Функциональная нейровизуализация

Функциональная нейровизуализация — это использование технологии нейровизуализации для измерения какого-либо аспекта функции мозга, часто с целью понять взаимосвязь между активностью в определенных областях мозга и конкретными психическими функциями. Он в основном используется в качестве исследовательского инструмента в когнитивной нейробиологии , когнитивной психологии , нейропсихологии и социальной нейробиологии .

Обзор

Общие методы функциональной нейровизуализации включают:

ПЭТ, фМРТ, фНИРС и фУЗИ могут измерять локализованные изменения мозгового кровотока, связанные с нервной активностью. Эти изменения называются активациями . Области мозга, которые активируются, когда субъект выполняет определенную задачу, могут играть роль в нейронных вычислениях , которые способствуют поведению. Например, широкая активация затылочной доли обычно наблюдается при выполнении задач, требующих зрительной стимуляции (по сравнению с задачами, в которых ее нет). Эта часть мозга получает сигналы от сетчатки и, как полагают, играет роль в зрительном восприятии .

Другие методы нейровизуализации включают регистрацию электрических токов или магнитных полей, например ЭЭГ и МЭГ. Разные методы имеют разные преимущества для исследования; например, МЭГ измеряет активность мозга с высоким временным разрешением (вплоть до уровня миллисекунд), но его способность локализовать эту активность ограничена. фМРТ гораздо лучше локализует мозговую активность для пространственного разрешения, но с гораздо меньшим временным разрешением. ^[1] в то время как функциональное ультразвуковое исследование (ФУЗ) может достигать интересного пространственно-временного разрешения (вплоть до 100 микрометров, 100 миллисекунд, при частоте 15 МГц в доклинических моделях), но оно также ограничено нейрососудистой связью.

Недавно магнитопорошковая визуализация была предложена как новый чувствительный метод визуализации, обладающий достаточным временным разрешением для функциональной нейровизуализации, основанной на увеличении объема церебральной крови. Первые доклинические испытания успешно продемонстрировали функциональную визуализацию на грызунах. ^[2]

Функциональные темы нейровизуализации

Мера, используемая в конкретном исследовании, обычно связана с конкретным рассматриваемым вопросом. Ограничения измерений различаются в зависимости от метода. Например, МЭГ и ЭЭГ регистрируют магнитные или электрические колебания, которые возникают, когда популяция нейронов активна. Эти методы превосходны для измерения временного хода нейронных событий (порядка миллисекунд), но, как правило, плохи для измерения того, где эти события происходят. ПЭТ и фМРТ измеряют изменения в составе крови вблизи нервного события. Поскольку измеримые изменения в крови происходят медленно (порядка секунд), эти методы гораздо хуже измеряют динамику нервных событий, но, как правило, лучше определяют их местоположение.

Традиционные «исследования активации» направлены на определение распределенных закономерностей мозговой активности, связанных с конкретными задачами. Тем не менее, ученые могут более тщательно понять функцию мозга, изучая взаимодействие отдельных областей мозга, поскольку большая часть нейронной обработки выполняется интегрированной сетью нескольких областей мозга. Активная область нейровизуализационных исследований включает изучение функциональной связи пространственно удаленных областей мозга. Анализ функциональных связей позволяет охарактеризовать межрегиональные нейронные взаимодействия во время определенных когнитивных или двигательных задач или просто в результате спонтанной активности во время отдыха. FMRI и ПЭТ позволяют создавать функциональные карты связности различных пространственных распределений коррелированных во времени областей мозга, называемых функциональными сетями. Несколько исследований с использованием методов нейровизуализации также установили, что задние зрительные области у слепых людей могут быть активными во время выполнения невизуальных задач, таких как чтение шрифтом Брайля, извлечение памяти и слуховая локализация, а также других слуховых функций. ^[3]

Прямой метод измерения функциональной связи — наблюдать, как стимуляция одной части мозга влияет на другие области. Это можно сделать у людей неинвазивно, сочетая транскраниальную магнитную стимуляцию с одним из инструментов нейровизуализации, таким как ПЭТ, фМРТ или ЭЭГ. Массимини и др. ( Science , 30 сентября 2005 г.) использовали ЭЭГ, чтобы зафиксировать, как активность распространяется от стимулируемого участка. Они сообщили, что во время медленного сна , хотя мозг энергично реагирует на стимуляцию, функциональные связи значительно ослаблены по сравнению с уровнем во время бодрствования. Таким образом, во время глубокого сна «области мозга не разговаривают друг с другом».

Функциональная нейровизуализация использует данные из многих областей, помимо когнитивной нейробиологии и социальной нейробиологии , включая другие биологические науки (такие как нейроанатомия и нейрофизиология ), физику и математику , для дальнейшего развития и совершенствования технологии.

Критика и осторожная интерпретация

Функциональные нейровизуализационные исследования должны быть тщательно спланированы и интерпретированы с осторожностью.Статистический анализ (часто с использованием метода, называемого статистическим параметрическим картированием ) часто необходим, чтобы можно было отличить друг от друга различные источники активации внутри мозга.Это может быть особенно сложно при рассмотрении процессов, которые трудно концептуализировать или которые не имеют легко определяемой задачи, связанной с ними (например, убеждения и сознание ).

Функциональная нейровизуализация интересных явлений часто цитируется в прессе.В одном случае группа выдающихся исследователей функциональной нейровизуализации почувствовала себя вынужденной написать письмо в New York Times в ответ на обзорную статью об исследовании так называемой нейрополитики . ^[4] Они утверждали, что некоторые интерпретации исследования были «научно необоснованными». ^[5]

В марте 2014 года Гастингсский центр опубликовал отчет под названием «Интерпретация нейроизображений: введение в технологию и ее ограничения». ^[6] со статьями ведущих нейробиологов и биоэтиков . В докладе кратко объясняются технологии нейровизуализации и в основном критикуются, но также в некоторой степени защищается их нынешнее состояние, значение и перспективы.

См. также

Анализ функциональных нейроизображений - программа для анализа фМРТ.
Автоматизированная анатомическая маркировка - пакет программного обеспечения и цифровой атлас человеческого мозга.
Динамическое причинно-следственное моделирование — структура статистического моделирования.
Электроэнцефалография - метод электрофизиологического мониторинга для регистрации электрической активности головного мозга.
Потенциал, связанный с событием – реакция мозга, которая является прямым результатом определенного сенсорного, когнитивного или двигательного события.
Библиотека программного обеспечения FMRIB -
FreeSurfer - пакет программного обеспечения для визуализации мозга
Функциональная интеграция (нейробиология) - изучение взаимодействия областей мозга при обработке информации.
Магнитоэнцефалография - картирование активности мозга путем регистрации магнитных полей, создаваемых токами в мозге.
Ментальное событие – любое событие, происходящее в сознании сознательного человека.
Спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона - Аналитический метод
Перфузионное сканирование — тип сканирования.
Однофотонная эмиссионная компьютерная томография - метод томографической визуализации в ядерной медицине.
Статистическое параметрическое картирование — метод анализа нейровизуализации.

Ссылки

^ Полдрак, РА; Сандак, Р. (2004). «Введение в этот специальный выпуск: когнитивная нейронаука чтения». Научные исследования чтения . 8 (3): 199. doi : 10.1207/s1532799xssr0803_1 . S2CID 143368316 .
^ Херб, Константин; Мейсон, Эрика; Маттингли, Эли; Мандевиль, Джозеф; Мандевиль, Эмири; Кули, Кларисса; Уолд, Лоуренс (2020). «Функциональный MPI (fMPI) гиперкапнии в мозге грызунов с визуализацией временных рядов MPI». Международный журнал по визуализации магнитных частиц . 6 (2/1). дои : 10.18416/IJMPI.2020.2009009 .
^ Гугу, Рузвельт; Заторре, Р.Дж.; Лассонд, М.; Восс, П.; Лепор, Ф. (2005). «Функциональное нейровизуализационное исследование локализации звука: активность зрительной коры предсказывает работоспособность людей с ранней слепотой» . ПЛОС Биология . 3 (2): е27. doi : 10.1371/journal.pbio.0030027 . ПМК 544927 . ПМИД 15678166 .
^ Марко Якобони и др. (2007). «Это ваш мозг в политике» . В: The New York Times, 11 ноября 2007 г.
^ Крис Фрит и др. (2007). «Политика и мозг» . В: The New York Times, 14 ноября 2007 г.
^ Джонстон Дж. и Паренс Э. (2014). «Интерпретация нейроизображений: введение в технологию и ее ограничения», отчет Гастингсского центра, том 44, выпуск s2, март-апрель 2014 г.

Дальнейшее чтение

Кабеса Р. и Кингстон К. (ред.) (2006). Справочник по функциональной нейровизуализации познания . МТИ Пресс.
Качиоппо, Дж.Т., Тассинари, Л.Г., и Бернтсон, Г.Г. (2007). Справочник по психофизиологии. Издательство Кембриджского университета.
Хиллари, Ф.Г., и ДеЛука, Дж. (2007). Функциональная нейровизуализация в клинических популяциях .
Канвишер Н. и Дункан Дж. (2004). Функциональная нейровизуализация зрительного познания .
Зильберсвейг Д. и Стерн Э. (2001). Функциональная нейровизуализация и основы и практика нейропсихологии .
Тэтчер, Р, В. (1994). Функциональная нейровизуализация: технические основы.

Внешние ссылки

[1] Полдрак, РА; Сандак, Р. (2004). «Введение в этот специальный выпуск: когнитивная нейронаука чтения». Научные исследования чтения . 8 (3): 199. doi : 10.1207/s1532799xssr0803_1 . S2CID 143368316 .

[2] Херб, Константин; Мейсон, Эрика; Маттингли, Эли; Мандевиль, Джозеф; Мандевиль, Эмири; Кули, Кларисса; Уолд, Лоуренс (2020). «Функциональный MPI (fMPI) гиперкапнии в мозге грызунов с визуализацией временных рядов MPI». Международный журнал по визуализации магнитных частиц . 6 (2/1). дои : 10.18416/IJMPI.2020.2009009 .

[3] Гугу, Рузвельт; Заторре, Р.Дж.; Лассонд, М.; Восс, П.; Лепор, Ф. (2005). «Функциональное нейровизуализационное исследование локализации звука: активность зрительной коры предсказывает работоспособность людей с ранней слепотой» . ПЛОС Биология . 3 (2): е27. doi : 10.1371/journal.pbio.0030027 . ПМК 544927 . ПМИД 15678166 .

[4] Марко Якобони и др. (2007). «Это ваш мозг в политике» . В: The New York Times, 11 ноября 2007 г.

[5] Крис Фрит и др. (2007). «Политика и мозг» . В: The New York Times, 14 ноября 2007 г.

[6] Джонстон Дж. и Паренс Э. (2014). «Интерпретация нейроизображений: введение в технологию и ее ограничения», отчет Гастингсского центра, том 44, выпуск s2, март-апрель 2014 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]