Визуализация, зависящая от уровня кислорода в крови , или контрастная визуализация BOLD , — это метод, используемый в функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) для наблюдения за различными областями мозга или другими органами, которые, как обнаруживается, активны в любой момент времени. [1]
Нейроны не имеют внутренних запасов энергии в виде сахара и кислорода , поэтому их активация вызывает необходимость в быстром поступлении большего количества энергии. Благодаря процессу, называемому гемодинамической реакцией , кровь выделяет кислород активным нейронам с большей скоростью, чем неактивным нейронам. Это вызывает изменение относительных уровней оксигемоглобина и дезоксигемоглобина (оксигенированная или дезоксигенированная кровь ), которые можно обнаружить на основе их дифференциальной магнитной восприимчивости .
В 1990 году три статьи, опубликованные Сейджи Огавой и коллегами, показали, что гемоглобин имеет различные магнитные свойства в его оксигенированной и дезоксигенированной формах (дезоксигенированный гемоглобин парамагнитен , а оксигенированный гемоглобин диамагнитен ), обе из которых могут быть обнаружены с помощью МРТ . [2] Это приводит к изменению магнитного сигнала, которое может быть обнаружено с помощью сканера МРТ. Учитывая многократные повторения мысли, действия или опыта, статистические методы могут быть использованы для определения областей мозга, которые надежно имеют больше этого различия в результате, и, следовательно, какие области мозга наиболее активны во время этой мысли, действия или опыта.
Хотя большинство исследований фМРТ используют контрастную визуализацию BOLD как метод определения наиболее активных частей мозга, поскольку сигналы являются относительными, а не индивидуально количественными, некоторые подвергают сомнению ее строгость. Были предприняты другие попытки измерить нейронную активность напрямую (например, измерение фракции извлечения кислорода, или OEF, в областях мозга, которое измеряет, сколько оксигемоглобина в крови было преобразовано в дезоксигемоглобин [3] ), но поскольку электромагнитные поля, создаваемые активным или активирующим нейроном, настолько слабы, отношение сигнал/шум чрезвычайно низкое, а статистические методы, используемые для извлечения количественных данных, до сих пор были в значительной степени безуспешными.
Типичное отбрасывание низкочастотных сигналов при контрастной визуализации BOLD было поставлено под сомнение в 1995 году, когда было замечено, что «шум» в области мозга, которая контролирует движение правой руки, колебался в унисон с аналогичной активностью в области на противоположной стороне мозга, связанной с движением левой руки. [1] Контрастная визуализация BOLD чувствительна только к различиям между двумя состояниями мозга, [4] поэтому для анализа этих коррелированных колебаний потребовался новый метод, называемый фМРТ состояния покоя .
Его доказательство концепции контрастной визуализации, зависящей от уровня кислорода в крови, было предоставлено Сейджи Огавой и коллегами в 1990 году после эксперимента, который продемонстрировал, что изменение оксигенации крови in vivo может быть обнаружено с помощью МРТ. [5] В экспериментах Огавы контрастность срезов мозга грызунов, зависящая от уровня кислорода в крови, была получена в различных компонентах воздуха. В сильных магнитных полях изображения магнитного резонанса протонов воды мозга живых мышей и крыс под анестезией измерялись с помощью последовательности импульсов градиентного эха. Эксперименты показали, что при постепенном изменении содержания кислорода в дыхательном газе контрастность этих изображений также постепенно менялась. Огава предположил и доказал, что оксигемоглобин и дезоксигемоглобин вносят основной вклад в эту разницу. [6]
Другими известными пионерами BOLD фМРТ являются Кеннет Квонг и его коллеги, которые впервые применили эту технику на людях в 1992 году. [7]
Сигнал фМРТ обычно называют сигналом, зависящим от уровня кислорода в крови (BOLD), поскольку метод визуализации основан на изменениях уровня кислорода в мозге человека, вызванных изменениями в кровотоке.
Огава и др. смогли продемонстрировать, что изменения оксигенации крови in vivo можно обнаружить с помощью МРТ.