Nyugalmi fMRI

A nyugalmi fMRI (Resting state fMRI, rsfMRI vagy R-fMRI) a funkcionális agyi képalkotó eljárások olyan formája, amellyel feltérképezhetjük az agyterületek közötti alapállapotú kapcsolatokat, vagyis azokat az összeköttetéseket, amik akkor figyelhetőek meg, amikor a vizsgálati személy nem végez konkrét, explicit feladatot.Biswal, B. B. (2012). Resting state fMRI: A personal history. [Review]. Neuroimage, 62(2), p. 938-944.Buckner RL, Krienen FM, Yeo BT (2013). Opportunities and limitations of intrinsic functional connectivity MRI. Nature Neuroscience, 16(7), p. 832-837. Ez a nyugalmi aktivitás az agyi véráramlás változásán keresztül detektálható. A véráramlás fokozódása hozza létre a vér-oxigén-szint függő (blood-oxygen-level dependent), vagyis BOLD jelet, amit az fMRI (funkcionális mágneses rezonanciavizsgálat) vizsgálat során mérni tudunk. Mivel agyi aktivitás akkor is jelentkezik, ha nem adunk feladatot a személynek, így az agyterületek BOLD jel változásában spontán fluktuáció fogunk tapasztalni. A nyugalmi állapot vizsgálata igen hasznos lehet, általa feltérképezhetjük az agy funkcionális szerveződését és megvizsgálhatjuk, hogy vajon ez megváltozik-e különböző neurológiai vagy pszichiátriai zavarokban. A nyugalmi állapotú funkcionális konnektivitáshoz kapcsolódó kutatások feltártak számos olyan agyi hálózatot, amik mind megtalálhatók egészséges személyekben, a tudatosság különböző szintjein is megfigyelhetőek és jellegzetes szinkron aktivitás mintázat jellemező rájuk.Biswal, B. B. (2011). Resting State Functional Connectivity. Biological Psychiatry, 69(9), 200S-200S.Rosazza, C., & Minati, L. (2011). Resting-state brain networks: literature review and clinical applications. Neurol Sci, 32(5), 773-785.Cole, David M. & Smith, Stephen M. & Beckmann, Christian F. (2010) "Advances and pitfalls in the analysis and interpretation of resting-state FMRI data." Frontiers in systems neuroscience 4

Az fMRI alapjai thumb|right|Ezek az fMRI képek az agynak azokat a területeit mutatják, amelyek akkor aktiválódnak, ha a személy arcokat vagy házakat lát. Az „r” érték a korrelációt jelöli, minél nagyobb az értéke, annál szorosabb az együttjárás az adatok között. A negatív érték fordított irányú kapcsolatot jelez.

A funkcionális mágneses rezonanciavizsgálat (funkcionális MRI vagy fMRI) az MRI-vizsgálat egy speciális típusa, amely az agyi aktivitást, annak véráramlás változásán keresztül detektálja. Vagyis az egyes agyterületek aktivitást a BOLD jel változásán keresztül tudjuk mérni.DeYoe, E. A., Bandettini, P., Neitz, J., Miller, D., & Winans, P. (1994). Functional magnetic resonance imaging (FMRI) of the human brain. J Neurosci Methods, 54(2), 171-187.

Az eljárás hasonló az MRI-vizsgálathoz, azonban az fMRI mérés alapja az oxigénben dús és az oxigénben szegény vér eltérő mágneses permeabilitása. Az aktív idegsejtek több glükózt és oxigént használnak fel, mint inaktív társaik. Az oxigént a vörösvértestekben lévő hemoglobin molekulák szállítják hozzájuk. Az aktiválódó agyterületeken tehát, a megnövekedett oxigén igény biztosítására fokozódik a véráramlás (hemodinamikus válasz), így az oxihemoglobin (Hb) és a dezoxihemoglobin (dHb) relatív aránya is megnő. Az oxihemoglobin és a dezoxihemoglobin eltérő mágneses tulajdonságokkal rendelkezik, a dezoxihemoglobin erősebben mágnesezhető, mint az oxihemoglobin, ami gyakorlatilag ellenáll ennek a hatásnak, és az MRI készülékkel ezt a jel különbséget tudjuk mérni. Az fMRI-t főként kutatásokban alkalmazzák, ugyanakkor kisebb számban klinikai vizsgálatokban is. Kiegészíthető és kombinálható más vizsgáló eljárásokkal, például EEG-vel és NIRS-sel (Near-infrared spectroscopy, közeli infravörös spektroszkópia).Bandettini, P. (2007). Functional MRI today. Int J Psychophysiology, 63(2), 138-145. A megjelölt spin technika (Arterial spin labeling fMRI, ASL) is hasznos lehet, mely során az artériákban lévő vízmolekulák protonjainak spinjét jelölik meg és ennek segítségével mérik az agyi véráramlást. Ez a módszer jól alkalmazható az idegrendszer nyugalmi állapotának még pontosabb felmérésében.Chuang, KH. et al. (2008). Mapping resting-state functional connectivity using perfusion MRI. Neuroimage, 40(4), 1595-605

Míg az fMRI igyekszik az idegsejtek aktivitását mérni az agyban, addig a BOLD jelet számos egyéb élettani hatás befolyásolhatja, nem csak a neuronális aktivitás. Ilyenek például a légzés ritmusának ingadozása és a szív-érrendszerben történő változások, amik hatással vannak az agyban mért BOLD jelre is. Ezért a nyers fMRI adatok feldolgozása során igyekszünk ezeket a zavaró tényezőket kiszűrni. Az fMRI kezdeti használatakor ezeknek az eltérő eredetű zajoknak köszönhetően sok szakértő szkeptikusan állt a nyugalmi fMRI elgondolásához. Az utóbbi időben azonban a kutatók (a különböző eljárásoknak és korrigálási lehetőségeknek köszönhetően) megbizonyosodhattak arról, hogy a mért intenzitás nem az egyéb élettani folyamatokból eredő artefaktum, hanem az agyterületek közötti nyugalmi állapotú funkcionális konnektivitás, amit jól tükröz ezen területek közös aktiválódási mintázata.Damoiseaux, J. S., Rombouts, S., Barkhof, F., Scheltens, P., Stam, C. J., Smith, S. M., et al. (2006). Consistent resting-state networks across healthy subjects. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 103(37), 13848-13853.

Történeti áttekintés Bharat Biswal Bharat Biswal 1992-ben a Wisconsini Orvosi Egyetem végzős diákjaként kezdte meg munkáját mentora, James S. Hyde iránymutatásával. Ekkor fedezte fel, hogy az agy, még nyugalmi állapotában is hordoz információt funkcionális szerveződéséről, területei nem véletlenszerűen aktiválódnak, információáramlás zajlik közöttük. fMRI-t használt annak feltárására, hogy a különböző agyterületek, hogyan kommunikálnak egymással, miközben az agy nyugalomban van, és nem végez semmilyen konkrét aktivitást igénylő feladatot. Bár abban az időben Biswal kutatási eredményeit megkérdőjelezték és nagyrészt figyelmen kívül hagyták, manapság már a nyugalmi neuronális képalkotásra vonatkozó módszerét széles körben alkalmazzák, és megalapozott eljárásnak tekintik a funkcionális agyi hálózatok feltérképezésében. Az agyi aktivitás tanulmányozása nyugalmi helyzetben számos új lehetőséget rejt az idegrendszer kutatásában és segíthet az orvosoknak a különböző betegségek feltárásában.

Marcus Raichle A Washingtoni Orvosi Egyetemen végzett kutatási eredményeik alapján, Marcus E. Raichle neurológus és csapata kimutatta, hogy az agy energiafelhasználása a nyugalmi energiafogyasztás kevesebb, mint 5%-ával emelkedett meg, miközben a résztvevő egy erős koncentrálást igénylő mentális feladatot hajtott végre. Ezek a kísérletek igazolták, hogy az agyunkat folyamatos magas szintű aktivitás jellemzi, még akkor is, amikor nem végezünk komoly mentális feladatot (vagyis amikor az agyunk nyugalomban van). Kutatócsoportja elsősorban arra helyezte a hangsúlyt, hogy ennek a nyugalmi aktivitásnak az alapját feltárják és megalapozzák a további úttörő felfedezéseket. Ezek közé tartozik az fMRI technika fiziológiai alapjainak még pontosabb leírása, valamint a Nyugalmi Hálózat (Default Mode Network) felfedezése is. A Nyugalmi Hálózat agyterületek olyan rendszere, amely akkor aktív, amikor a személy relaxált, éber állapotban van és nem a külvilág ingereire figyel.Fox, M. D., Snyder, A. Z., Vincent, J. L., Corbetta, M., Van Essen, D. C., & Raichle, M. E. (2005). The human brain is intrinsically organized into dynamic, anticorrelated functional networks. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 102(27), 9673-9678.

Funkcionális és strukturális konnektivitás Funkcionális konnektivitás A funkcionális konnektivitás olyan agyterületek közötti kapcsolatot jelent, amelyek működésükben hasonlóak, kölcsönösen aktiválódnak és kiegészítik egymást bizonyos funkciók elvégzése közben. Úgy is megfogalmazhatjuk, mint a különböző neuropszichológiai eseményekhez kapcsolódó térben távoli, szétszórt neuroncsoportok és agyterületek közt meglévő kölcsönös időbeli kapcsolatot.Biswal, B. B., VanKylen, J., & Hyde, J. S. (1997). Simultaneous assessment of flow and BOLD signals in resting-state functional connectivity maps. Nmr in Biomedicine, 10(4-5), 165-170. Ezeket az összeköttetéseket használják ki mind a nyugalmi állapothoz, mind pedig a feladatvégzéshez kapcsolódó kutatások. Amíg a funkcionális konnektivitás a résztvevők, az egyéni idői mintázatok, a különböző feladatok sorozatai, blokkjai vagy a próbák közti kapcsolatok feltárását célozza meg, addig a nyugalmi funkcionális konnektivitás az egyének között, nyugalmi állapotban jelentkező BOLD jel változások kapcsolataira összpontosít.Friston, K. (2009). Causal Modelling and Brain Connectivity in Functional Magnetic Resonance Imaging. [Editorial Material]. Plos Biology, 7(2), 220-225. A területek közti funkcionális konnektivitást a vérátfolyás idejének mérésével, a perfúziós megjelölt spin fMRI technika segítségével is igyekeztek kimutatni.Fernandez-Seara, MA. (2011). Effects on resting cerebral blood flow and functional connectivity induced by metoclopramide: a perfusion MRI study in healthy volunteers. Br J Pharmacol, 163(8), 1639-52 Ezen kívül, alkalmazzák még a funkcionális konnektivitást vizsgáló MRI (fcMRI) eljárást, ami magában foglalja a nyugalmi fMRI és a feladat alapú MRI technikát is.Smith, S. M. (2012). The future of FMRI connectivity. Neuroimage, 62(2), 1257-1266. A funkcionális konnektivitás feltehetően a hálózatos működés egyfajta kifejeződése, ami részben a magasabb szintű kognitív működések alapjául szolgál, mert ellentétben a strukturális konnektivitással, a funkcionális kapcsolatok megváltozhatnak. A Dinamikus Funkcionális Konnektivitás (Dynamic functional connectivity) elmélet szerint ezek a kapcsolatok percek, vagy akár másodpercek alatt is átalakulhatnak, szemben a hagyományos elmélettel, mely szerint a funkcionális kapcsolatok időben stabilak. A változások több tényező miatt kialakulhatnak, ilyen például az alvás, a tanulás vagy valamilyen mentális feladat végzése és hatással lehetnek a viselkedésre is. Ezen kívül az akupunktúrás tűkből jövő szomatoszenzoros input és az elektromos idegi stimuláció is megváltoztatja a funkcionális konnektivitást a nyugalmi hálózatokban.Guerra-Carrillo, B.; Mackey, A. P.; Bunge, S. A. (21 February 2014). "Resting-State fMRI: A Window into Human Brain Plasticity". The Neuroscientist 20 (5): 522–533. doi:10.1177/1073858414524442

Strukturális konnektivitás Amikor az egyes agyterületek között fizikai, anatómiai kapcsolatokat is találunk, ezt nevezzük strukturális konnektivitásnak. Az agyterületek között nem kell anatómiai összeköttetéseknek lenniük ahhoz, hogy funkcionális kapcsolatban lehessenek és a strukturális konnektivitás nem jelentik feltétlenül azt, hogy a területek között funkcionális kapcsolat is fennáll.Biswal, B. B., Mennes, M., Zuo, X. N., Gohel, S., Kelly, C., Smith, S. M., et al. (2010). Toward discovery science of human brain function. Proc Natl Acad Sci U S A, 107(10), 4734-4739. Igen sok kezdeményezés, mint például az Emberi Konnektom Projekt (Human Connectome Project, HCP) tűzte ki céljául a konnektom, vagyis agyunk neurális kapcsolati térképének leírását, ami fényt deríthet az egészséges emberi idegrendszer anatómiai és a funkcionális kapcsolataira egyaránt.Van Essen, D. C., & Ugurbil, K. (2012). The future of the human connectome. [Review]. Neuroimage, 62(2), 1299-1310.

Agyi hálózatok thumb|right|A képen négy funkcionális hálózat látható, ami a legtöbb alanyban hasonlóan helyezkedik el. A megjelölt modulok a vizuális kéreg (sárga), szenzoros/motoros kéreg (narancssárga) és a bazális ganglionok területeit mutatják, valamint a Nyugalmi Hálózatot (poszterior cinguláris kéreg, inferior parietális lebeny, mediális frontális gyrus; barna).

Nyugalmi Hálózat