструмента оставался в значительной степени неизвестным до недавнего открытия оригинального инструмента, а также отчетов Моссо, сделанных Стефано Сандроне и коллеги.[2] Примечательно, что Анджело Моссо раскопал и исследовал несколько критических переменные которые по-прежнему актуальны в современной нейровизуализации, такие как «соотношение сигнал шум ', соответствующий выбор экспериментальной парадигмы и необходимость одновременной регистрации различных физиологических параметры.[2]

Раннее использование изображений мозга

Однако рукописи Моссо оставались в значительной степени неизвестными более века, и поэтому они были структурными. рентгенографический методы, чтобы доминировать в области визуализации человеческий мозг. К сожалению, поскольку мозг почти полностью состоит из мягких тканей, которые не являются рентгеноконтрастными, он остается практически невидимым для обычного или простого рентгеновского исследования. Это также верно для большинства аномалий головного мозга, хотя есть исключения, такие как кальцинированная опухоль (например,менингиома, краниофарингиома, некоторые виды глиома ); в то время как кальциноз в таких нормальных структурах, как шишковидное тело, сосудистые сплетения или крупные мозговые артерии, может косвенно дать важные ключи к разгадке наличия структурного заболевания в самом мозге.

В 1918 году американский нейрохирург Уолтер Денди представила технику вентрикулографии, при которой изображения желудочковая система внутри головного мозга были получены путем инъекции фильтрованного воздуха непосредственно в один или оба боковых желудочка мозга через одно или несколько небольших трепанковых отверстий, просверленных в черепе под местной анестезией. Хотя вентрикулография обычно не является болезненной процедурой, она сопряжена со значительными рисками для исследуемого пациента, такими как кровотечение, инфекция и опасные изменения внутричерепного давления. Тем не менее, хирургическая информация, полученная с помощью этого метода, часто была чрезвычайно точной и значительно расширяла возможности и точность нейрохирургического лечения. Денди также заметил, что воздух, введенный в субарахноидальное пространство через поясничную спинномозговую пункцию, может попадать в желудочки головного мозга, а также продемонстрировать компартменты спинномозговой жидкости вокруг основания мозга и над его поверхностью. Эта техника получила название пневмоэнцефалография. Это еще больше расширило возможности для точной внутричерепной диагностики, но с такой же ценой рисков для пациента, а также само по себе было наиболее неприятным и часто болезненным испытанием.

Развитие современных методик

В 1927 г. Эгас Мониш, профессор неврологии в Лиссабон и Нобелевская премия по физиологии и медицине победитель 1949 г., введен церебральный ангиография, при этом как нормальные, так и ненормальные кровеносный сосуд внутри и вокруг мозга можно было визуализировать с большой точностью. Вначале эта техника также несла как непосредственные, так и долгосрочные риски, многие из которых относились к пагубным эффектам веществ с положительным контрастом, которые использовались для инъекций в кровоток. За последние несколько десятилетий методы стали очень усовершенствованными, и каждый 200-й пациент или менее испытывает ишемические последствия процедуры. В результате церебральная ангиография остается важной частью арсенала диагностической визуализации нейрохирургов и, во все большей степени, терапевтического арсенала при нейроинтервенционном лечении церебральных заболеваний. аневризмы и другие поражения кровеносных сосудов и в некоторых вариантах головного мозга опухоль.

Компьютерная томография

С появлением компьютерная аксиальная томография (Компьютерная томография или компьютерная томография) для диагностических и исследовательских целей стали доступны все более подробные анатомические изображения мозга. Имена Oldendorf (в 1961 г.) Годфри Ньюболд Хаунсфилд и Аллан МакЛеод Кормак (в 1973 г.) связаны с этим революционным нововведением, которое сделало возможным гораздо более легкое, безопасное, неинвазивное, безболезненное и (в разумной степени) повторяемое нейроисследование. Кормак и Хаунсфилд выиграли Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1979 г. за эту работу.[3]

Радиоактивная нейровизуализация

Ранние методы, такие как ксенон ингаляция предоставила первые карты кровотока в головном мозге. Разработан в начале 1960-х гг. Нильс А. Лассен, Дэвид Х. Ингвар и Эрик Скинхой на юге Скандинавия он использовал изотоп ксенон-133. В более поздних версиях будет 254 сцинтилляторы Таким образом, на цветном мониторе можно было получить двухмерное изображение. Это позволило им создавать изображения, отражающие активацию мозга при разговоре, чтении, визуальном или слуховом восприятии и произвольных движениях.[5]Этот метод также использовался для исследования, например, воображаемых последовательных движений, мысленных расчетов и мысленной пространственной навигации.[6][7]

Вскоре после изобретения CAT развитие радиолиганды начал революцию в области функциональной визуализации. Радиолиганды либо остаются в кровотоке, либо попадают в мозг и связываются с рецепторами. Радиолиганды являются эмиттерами одиночных фотонов или позитронов. Вот как однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) получили свои имена. В то время как первое устройство для визуализации позитронов человека было разработано Гордоном Браунеллом и Уильямом Свитом в 1950-х годах,[8] Мишель Тер-Погосян, Эдвард Дж. Хоффман и Майкл Фелпс в 1973 году разработал первый ПЭТ-сканер человека с гексагональными детекторами.

После работы Маркус Райхл и соавторов, функциональная визуализация сделала большой шаг вперед с разработкой воды, меченной кислородом-15 (H215O или H20-15) изображения. H20-15 излучает позитроны и создает изображения на основе регионального кровотока в головном мозге. Поскольку активные нейроны обеспечивают надежное кровоснабжение, ПЭТ H20-15 позволила исследователям составить региональные карты активности мозга во время различных когнитивных задач. Позже использовался более распространенный вид функциональной визуализации, основанный на сканировании ПЭТ. ФДГ, производное сахара, излучающее позитроны, которое распределяется в мозге в соответствии с местной метаболической активностью. В отличие от короткого периода полураспада кислорода-15 (2,25 минуты), период полураспада ФДГ 110 минут позволял сканировать ПЭТ на машинах, физически удаленных от циклотрона, производящего изотоп (в данном случае фтор-18).

Магнитно-резонансная томография

Вскоре после первоначального развития КТ, магнитно-резонансная томография (МРТ или МРТ). Вместо использования ионизирующего или рентгеновского излучения, МРТ использует изменение сигналов, производимых протоны в теле, когда голова находится в сильном магнитное поле. С ранним применением этой базовой техники к человеческому телу связаны имена Джексона (1968 г.), Дамадиан (в 1972 г.), а Абэ и Пол Лаутербур (в 1973 г.). Лаутербур и сэр Питер Мэнсфилд были награждены 2003 Нобелевская премия по физиологии и медицине за их открытия в области МРТ. Сначала от внедрения МРТ структурная визуализация принесла больше пользы, чем функциональная визуализация. В 1980-х годах произошел настоящий взрыв технических усовершенствований и диагностических приложений МРТ, что позволило даже неврологическим новичкам диагностировать патологию мозга, которая была бы неуловима или неспособна продемонстрировать у живого человека всего десять или два года назад.[3]

Вскоре ученые узнали, что большие изменения кровотока, измеренные с помощью ПЭТ H20-15, также были отображены с помощью МРТ. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) родился. С 1990-х годов фМРТ стала доминировать в области картирования мозга из-за своей низкой инвазивности, отсутствия радиационного воздействия и относительно широкой доступности.

Физики также разработали другие методы на основе МРТ, такие как маркировка артериального спина (где артериальная кровь подвергается магнитной метке до того, как она попадает в интересующую ткань, и количество меток измеряется и сравнивается с контрольной записью, полученной без спин-метки), магнитно-резонансная спектроскопия (для измерения некоторых ключевых метаболитов, таких как N-ацетиласпартат и лактат в живом мозгу) и диффузионная тензорная визуализация (для картирования участков белого вещества живого мозга). В то время как структурная МРТ и компьютерная томография занимают большое место в медицине, фМРТ и аналогичные методы все еще в значительной степени посвящены исследованиям в области нейробиологии. Однако совсем недавно неврологи начали использовать фМРТ, чтобы начать отвечать на клинические вопросы, например, как долго после тромботического инсульта безопасно и эффективно давать растворяющие сгустки препараты, такие как тканевый активатор плазминогена (TPA). Точно так же ПЭТ и ОФЭКТ вышли из сферы нейроисследований и все чаще используются в клинической практике, чтобы помочь диагностировать и дифференцировать типы дементирующих заболеваний (слабоумие ).

Магнитоэнцефалография

Магнитоэнцефалография (MEG) сигналы были впервые измерены физиком Университета Иллинойса. Дэвид Коэн в 1968 г.[9] Позже он использовал один из первых КАЛЬМАР детекторы, чтобы снова измерить сигналы МЭГ.[10]

Мультимодальная нейровизуализация

Мультимодальная визуализация сочетает в себе существующие методы визуализации мозга синергетическим образом, что способствует более точной интерпретации данных.

Помимо фМРТ, еще одним примером технологии, позволяющей использовать относительно старые методы визуализации мозга, которые могут быть еще более полезными, является возможность комбинировать различные методы для получения одной карты мозга. Это часто случается с МРТ и ЭЭГ сканы. Электрическая схема ЭЭГ обеспечивает синхронизацию за доли секунды, а МРТ обеспечивает высокий уровень пространственный точность.

Комбинированное использование МЭГ и функциональная магнитно-резонансная томография впервые было сообщено в 1999 году.[11] Он сочетает в себе пространственное разрешение фМРТ с временным разрешением МЭГ. Часто неединственность задачи оценки источника МЭГ (обратная задача ) можно облегчить путем включения информации из других методов визуализации в качестве априори ограничение. Анатомически ограниченная МЭГ (aMEG) использует анатомические данные МРТ в качестве геометрических или локальных ограничений и в качестве среды для визуализации результатов МЭГ.[12] МЭГ не предоставляет структурной или анатомической информации. Следовательно, данные MEG часто объединяются с данными MR в составное изображение, в результате чего функциональная информация накладывается на соответствующую анатомию для создания карты активации.[13]

Недавние открытия

Недавние достижения в области неинвазивной визуализации мозга были несколько ограниченными, поскольку большинство из них не были полностью новыми; скорее, они просто совершенствуют существующие методы визуализации мозга. фМРТ является прекрасным примером этого с начала 1990-х годов и до сих пор остается самым популярным методом визуализации мозга, доступным сегодня.

В области нейровизуализации был достигнут ряд успехов, и в этом разделе будут рассмотрены некоторые из наиболее заметных улучшений, включая достижения в области вычислительной техники, транскраниальной визуализации. магнитный стимуляция и ядерный магнитный резонанс.

Начнем с того, что большая часть недавнего прогресса была связана не с самими методами визуализации мозга, а с нашей способностью использовать компьютеры для анализа данных. Например, существенные открытия в развитии человеческого мозга в возрасте от трех месяцев до пятнадцати лет были сделаны благодаря созданию карт мозга с высоким разрешением и компьютерным технологиям для анализа этих карт за различные периоды времени и роста (Томпсон, UCLA ). Этот тип прорыва отражает природу большинства достижений в нейробиология сегодня. С технологией фМРТ, отображающей мозг сверх того, что мы уже понимаем, большая часть времени новаторов тратится на попытки понять смысл данные у нас уже есть, а не исследовать другие области изображений мозга и отображение.

Это можно более четко увидеть в том факте, что архивы изображений мозга набирают популярность и нейроинформатика позволяет исследователям исследовать тысячи мозгов, а не только несколько (Линч). Кроме того, эти архивы универсализируют и стандартизируют форматы и описания, чтобы сделать их более доступными для поиска для всех. В течение последнего десятилетия мы могли получать данные, и теперь наши технологии позволяют нам намного проще делиться результатами и исследованиями. Это также позволило сделать «атласы мозга». Карты мозга представляют собой просто карты того, как выглядит нормально функционирующий мозг (Томпсон, Биоинформатика).

Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS) - недавняя инновация в области визуализации мозга. В TMS катушка удерживается возле головы человека, чтобы генерировать импульсы магнитного поля, которые стимулируют нижележащие клетки мозга, чтобы заставить кого-то выполнить определенное действие. Используя это в сочетании с МРТ, исследователь может создавать карты мозга, выполняющие очень специфические функции. Вместо того, чтобы просить пациента постучать пальцем, катушка ТМС может просто «сказать» его мозгу, чтобы он постучал по его пальцу. Это устраняет многие из ложные срабатывания полученные при традиционных МРТ и фМРТ. Изображения, полученные с помощью этой технологии, немного отличаются от типичных результатов МРТ, и их можно использовать для картирования мозга любого объекта, отслеживая до 120 различных стимуляций. Эта технология использовалась для картирования как моторных, так и зрительных процессов (ссылка Поттса внизу TMS). В дополнение к фМРТ, активацию ТМС можно измерить с помощью электроэнцефалография (ЭЭГ)[14] или же ближняя инфракрасная спектроскопия (NIRS).

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) - это то, из чего были получены технологии МРТ и фМРТ, но недавние успехи были достигнуты благодаря возврату к исходной технологии ЯМР и обновлению некоторых ее аспектов. ЯМР традиционно имеет два этапа: кодирование сигнала и обнаружение, и эти этапы обычно выполняются в одном и том же приборе. Новое открытие, однако, предполагает, что использование поляризованных лазером ксенон Газ для «запоминания» закодированной информации и передачи этой информации на удаленное место обнаружения может оказаться гораздо более эффективным (Прейс). Разделение кодирования и обнаружения позволяет исследователям получать данные о химический, физический, и биологический процессы, которые они не могли получить до сих пор. Конечный результат позволяет исследователям наносить на карту объекты размером с геологический образцы керна или даже единичные клетки.[нужна цитата ]

Интересно наблюдать, как успехи делятся между теми, кто стремится к полностью отображенному мозгу за счет использования одного нейрон визуализация и те, которые используют изображения мозга в качестве субъектов, выполняют различные задачи высокого уровня.[нужна цитата ] Визуализация одиночного нейрона (SNI) использует комбинацию генной инженерии и оптический методы визуализации для вставки крошечных электроды в мозг с целью измерения срабатывания одного нейрона.[нужна цитата ] Из-за пагубных последствий этот метод применялся только на животных, но он пролил много света на основные эмоциональные и мотивационные процессы.[нужна цитата ] Цель исследований деятельности более высокого уровня - определить, как сеть областей мозга взаимодействует для выполнения каждой задачи.[нужна цитата ] Такую визуализацию более высокого уровня сделать намного проще, потому что исследователи могут легко использовать субъектов, у которых есть такие заболевания, как Болезнь Альцгеймера.[нужна цитата ] Технология SNI, похоже, преследует возможность ИИ, в то время как технология сетевого зондирования, похоже, больше медицинский целей.[нужна цитата ]

Рекомендации

Примечания

  1. ^ а б Сандроне; и другие. (2012). «Анджело Моссо». Журнал неврологии. 259 (11): 2513–2514. Дои:10.1007 / s00415-012-6632-1. PMID  23010944.
  2. ^ а б c Сандроне; и другие. (2014). «Взвешивание мозговой активности с помощью весов: обнаружены оригинальные рукописи Анджело Моссо». Мозг. 137 (Pt 2): 621–633. Дои:10.1093 / мозг / awt091. PMID  23687118.
  3. ^ а б c Филлер АГ (2009 г.). «История, развитие и влияние компьютерной визуализации в неврологической диагностике и нейрохирургии: КТ, МРТ, DTI». Природа предшествует. Дои:10.1038 / npre.2009.3267.5.
  4. ^ Лидс, NE; Киффер, С.А. (ноябрь 2000 г.). «Эволюция диагностической нейрорадиологии с 1904 по 1999 год» (PDF). Радиология. 217 (2): 309–18. Дои:10.1148 / радиология.217.2.r00nv45309. PMID  11058623.
  5. ^ Нильс А. Лассен, Дэвид Х. Ингвар, Эрик Скинхой, «Функции мозга и кровоток», Scientific American, 239 (4): 50-59, октябрь 1978 г.
  6. ^ Пер Э. Роланд, Б. Ларсен, Нильс А. Лассен, Эрик Скинхой (1980). «Дополнительная моторная зона и другие корковые зоны в организации произвольных движений у человека». Журнал нейрофизиологии. 43 (1): 118–136. Дои:10.1152 / ян.1980.43.1.118. PMID  7351547.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  7. ^ Пер Э. Роланд и Ларс Фриберг (1985). «Локализация активированных мышлением участков коры». Журнал нейрофизиологии. 53 (5). С. 1219–1243.
  8. ^ "Brownell GL, Sweet WH. Локализация опухолей головного мозга с помощью позитронных излучателей", Нуклеоника,11(11):40-45.
  9. ^ Коэн Д. (1968). «Магнитоэнцефалография: свидетельство магнитных полей, создаваемых токами альфа-ритма». Наука. 161 (3843): 784–6. Bibcode:1968Sci ... 161..784C. Дои:10.1126 / science.161.3843.784. PMID  5663803.
  10. ^ Коэн Д. (1972). «Магнитоэнцефалография: обнаружение электрической активности мозга с помощью сверхпроводящего магнитометра». Наука. 175 (4022): 664–66. Bibcode:1972 г., наука ... 175..664C. Дои:10.1126 / science.175.4022.664. PMID  5009769.
  11. ^ Альфорс С. П .; Симпсон Г. В .; Дейл А. М .; Belliveau J. W .; Лю А. К .; Корвеноя А .; Виртанен Дж .; Huotilainen M .; Tootell R.B.H .; Aronen H.J .; Ильмониеми Р. Дж. (1999). «Пространственно-временная активность корковой сети для обработки зрительного движения, обнаруженного с помощью МЭГ и фМРТ». J. Neurophysiol. 82 (5): 2545–2555. Дои:10.1152 / ян.1999.82.5.2545. PMID  10561425.
  12. ^ Дейл А.М., Лю А.К., Фишл Б., Льюин Д.Д., Бакнер Р.Л., Белливо Д.В., Халгрен Э. (2000). «Отображение динамических статистических параметров объединяет информацию фМРТ и МЭГ для получения изображения корковой активности с высоким разрешением». Нейрон. 26 (1): 55–67. Дои:10.1016 / s0896-6273 (00) 81138-1. PMID  10798392.
  13. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал 7 мая 2007 г.. Получено 5 марта 2007.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  14. ^ Ilmoniemi RJ и Kicic D, Методология комбинированной ТМС и ЭЭГ, Brain Topogr. 22, 233–248 (2010).