تصویربرداری از رزونانس مغناطیسی مغز(fmri)

اصول و ماهیت fmri  همانند mri می باشد ، فقط تفاوت های اندکی با هم دارند . تصاویری که به وسیله fmri  بدست می ایند ، از رزولوشن بالا و قابل توجهی برخوردار می باشند و همچنین به واسطه ثبت سیگنال هایی که وابسته به سطح اکسیژن موجود در خون هستند ، فعالیت های گوناگون مغز را با روش های غیر تهاجمی برای ما فراهم می اورند . دانشمندان ادعا می کنند که به وسیله fmri توانسته اند از رویاهای افراد مطلع شوند ، به این صورت که وقتی فرد مورد نظر در خواب به سر می برد ، از امواج مغزی او تصویربرداری های لازم انجام می شود و با یاری یک نرم افزار رایانه ای این امواج رمز گشایی می شود .
تصاویری که در زمینه تهیه نقشه تغییرات عملکردی مغز بوسیله MRI گرفته شده است بر عملکردهای مغزی و تصاویر آناتومیکی موجود منطبق است. توانایی نمایان ساختن ساختارهایی که در عملکردهای خاص مغز نقش دارند استفاده از تکنیک جدیدی به نام FMRI می باشد که تصاویر آن رزولوشن بالایی داشته و فعالیتهای مغزی را با روشهای غیر تهاجمی از طریق ثبت سیگنالهای وابسته به سطح اکسیژن خون فراهم می کند. این توانایی نمایش مستقیم عملکرد مغزی ، برداشت و درک مارا از روند فعالیتهای مغزی و وضعیت عصبی و ریسکهای عصبی افزایش می دهد.
تاریخچه
تاریخچه ی تصویربرداری عصبی در دهه ۱۹۰۰ با یک روش که pneumoencephalography نامیده شد، آغاز شد. این فرایند شامل خشک کردن مایع مغزی نخاعی از اطراف مغز و جایگزینی آن با هوا، اکسیژن یا هلیوم ست، این عمل تفاوت چگالی نسبی مغز و اطراف آن را باعث می شود و از این طریق درتصویربرداری با استفاده از x-ray، مغز بهتر نمایش داده می شود. در دهه های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ روش های MRI و CT وارد عرصه ی تصویربردای مغز شدند . تکنولوژیهای جدید MRI و CT به طرز قابل توجهی ایمن تر بودند و جزئیات بیشتری را در اختیار محققان قرار می دادند. نسل بعدی اسکن های مورد استفاده برای مغز SPECT و PET بودند که به دانشمندان اجازه می دادند عملکرد مغز را بررسی کنند، زیرا برخلاف روش های MRI و CT این روش ها می توانند اطلاعاتی بیشتر از چند تصویر استاتیک از مغز ایجاد کنند. با ترکیبی از روش های MRI و PET و همینطور SPECT ، دانشمندان قادر شدند که روش دیگری به نام functional MRI را ایجاد کنند که می توانست دری مستقیم به سوی مشاهده فعالیت های شناختی باز کند. در کنار fMRI امروزه از Electroencephalograph و همچنین از الکترودهایی که در مغز و به صورت تهاجمی قرار داده می شوند نیز برای برررسی نحوه ی فعالیت آن استفاده می شود، که هر کدام مزایا و معایبی دارند. fMRI یک نوع تخصصی شده ازاسکن های MRI است که پاسخ های همودینامیکی (تغییرات در جریان خون) مرتبط با فعالیت های عصبی در مغز یا نخاع انسان یا دیگر حیوانات را اندازه‌گیری می کند. همانطور که پیش تر گفته شد fMRI یکی از جدیدترین ابزراها در تصویربرداری عصبی است. در دهه ۱۹۹۰، fMRI به دلیل غیرتهاجمی بودن، عدم قرارگرفتن در معرض تشعشعات و همینطور دسترسی نسبتاً گسترده تبدیل به یک روش غالب در تصویربرداری از مغز شد. امروزه روش های fMRI به طور غیر کمی استفاده می شوند، در این راستا متخصصین علوم اعصاب بیشتر به محل فعالیت مغزی علاقه‌مندند تا مقدار دامنه ی فعالیت آن. بنابراین معمولاً سوالی که در رابطه با تصاویر fMRI مطرح است این است که یک ناحیه تا چه حد فعال است و یا فعالیت آن در مقایسه با نواحی دیگر چگونه است . در کاربردهای کلینیکی fMRI، مقدار مطلق دامنه ی فعالیت مغز به یک محرک خاص می‌تواند حاوی اطلاعات مهمی باشد و همین عاملی است جهت روی آوردن به سمت کمی سازی اطلاعات در تصاویر fMRI. ولی این مورد به راحتی عملی نمی‌شود، زیرا از طرفی اصول فیزیکی fMRI که اندازه‌گیری می شوند پیچیده هستند و از سوی دیگر کاملاً شناخته شده نیستند.
اف‌ام‌آرآی یا تصویرسازی تشدید مغناطیسی کارکردی (Functional Magnetic Resonance Imaging) مشهور به fmri نام نوعی روش تصویربرداری در ام آر آی است.
FMRI بر پایه افزایش جریان خون عروق لوکال ( محلهایی که فعالیتهای عصبی مغز را سازماندهی می کنند) عمل می کند. این نتیجه در اثر کاهش لوکال و موضعی در deoxyhemoglobin پارامگنتیک است سیگنالهای با رزولوشن تصویری T2 weighted را تغییر می دهد. بنابراین این ماده گاهی بعنوان یک ماده کنتراست زای خودبخودی داخلی عمل می کند و بعنوان منبع سیگنال در FMRI عمل می کند و با استفاده از یک سکانس تصویری مناسب عملکردهای Cortical مغز انسان بدون استفاده از مواد کنتراست زای بیرونی در اسکنر پزشکی نمایان می شود. فعالیتهای عملکردی مغز که به وسیله سیگنالهای MR تهیه شده اند مشخصات آناتومیکیمختلف مغز از جمله قشر مخ ، کورتکس حرکتی و نواحی Broca صحبت و فعالیتهای تکلمی را تصدیق می کند. مقایسه FMRI و تکنیکهای electrophy siological معمولی توانایی فوق العاده FMRI را در بررسی دقیق و تمرکز عملکردهای خاص مغز انسان نشان می دهد. بنابراین تعداد مراکز پزشکی و research مربوط به FMRI در حال افزایش است. بزرگترین مزیت FMRI به عنوان یک تکنیک ثبت تصاویر فعالیتهای مغزی با توجه به پروسه های حساس و دقیق بکارگرفته شده در آن شامل موارد زیر می باشد:
۱- سیگنال احتیاج به تزریق ایزوتوپ رادیواکتیو ندارد.
۲- زمان نهایی اسکن می تواند خیلی کوتاه باشد برای مثال ۲ تا ۵/۱ دقیقه min per run 2 .
۳- رزولوشن in-plan تصاویر عملکردی معمولاً‌ در حدود mm5/1*5/1 است اگر چه امکان ایجاد رزولوشن کمتر از mm1 وجود دارد.
برای پی بردن به اهمیت روش FMRI آن را با آخرین متدهای PET مقایسه می کنیم.
PET احتیاج به تزریق مواد رادیوایزوتوپ و multiple acquisition دارد بنابراین زمان تصویربرداری زیاد شده و رزولوشن قابل انتظار تصاویر PET بسیار بزرگتر از pixel size در FMRI می باشد. بعلاوه در PET معمولاً باید تصاویر مغزی جداگانه زیادی با هم جمع شوند تا یک سیگنال قابل قبول ایجاد کنند بنابراین اطلاعات سیگنال بیمار به خطر می افتد و محدود می شود. با وجود این محدودیتها PET در کارهای مهمی در مشکلات عصبی کاربرد دارد ولی برای طراحی یک عمل جراحی اعصاب یا نقشه درمان در موارد خاص مناسب نیست.

Methods
روشهای تصویربرداری خاص از یک مرکز به مرکز دیگر متفاوت می باشند زیرا هر گروه پیشرفتهای مستقلی در زمینه متد و روشهای آنالیز حاصل کرده اند و هنوز یک روش واحد و استاندارد برای استفاده در کلیه مراکز وجود ندارد ولی فاکتورهای مورد استفاده در کل و با میانگین کاربرد بیشتر شامل موارد زیر می باشد :
در تهیه تصاویر از T2 weighted با سکانس گرادیان اکو، TE = 60 ms و TR = 3s و ْ flip angle = 90و سیستم T 5/1 استفاده می شود. ضخامت اسلایس mm5 و گاهی mm3 با تصاویر همزمان تا ۱۶ اسلایس در کنار هم به دست می آید.
چه آمادگی هایی برای این روش لازم است؟
مانند MRI ، مریض باید یک لباس کشاد و راحت بپوشد شاید هم اجازه داده شود پوشاک خودش را بپوشید اگر گشاد باشد و هرگونه فلزی را باید از خود دور سازد.
اجازه در مورد خوردن و آشامیدن بسته به نوع تجهیزات و آزمایش متفاوت است. اکثرا بعد از عکسبرداری مریض می تواند به کارهای روزانه اش ادامه دهد(مگر اینکه پزشک دستور ویژه ای بدهد).
گاهی شاید به بیمار مواد کنتراست خورانده یا تزریق شود. رادیولوژیست یا تکنسین ممکن است از بیمار بپرسد که آیا او آلرژیهایی از هر نوعى از قبیل تب یونجه ، کهیر، آسم و یا آلرژی به انواع غذا و دارو دارد یا نه. مواد کنتراستی که برای MRI استفاده می شود به گادولینیم (gadolinium) موسوم است.
در مواردی مثل بیماری های کلیوی و یا کم خونی ممکن است از داروهای کنتراست استفاده نشود.
زنانی که احتمال بارداریشان می رود باید به پزشک اطلاع دهند. چون اثرات احتمالی MRI بر نوزاد و یا جنین می تواند خطرناک باشد و تا زمانی که واقعا ضروری نباشد نباید اقدام به MRI کنند.
هرگونه جواهرات باید از بدن دور شود. چون این لوازم با میدان مغناطیسی تداخل می کنند. مریض هایی که در بدن خود از پلاتین و یا مواد فلزی دیگر استفاده می کنند نمی توانند از MRI استفاده کنند.
در صورت داشتن هر گونه وسایل الکترونیکی و فلزی در بدن باید به پزشک اطلاع داد. برخی از این وسایل عبارتند از:
_ سمعک
_ سوند
_ IUD
_ باتری قلب
_ دست و پای مصنوعی
در کل فلزات بکار برده شده در جراحی ارتوپدی خطری را در هنگام MRI متوجه بیمار نمی کنند. اگر شک و شبهه ای از وجود مواد فلزی وجود داشته باشد می توان بوسیله عکس های اشعهX از وجود این اشیا اطمینان حاصل کرد.
رنگ های استفاده شده در خالکوبی ممکن است حاوی آهن باشند و ممکن است هنگام عکسبرداری MRI گرم شوند، اما در واقع مشکلی برای فرد و عکسبرداری ایجاد نمی کنند. دندانهای پر شده معمولا بر عکسبرداری تاثیر نمی گذارند. اما ممکن است تصویر مغز را کمی اعوجاج دار کنند.
روش کار : بیمار یا شیء مورد نظر مانند MRI معمولی در اسکنر قرار می گیرد plane lines مثل معمول تنظیم می شوند و در یک روشی FMRI معمولاً ۳۰ تصویر در مدت s 90 گرفته می شود. ۱۰ تصویر اول و آخر baseline conditions و ۱۰ تصویر وسط ( s 30 ) در طی کار گرفته می شود.
برای مثال در یک مورد آزمون طراحی شده برای تعیین فعالیتهای بافت مغزی در حرکت دست و انگشتان از FMRI استفاده شد. در این آزمون نحوه فعالیت مغز در طی کار،‌ شروع و خاتمه این دوره فعالیت بوسیله یک سیگنال سمعی یا بصری دنبال شد تغییر سیگنال در یک فعالیت حسی بدنبال تحریک بساوایی دست چپ در تصویر ۱ به نمایش در آمده است. محور طولی ۳۰ تصویر گرفته شده در طی ۹۰ ثانیه را نشان می دهد.

۱۰ تصویر اول قبل از تحریک ( base line ) به همراه ۱۰ تصویر در حین فعالیت و بعد از تحریک دست چپ نمایش داده شده است. هر سری تصاویر ۹۰ ثانیه بصورت افزایش شدت سطح یک وکسل نشان داده شده است. در این مثال نتیجه حرکت دست چپ تغییراتی در فعالیتهای نیمکره راست بوده و احتمالاً شیار مرکزی عقبی حسی strip را نشان می دهد.
تصویر ۱- یک اسلایس mm5 بهمراه وکسل که تغییرات سیگنالی معنی داری با تحریک لمس دست چپ نشان می دهد. تصاویر ۱ تا ۲۰ در طی شرایط base line ، تصاویر ۲۰-۱۱ در طی تحریک و تصاویر ۲۱ تا ۳۰ در طی base line recovery گرفته شده است.
Data analysis : آنالیزهای آماری برای مشخص کردن نواحی فعالیتهای مغزی در کارهای خاص مهم می باشند این مراحل متوالی آنالیز در تصویر ۲ شرح داده شده است و طرح شماتیکی از محل فعالیت مغز در طی تحریک انگشتان دست چپ نشان می دهد. واحد اصلی آنالیز سیگنال وکسل است. همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده محور x و y محل in-plan و z اسلایس را مشخص می کند.
توزیع احتمالی تجربی بر پایه تصویر فانتوم نشان داد احتمال نتیجه معنی دار کمتر از ۰۰۰۱/۰ است وکسلی که افزایش شدت معنی داری را نشان ندهد درطی تحریک رنگی نشان داده نمی شود. آنها بصورت سطح متوسطی که در جزئیات آناتومیکی برای هر اسلایس مغز بدست می آید نشان داده می شوند.

نقش FMRI در planning عصبی بیماران
از آنجایی که فعالیتهای عصبی در ترسیم صحیح ساختار و عملکرد مغزی بسیار مهم است ، یکی از غیر قابل انکار FMRI، planning عصبی می باشد. نیاز به نقشه های مجزای مغزی وقتی اهمیت خود را نشان می دهد که حضور یک تومور مغزی location و محل مورد انتظار یک فعالیت را تغییر دهد یا وقتی تومور در یک ناحیه با فعالیت نامعلوم باشد.
نتایج FMRI گرفته شده با این هدف، موافق نتایج electrophysiology، PET، Cortical stimulation و magneto encephalography می باشد. مثال زیر مزیت داشتن اطلاعات مربوط به فعالیتهای مغزی در کنار اطلاعات آناتومیکی در درمان تومور مغزی را نشان می دهد .
در شکل ۳ یک اسلایس سیگنال آکسیال نشان داده شده است. بیمار مرد ۳۲ ساله است که سیگنالهای مغزی وی قبل و بعد از برش لوب GBM فرونتال چپ نشان داده شده است . قبل از عمل نقشه عملکردی نواحی گرفتاری در نزدیکی تومور در طی فعالیتهای گفتاری بیمار ( اسلایس چپ ) نشان داده شده است. اسلایس سمت راست ناحیه مشابهی از مغز بعد از برش تومور را نشان می دهد که ناحیه گرفتاری درون کوچکتری نقصی باقیمانده و بیمار هیچگونه اختلال در گفتار بعد از عمل ندارد.

بنابراین انتخاب محل عمل تومور اگر بر پایه اطلاعات عملکردی مغز باشد نتیجه رضایت بخشی حاصل می شود.
– بدنبال توانایی به تصویر کشیدن سه بعدی مغز، FMRI می تواند وقایع همزمان و هماهنگ مغز را مجزا کند. نمایش multi level فعالیتهای مغز می تواند شامل عملکردهای ادراکی و کارهای شناختی همزمان که از طریق input بینایی و شنوایی حاصل شده است، باشد. FMRI ساختار مغز را در حین فعالیتهای همزمانی چون بینایی ، گفتاری و ادراکی و حل مشکلات و … بررسی می کند.

BOLD fMRI
این ایده که جریان خون مغزی(CBF)می تواند فعالیت های عصبی را منعکس کند با آزمایش‌های Roy وSherrington در سال ۱۸۹۰ شروع شد . این مفهوم پایه ی تمام تکنیک های تصویربرداری امروزی است که براساس همودینامیک از مغز انجام می شود. تغییرات جریان خون و میزان اکسیژن خون مغز ( همراه با هم همودینامیک نامیده می شوند) که به خوبی با فعالیت های عصبی مرتبط هستند. افزایش محلی CBF می تواند مستقیماً مرتبط با فعالیت الکتریکی باشد، زیرا متابولیسم گلوکز و تغییرات CBF به خوبی کوپل هستند. بنابراین، اندازه‌گیری تغییرات CBF ایجاد شده توسط یک محرک می تواند برای نگاشتن عملکرد مغز استفاده شود. از آنجاییکه نرخ متابولیک مغزی گلوکز (CMRglu) و تغییرات CBF کوپل هستند، به نظر می رسد نرخ متابولیک مغزی اکسیژن (CMRO2) و تغییرات CBF نیز کوپل هستند. بر اساس اندازه‌گیری های CBF و CMRO2 توسط PET نشان داده شد که میزان افزایش در افزایش CBF به میزان افزایش در CMRO2 برتری دارد. در نتیجه، یک عدم تطبیق بین تغییرات CMRO2 و CBF باعث افزایش سطح اکسیژن خون در سرخرگ ها و سیاهرگ ها می شود، که یک پارامتر جدید را ( علاوه بر CBF) برای نگاشتن فعالیت های مغز معرفی می کند. BOLD یک کنتراست MRI از دی اکسی هموگلوبین خون است. که برای اولین بار توسط Ogawa و همکارانش در آزمایشگاه Bell دانشگاه AT&T در سال ۱۹۹۰ کشف شد. کنتراست BOLD وابسته به تغییرات دی اکسی هموگلوبین(dHb) خون است ، که به عنوان یک ماده کنتراست پارامغناطیس درونی عمل می کند. بنابراین، تغییر در میزان غلظت dHb محلی در مغز نماینده ای از میزان شدت سیگنال MRI خوهد بود. روش تصویربرداری BOLD به دلیل حساسیت بالا و اجراساده ی آن به طور وسیعی استفاده می شود. اما سیگنال BOLD به پارامترهای آناتومیکی، فیزیولوژیکی و تصویربرداری وابسته است و تفسیر آن با توجه به پارامترهای فیزیولوژیک به صورت کیفی و نیمه کمی است. بنابراین، مقایسه نتایج ازمایشگاههای مختلف با میدان های مغناطیسی مختلف، با هم مشکل است. در مقابل تغییرات CBF نیز توسط MRI قابل اندازه‌گیری است و چون سیگنال های fMRI وابسته به یک پارامتر فیزیولوزیک است، تفسیر کمی آن سر راست تر است.

متابولیسم و جریان خون در مغز

واکنش های بیوشیمی که پیام های عصبی را از طریق پتانسیل عمل و نیز نوروترنسمیتر ها منتقل می کنند، همگی به انرژی نیاز دارند. این انرژی در فرم ATP است، که از گلوکز و درحین فرایند اکسید و فسفری شدن در چرخه ی kreb تامین می شود. با هیدرولیز شدن ATP به ADP ، انرژی آزاد می شود، که می تواند باعث به راه اندازی واکنش های شیمیایی شود. ایجاد ATP از ADP با فرایندهای اکسیدشدن و فسفری شدن بر اساس نیاز بدن مراقبت می شود، بنابراین میزان ذخیره انرژی همواره ثابت می ماند. می توان گفت سرعت واکنش عمدتاً وابسته به مقدار ADP موجود است. به این معنی است که نرخ مصرف اکسیژن از طریق فرایندهای اکسیدشدن و فسفری شدن یک معیار خوب برای اندازه‌گیری انرژی استفاده شده در آن ناحیه است. اکسیژن مورد نیاز برای متابولیسم در خون تولید می شود. از آنجایی که اکسیژن در خون انحلال پذیری خوبی ندارد، پروتیینی به نام هموگلوبین در خون وجود دارد که از قضا به خوبی هم با اکسیژن باند می شود. بخش جالب توجه در مورد هموگلوبین وجود اتمهای آهن درآن است، که در یک ساختار ارگانیک باند شده است و رنگ خون هم به دلیل همین اتم هاست. وقتی اکسیژن با هموگلوبین ترکیب می شود، به آن اکسی هموگلوبین و زمانیکه اکسیژنی با آن ترکیب نشده است داکسی هموگلوبین گفته می شود. جهت تامین میزان انرژی زیادی که برای فعالیت های مغز لازم است، میزان اکسیژن و خون ارسالی به مغز بالاست. با اینکه مغز تنها ۲% از وزن بدن را دارد، نرخ مصرف اکسیژن در آن ۲۰% است و جریان خون آن ۱۵% کل مقدار موجود است. جریان خون به ماده خاکستری، که یک ناحیه ی پر از سیناپس است، ۱۰ برابر ماده ی سفید مغز در واحد حجم است. درک ضعیفی از نحوه تنظیم جریان خون محلی وجود دارد، اما می دانیم که فعالیت های الکتریکی محلی باعث افزایش سریع انتخابی جریان خون در آن ناحیه می شود. افزایش موضعی در فعالیت عصبی در مغز منجر به اتساع عروق خونی و افزایش جریانCBF می شود. افزایش غلظت پتاسیم داخل سلولی به عنوان عاملی که سبب گشاد شدن سرخرگ های مغز می شود شناخته شده است. مطالعات اخیر پیشنهاد کرده اند که آزاد شدن پتاسیم توسط نورون های فعال از درون سلول های گلیا astrocyte منتقل شده و از پایه های انتهایی این سلول ها به روی رگ های خونی آزاد می شود. نتایج شبیه سازی های کامپیوتری دینامیک پتاسیم در مغز بیان کننده ی این است که آزاد شدن پتاسیم از پایه های انتهایی astrocyte ها باعث بالا رفتن غلظت پتاسیم با سرعت زیاد و سطوح بالاتری از انتشار پتاسیم از طریق فضای خارج سلولی است، خصوصاً زمانی که محل افزایش پتاسیم از دیواره رگ در فاصله ی دورتری قرار دارد. بر اساس این یافته ها، فرض می شود آزاد شدن پتاسیم از پایه های انتهایی Astrocyte ها نقش مهمی در تنظیم جریان خون مغزی منطقه ای در پاسخ به تغییرات در فعالیت های عصبی ایفا می کند.

تطبیق فعالیت عصبی به پاسخ BOLD
محققان سیگنال BOLD را با هر دو سیگنال های بدست آمده از الکترودهای کاشته شده (در مغز میمون) و سیگنال های میدان پتانسیل (که میدان های الکتریکی یا مغناطیسی از فعالیت مغز است و خارج از جمجمه اندازه‌گیری می‌شود) از EEG و MEG، مقایسه و برسی کرده اند. میدان پتانسیل محلی، که شامل هر دو فعالیت های پس سیناپسی نورونی و پردازش های نورونی داخلی است، بهتر می‌تواند پاسخ BOLD را پیش بینی کند. بنابراین کنتراست BOLD غالباً ورودی به نورون هاست و کمتر مرتبط به خروجی آتش نورون ها. در انسان ها، الکترودها را فقط می توان در بیمارانی که نیاز به جراحی برای درمان دارند کار گذاشت، اما شواهد رابطه مشابهی را حداقل برای قشر بینایی و شنوایی نشان داده‌اند. شناسایی مکان های فعال شده توسط BOLD fMRI در نواحی قشری (نواحی سطحی مغز) بر حسب نگاشت کارکردی براساس CBF در تصاویر PET است. برخی نواحی که اندازه آن ها فقط چند میلی متر است، نظیر lateral geniculate nucleus (LGN) در تالاموس که تصاویر مشاهده شده توسط چشم ها را به قشر بینایی رله می کند، نشان داده شده که سیگنال BOLD درستی را زمانیکه به آن ورودی بینایی می دهند، ایجاد می کند. نواحی همسایه نظیر pulvinar nucleus که برای چنین تکلیفی تحریک نشده اند، رزولوشن میلی متری را برای گسترش فضایی پاسخ BOLD، حداقل در هسته های تالاموس بیان می کند. با این حال، سیگنال BOLD قادر نیست شبکه های فعال فیدبک و جلوسو را در یک ناحیه از هم تمییز دهد؛ کندی پاسخ رگ ها به این معنی است که سیگنال نهایی نسخه جمع شده تمام شبکه های ناحیه است؛ جریان خون در حالیکه فرایند پیش می رود در حال جنبش ناگهانی نیست. هم چنین، هر دوی ورودی های مهاری و تحریکی به نورون از تورون های دیگر جمع می شوند و در ایجاد سیگنال BOLD نقش دارند. و در داخل یک نورون امکان دارد که همدیگر را از بین ببرند. دامنه سیگنال BOLD لزوماً شکل آن را تحت تاثیر نمی‌گذارد. دامنه بالاتر سیگنال در فعالیت های قویتر و شدیدتر نورونی دیده می شود، اما در همان ناحی می تواند جهش اندکی داشته باشد وو به عنوان سیگنال ضعیف شناخته شود. هم چنین، دامنه سیگنال لزوماً نحوه رفتار را منعکس نمی‌کند. یک تکلیف شناختی پیجیده ممکن است در ابتدا سیگنالی با دامنه بزرگ ایجاد کند که در ارتباط با عملکرد خوب باشد، اما در حالیکه سوژه در انجام آن مهارت پیدا می کند، ممکن است دامنه سیگنال کاهش پدا کند در حالیکه عملکرد در همان سطح قبلی است. این اتفاق انتظار می رود که به دلیل نورون های رهبر با بازده بالا مغز باشد که تکلیف را انجام می دهند و مصرف انرژی و هزینه اضافی را کم کنند. پاسخ BOLD از نواحی مغزی را نمی توان حتی برای یک تکلیف به طور مستقیم مقایسه کرد، زیرا چگالی نورون ها و مشخصه میزان مصرف خون در مغز ثابت نیست. با این حال، اغلب پاسخ BOLD سوژه ها برای یک ناحیه مغزی و یک تکلیف با هم مقایسه می‌شود.
B

تطبیق فعالیت عصبی به پاسخ BOLD

نگاشت عملکردی با استفاده از اثر BOLD
کشف اثر BOLD سبب شد گروه های زیادی جهت نگاشت فعالیت های مغز از این روش استفاده کنند. در بخش مقدمه راجع به اولین مطالعات fMRI صحبت شد. مراجع متعدد دیگری از مطالعات اولیه fMRI را می توان در مرور مقالات در این موضوع دید.
برای مطالعه عملکرد مغز با استفاده از fMRI لازم ایت که از مغز به طورمتناوب تصویر گرفته شود، در حالیکه سوژه تحریک می شود یا نیاز هست که یک تکلیف را انجام دهد. موفقیت آزمون به سه جنبه بشتگی دارد؛ دنباله های مورد استفاده، طراحی نمونه تحریک و روشی که داده آنالیز می شود. دامنه میدان استاتیک به کار رفته برای مقدار تغییرات سیگنال بدت آمده از فعالیت حیاتی است. دلیل این است که تفاوت susceptibility ناهمفازی بزرگتری را در میدان های قوی تر دارد. مطالعات fMRI اولیه در میدان های با شدت ۱٫۵ تسلا انجام می شدند، اما امروزه از میدان هایی با شدت ۳ یا ۴ تسلا استفاده می شود. با افزایش شدت میدان استاتیک دامنه سیگنال BOLD سریع تر از نویز سیستم افزایش پیدا می کند، بنابراین به نظر می رسد که میدان قوی تر مورد نظر است، اما کیفیت تصویر در میدان های بالا کاهش پیدا می کند. مهمترین جنبه دنباله تصویربرداری این است که تصویری با وزن T2* ایجاد کند، برای این منظور عموماً gradient echo استفاده می شود، اما دنباله های spin echo به دلیل اثرات انتشارمی توانند کنتراست BOLD را نمایش دهند. تعداد زیادی از محققان از دنباله EPI استفاده می کنند، زیرا سرعت بالای آن باعث می شود پاسخ فعالیت را به تحریک های کوتاه بتوان شناسایی کرد و نیز EPI جهت برطرف سازی آرتیفکت از جسم در حال حرکت مفید است. مقدار وزن دهی T2* در تصویر به زمان های اکو TE بستگی دارد. اگر TE خیلی کوتاه باشد، تفاوت اندکی بین منحنی T2* در وضعیت فعال و وضعیت استراحت وجود دارد.، اما اگر TE خیلی بزرگ باشد هیچ سیگنالی از هیچ از یک دو وضعیت وجود ندارد. برای بدست آوردن بیشترین تغییرات سیگنال برای یک ناحیه با یک مقدار مشخص T2*، می توان نشان داد که مقدار بهینه زمان اکو برابر مقدار T2* مقدار بافت است.

کنتراست به نویز در سیگنال BOLD به اندازه وکسل و نیز ضخامت قطعه بستگی دارد. وکسل های کوچکتر به دلیل کمتر بودن اسپین ها در آن، سیگنال کمتری دارند، اما وکسل های بزرگتر هم می توند کنتراست به نویز را کاهش دهند، زیرا اثر حجم جزیی نیز وارد می شود. این اتفاق زمانی می افتد که تغییرات سیگنال در حین فعالیت از یک ناحیه ی کوچک در داخل وکسل ناشی شود.

آرتیفکت ها
در حین اسکن تعدادی از اثرات فیزیولوژیک وجود دارند که می توانند نتیجه را تحت تاثیر قرار دهند. مثلاً تپش قلب، تنفس و حرکات عمومی فرد. با تمامی این مشکلات می توان به دو صورت مواجه شد، در حین زمان اسکن و یا در پیش پردازش تصویر که روش دوم با اقبال بیشتری مواجه است. حرکات فرد می تواند باعث کاهش کنتراست نویز در تصاویر fMRI شود و در صورتی که همزمان با تحریک باشد، آرتیفکت هایی را در نگاشت ایجاد می کند. این مشکل غالباً با محدود کردن سر فرد و یا با استفاده از الگوریتم های ثبت در پیش پردازش اصلاح می شود. یکی دیگر از آرتیفکت های fMRI سیگنالی است که از رگ های تخلیه می آید. از آنجایی که تصویربرداری gradient echo به قطر رگ ها از چند میکرومتر تا چند میلی متر حساس است، فهم تفاوت بین سیگنال رسیده از بافت و رگ ها دشوار است، که می تواند در مکانی دورتر از ناحیه ی فعال باشد. همچنین همزمانی تحریک و خونی که وارد قطعه مورد تصویربرداری می شود، مشکل زاست. یک راه کاهش سیگنال رسیده از رگ های بزرگ استفاده از دنباله ی spin echo است. این دنباله فقط به اثرات T2 حساس است و ناهمفازی ناشی از BOLD را در رگ های بزرگ نادیده می گیرد. استفاده از دنباله های spin echo باعث می شود در بافت واقعی سیگنال BOLD کاهش پیدا کند، غالباً بهتر است یک دسته جدا از تصاویر که به رگ های بزرگ حساس هستند بدست آورده و از این برای پذیرش یا در سیگنال استفاده کرد. انتخاب پارامترهای بهینه برای fMRI همواره قابل مصالحه بوده است، و غالباً وابسته است به آنچه که در دسترس است تا آنچه که مطلوب است.

طراحی نمونه تحریک
درست به اندازه ای که انتخاب پارمترها برای تصویربرداری برای یک آزمایش موفق مهم است، طراحی نمونه تحریک نیز مهم است. تجربیات زیادی از EEG و PET موجود می باشد، اما به دلیل اینکه fMRI رزلوشن مکانی بین این دو روش دارد دیدگاه تازه ای باید به کار رود. موضوعات زیادی در طراحی نمونه وجود دارد، که در اینجا یک مرور مختصر خواهیم داشت. آزمایش های اولیه fMRI بیشتر در فرم مطالعات PET بودند، یعنی دسته ای از تصاویر در حالت استراحت گو سپس یک دسته از حالت فعالیت گرفته می شوند، و تفاضل یک دسته از دیگری گرفته می شود. اما به دلیل اینکه کنتراست BOLD از شروع و نزول ان (در بازه زمانی جند ثانیه) نسبتاً سریع است، این امکان وجود دارد که بازه زمانی را برای رخدادهای کوتاه مدت تری که معمولاً اتفاق می افتند دنبال کرد. رایج ترین الگوی تحریک epochهای منظم تحریک و استراحت است، معمولاً با عناوین on و off نامگذاری می شود. طول این epoch ها بایستی به اندازه ی کافی بلند باشد تا بتواند با پاسخ همودینامیک را تطبیق یابد بنابراین مقدار ۸ و غالباً ۱۶ ثانیه انتخاب می شود. این epoch ها تا زمانیکه کنتراست به نویز کافی برای شناسایی پاسخ فعالیت ایجاد شود ادامه پیدا می کند. اما زمان کلی آزمایشگاهی باید تا حدی باشد که فرد می تواند به راحتی و بدون حرکت در وضعیت ثبت باقی بماند و نیز تعداد نقاط داده ای که برای بدست آوردن کنتراست به نویز کافی نیاز است. غالباً محدودیت های تکنیکی برای زمان ازمایش وجود دارد و امکان خوگرفتن فرد به تحریک و در نتیجه کاهش کنتراست به نویز با گذشت زمان وجود دارد. به جای epochهایی از تحریک، می توان از یک رخداد واحد به عنوان تحریک استفاده کرد، بیشتر شبیه به آنچه در EEG و MEG می بینیم. باز هم به دلیل پاسخ همودینامیک، بایستی این رخداد به بازه های زمانی طولانی تر از آنچه در EEG نیاز داریم باشد، اما چون این نوع اعمال تحریک یک مزیت عمده ای دارد و آن این سات که می توان زمانبندی نسبی برای جداسازی فعالیت در بخش های مختلف مغز را داشت. یکی از مضرات نمونه تک رخداد این است که برای بدست آوردن کنتراست به نویز کافی در مقایسه با همتای دیگر آن که بر اساس epoch هاست، به زمان بیشتری نیاز دارد. انتخاب تحریک بسیار حیاتی است، به عنوان مثال، فعال سازی قشر بینایی سر راست است، اما برای تعیین نواحی که مسئول تشخیص و تمییز رنگ ها هستند این کار بسیار سخت است. به طور ایده‌آل طراحی eochهای on و off در حالیکه تنها یک تفاوت درست و مشخص بین انها وجود داردکه فقط ان قسمت های مغز را که مسئول تکلیف مشخص شده هستند فعال می کند. این کار همیشه قابل انجام شدن نیست و معمولاً یک دسته از آزمایش ها بایستی انجام شود. به عنوان مثال برای پیدا کردن نواحی که در تکلیف A دخیل هستند ،یک ازمایش که تکالیف A و B را دارد انجام می شود و یک ازمایش که فقط شامل B است. نواحی که در تکلیف A درگیر هستند حتمالا آنهایی هستند که در ازمایش اول فعال شده و در آمایش دوم فعال نشده اند. اینتئوری با فرض خطی بودن سیستم است، که فرض رستی نیست، یا حداقل موارد به حساب نیامده ای برای تفاوت بین دو نمونه وجود دارد، که می تواند نتیجه را تحت تاثیر قرار دهد. مشکل عمده ی دیگری که در حین کار با رخدادهای شناختی نظیر حافظه پیش می اید، این است که باید تحریک بینایی همراه باشد، یا اینکه پاسخ فرد نیاز است که غالباً با فعالیت های حرکتی همراه می شود. این مشکل نیز از طریق قرار دادن دوره های off یا انجام آزمایش دیگری که شامل همان تحریکات این بار منهای فعالیت شناختی خاص در ازمایش قبل است، جبران کرد. به طور جایگزین تحریک می تواند به گونه ی متفاوتی ارائه شود، به عنوان مثال به صورت شنیداریریال و پاسخ نیز به صورت زبانی ارائه می شود و بدین صورت می توان فرض کرد که ان نواحی مشترک بین هر دو نوع تحریک ارائه شده مسئول تکلیف شناختی مدنظر هستند. تحریکات کمی وجود دارند که در ازمایشات fMRI به سختی اجرا می شوند. یک مورد واضح ان تحریک شنوایی است . اسکنر های تصویربرداری سریع معمولاً نویز زیادی در حین فعالیت ایجاد می کنند.، خصوصاً اگر از دنباله EPI استفاده شود. گرچه نشانه های صوتی شنیده می شوند، اما به وضوح و رسایی نشانه های بینایی قابل تشخیص نیستند و از طرفی هم تشخیص فعالیت در قشر ابتدایی شنوایی بسیار سخت است زیرا هم در حین بازه ی on و هم off اصوات زیادی وجود دارد. پاسخ دادن فرد به صورت شفاهی نیز مکل زاست، زیرا این عمل غالباً با حرکت سر همراه است، که می تواند همزمان شود با تحریک. تمام حرکت های پاسخ باید کوچک و آهسته باشد تا حرکت سر در حین اسکن کاهش پیدا کند. در آزمایش نیاز داریم که فرد مورد آزمایش به خوبی از دستورالعمل چیروی کند، و تمام مدت اسکن به سورت خوابیده باقی‌مانده و تمرکز داشته باشد. بسیاری از تحریکات فعالیت بهتری نشان می دهند اگر پاسخ ساخته شود. می توان موارد بسیار دیگری راجع به یک طراحی مناسب نمونه بیان کرد، در حالیکه موارد متعدد دیگری نیز باید فهمیده شوند ، در هرصورت برای هر آزمایش جدید نیاز است که بررسی هایی به دقت صورت گیرد.

انواع طراحی الگو
۱-block design2 -event related در طراحی block design بلوک ها با توجه به ملاحظات زمانی طول آزمایش، و ملاحظات سیگنال به نویز دستگاه MRI مورد استفاده انجام میگیرد. نمونه ای از این آزمایش، آزمایش finger-tapping است که در آن شخص مادامیکه علامت خاصی را روی صفحه نمایش میبیند انگشتان خود را باز و بسته می¬کند و این کار را تکرار می¬کند تا زمانیکه علامت مذکور از روی صفحه حذف شده و شخص باید تا دیدن علامت بعدی استراحت کند. در طراحی event-related مدت زمان وچود یک تحریک کوتاه است (در حد چند ثانیه) و هر تحریک به منزله وقوع یک event تلقی میشود. در این نوع طراحی فرض بر این است که پاسخ ضربه ی سیستم همودینامیک یک تابع خوشرفتار است. از میان event هائی که به طور مرتب و متوالی اتفاق می افتد شخص باید وقوع event خاصی (که event هدف نامیده میشود) را تشخیص داده و عکس العملی را نشان دهد. به عنوان نمونه ای از طراحی event-related میتوان به فعالیت کلاسیک oddall بینائی اشاره کرد. در این آزمایش شخص در فواصل زمانی منظم (مثلاً هر ۲ ثانیه یکبار) تصاویری را روی صفحه ی نمایش میبیند. این تصاویر دو دسته هستند: تصویر استاندارد که در اکثر event ها اتفاق می افتد؛ و تصویر هدف که بندرت نشان داده میشود. از شخص خواسته میشود که با هر بار دیدن تصویر هدف دکمه ای را فشار دهد یا اینکه تعداد تصاویر هدف را بشمارد

محدودیت های fMRI برای اسکن مغز چیست؟
تصاویر با کیفیت بالا تنها در صورتی که سوژه در حین فرایند تصویربرداری کاملاً ساکن باشد و نفسش را هم نگه داشته باشد، در صورتی که به او گفته باشند، حاصل می‌شود. اگر عصبی، گیج و یا درد شدیدی داشته باشید، ممکن است دراز کشیدن داخل دستگاه در حین تصویربرداری کاری بسیار مشکل باشد. فردی که خیلی درشت اندام باشد هم نمی‌تاوند سوژه دستگاه‌های MRI باشد. وجود دستگاه‌های کاشت شده در بدن یا دیگر اشیا فلزی تصویربرداری واضح را دشوار می‌سازد. حرکت بیمار هم می‌تواند باعث همان اثر شود. MRI برای بیمارانی که به شدت آسیب دیده‌اند پیشنهاد نمی‌شود. این مورد به این خاطر است که بسیاری از دستگاه‌های traction و بسیاری از تجهیزات حیاتی باید از نواحی تصویربرداری دور نگه‌داشته شوند. علاوه بر این، fMRI بیش از دیگر روش‌های تصویربرداری زمانبر است (به ظور معمول CT, و تصویربرداری با اشعه X) و نتایج هم ممکن است بلافاصله در دسترس به خصوص در وضعیتی که فرد دچار ضربه شده است. با وجود اینکه تا کنون شاهدی دال بر خطرناک بودن تصویربرداری تشدید مغناطیسییر روی جنین گزارش نشده است، اما معمولاً به زنان باردار پیشنهاد می‌شود که در بررسی‌های fMRI شرکت نکنند، مگر با تجوز پزشک و به مقاصد پزشکی. MRI غالباً از دیگر روش‌های تصویربرداری علاوه بر زمان طولانی‌تر هزینه بیشتری هم دارد. fMRI هنوز یک روش در حالت پیشرفت و بهبود استو با وجود اینکه به نظر می‌رسد برای پیدا کردن محل فعالیت‌های مغزی بسیار مناسب تر از دیگر روش هاست، روی هم رفته تجربه کمتری در مورد fMRI نسبت به دیگر روش‌های MRI در دست است. ممکن است پزشک برای تصمیم گیری در موارد حساس علاوه بر fMRI دیگر تست‌های مرتبط را هم تجویز کند (نظیر، جراحی مغزی).
نظیر هر روش دیگری، fMRI دارای مزایا و معایبی اس و برای مفید بودن آن، آزمایس هایی که از آن استفاده می‌کنند باید به دقت طراحی شوند و باید به سوی بیشینه سازی نقاط قوت و کمینه کردن نقاط ضعف آن باشند.

مزایا
در این روش سیگنال های مغزی بدون در معرض خطر یونیزه شدن ثبت می‌شود که در روش های دیگر مانند CT و PET اجتناب ناپذیر است. دارای رزولوشن مکانی بالا، به طور نوعی ۵-۳ میلی متر. با استفاده از این روش می توان از تمام نواحی مغزی سیگنال ثبت کرد، برخلاف EEG و یا MEG که حول وحوش نواحی سطحی قشری هستند.

معایب
سیگنال های BOLD یک روش غیرمستقیم اندازه‌گیری فعالیت های عصبی است و همانطور که قبلاً گفته شد، می تواند تحت تاثیر پارامترهایی غیر از تظاهرات آزمایش باشد. سیگنال های BOLD به شدت در ارتباط با ورودی داده شده به یک ناحیه هستند تا خروجی آن. بنابراین ممکن است که سیگنال BOLD در یک ناحیه داده شده وجود داشته باشد حتی اگر فعالیتی نباشد. این روش رزولوشن زمانی اندکی دارد. پیک پاسخ BOLD تقریباً ۵ ثانیه بعد از شروع آتش نورون ها در یک ناحیه است. با وجود اینکه حضور تحریک های درلایه ای می تواند رزولوشن زمانی را افزایش دهد، همزمان سبب کاهش نقاط داده های جمع شده می شود. پاسخ BLOD می تواند متاثر از فاکتورهای بسیاری باشد، نظیر بیماری ها، تسکین، عصبانیت، داروهایی که رگ های خونی را گشاد می کند وهمچنین توجه. با وجود هیچ اثر طولانی مدت مضری برای میدان مغناطیسی ایستا بر روی بافت های بیولوژیکی شناخته نشده است، می تواند از طریق کشیدن اجسام سنگین فلزی و پرتاب آن ها سبب آسیب هایی شود. شاع ترین خطر برای افرادی که تست fMRI می دهند ترس از محیط بسته است. جلسات اسکن باعث می شود که فرد در معرض نویزهای صوتی ناشی از سیم پیج های گرادیان باشد. سوییچ کردن گرادیان ها باعث القای جریان در بدن می شود که می تواند سبب سوزش عصب ها شود. دستگاههای پزشکی کار گذاشته شده در بدن نشیر ضربان سازها ممکن است به دلیل همان جریان ها دچار اختلال عملکرد شوند. میدان فرکانس رادیویی تحریک سیم پیج ها می تاند سبب گرم شدن بدن شود و در افرادی که تب، دیابت و یا مشکلات گردش خون دارند باید به دقت این امکان تحت نظر باشد. سوختگی های موضعی ناشی از داغ شدن فلزات گردنبندها و جواهرات نیز خطر آفرین است.

کاربردهای کلینیکی fMRI
از داده ها و تصاویر fMRI می توان در زمینه های مختلفی که نیاز به بررسی عملکرد مغز داریم استفاده کرد. این تصاویر در حوزه ی نوروساینس به شدت مورد توجه هستند و عمدتاً جهت بررسی ویافتن نحوه ی ارائه ی یک فعالیت شناختی در مغز مورد استفاده قرار می گیرد، علاوه بر این جهت مدلسازی فعالیت های شناختی و نیز بررسی برخی بیمار ی های مغزی و عصبی نیز مورد توجه بسیار است. البته در حوز های تشخیصی و کلینیکی نیز از fMRI غالباً استفاده می شود، که در ادامه نمونه هایی از کاربردها بیان شده است.
نقشه برداری از نواحی مربوط به گفتار قبل از جراحی
ارزیابی از پلاستیسیته پس از آسیب مغزی
ارزیابی بیماران مبتلا به اختلالات هوشیاری (کما ، حالت نباتی ، حداقل وضعیت هوشیاری ، و سندرم look –in)
از جمله کاربردهای fMRI در زمینه های تحقیقاتی نیز می توان موارد زیر را نام برد
نقشه برداری از فعالیت های پیچیده(نظیراحساس، موتور کنترل و توابع خاص زبانی و … ) در حالت نرمال و بیمار
مانیتورینگ پاسخ های درمانی
نشانگذاری عصبی

دروغ سنجی و …
در دهه های ابتدایی ورود fMRI به عرصه تصویربرداری عصبی، این روش تاثیر بزرگی بر روی روش مطالعه عملکرد مغز توسط محققان علوم اعصاب داشت. امروزه، تعدادی از این کارها وارد حوزه های کلینیکی شده اند. چنین به نظر می رسد که این انتقال در دهه بعدی با شتاب بیشتری صورت گیرد. بی شک قبل از اینکه fMRI کلینیکی با تمام پتانسیل آن شناخته و به کار برده شود باید مسائل زیادی حل شوند تا بتوان از طریق آن نشان های دقیق قابل اعتماد فعالیت های الکتریکی را دریافت. با این وجود، احتمال شناسایی و درمان بیماری و فواید آن باعث تلاش در جهت تبدیل fMRI به یک ابزار کلینیکی شده است.