大脑神经成像技术和图像可以告诉我们

神经影像学成像科学的专业化,使用各种尖端技术生产大脑或中枢神经系统的其他部分的图像以非侵入性的方式。具体来说,神经影像可以提供一系列直接或间接派生的可视化表示形式以及定量分析解剖学、血流量、血容量、电活动,新陈代谢,耗氧量、受体网站和其他中枢神经系统内的生理功能。神经影像,通常被称为大脑扫描,可分为两大类,即结构和功能神经影像。而结构神经成像用于可视化和量化大脑结构使用技术分布形态测量学,³功能性神经成像用于测量大脑功能(如神经活动)间接地经常使用功能性磁共振成像(fMRI),正电子发射断层扫描(PET)或功能性超声波(付)。

神经影像使用过多的成像技术来研究大脑的功能,阐明认知机制,大脑的信息处理或改变的病理状态。神经放射学,另一方面,是一个使用大脑成像在临床医学专业。它主要聚焦于脑损伤的识别,如血管畸形、中风、肿瘤和炎症性疾病。神经影像学相比,神经更定性,依靠主观印象和广泛的临床训练,虽然基本的定量技术在某些情况下使用。脑功能成像技术,如fMRI,神经影像中常见,但很少用于神经放射学。虽然神经成像以前认为是放射科医生与一个特定的兴趣领域的神经系统,这个快速发展的领域现在填充贡献者来自不同背景包括神经科学、分子生物学、遗传学、神经学、神经外科、心理学、精神病学、物理、化学、放射学和核医学。

理解人类思维一直是整个时代的哲学家的主要意图。质疑我们的思想如何表示和操作知识,和大脑如何实现这些心理表征过程,吸引了心理学家、计算机科学家、哲学家、社会学家和志同道合的人员到一个新的学科,称为认知科学。在这种背景下,先进的出现,功能性神经成像技术扩大了我们的能力来研究认知过程的神经基础。

虽然过去二十年见证了惊人的热情在人类大脑映射,神经影像学的基石是在1900年代初。1880年,意大利物理学家安吉洛快速的发明了一种非侵入性技术,能够测量血液的重新分配在情感和智力活动。⁴这种方法,被称为“人类的循环平衡”,被认为是第一个神经成像技术。⁵

1918年,美国神经外科医生,沃尔特花花公子,介绍了脑室造影术心室的技术,用于获得图像系统在大脑内注入空气过滤直接进入大脑的一个或两个侧脑室。⁶这个过程并不是痛苦的,但它对病人进行重大风险进行调查,导致出血、感染和危险的颅内压的变化。然而,手术这种方法所提供的信息非常精密,准确。花花公子还发现许多脑室造影照片,空气通过心室的渠道可以检测到的脑脊液隔间在大脑的基础和对其表面。这一观点使他得出这样的结论:空气跟着一样,正常通过,脑脊液循环通路。随后,他退的脑脊液蛛网膜下腔,代之以等量的空气。因为空气是更多的渗透比骨骼x射线,这种策略使更好地可视化x射线。这种技术,命名气脑造影术,⁷扩展的范围精确诊断颅内,尽管它带来风险的病人一样观察脑室造影术的早些时候,通常不愉快和痛苦。

在1927年,起飞Moniz葡萄牙神经学家,也是诺贝尔生理学或医学奖1949年,推出了脑血管造影术一种技术,用于可视化正常和异常的血管在大脑的准确度和精密度。⁸早期,脑血管造影术构成直接和长期的风险,其中许多来自静脉注入积极的有害影响对比物质。几十年,然而,随着科技进步的发展新的、更安全的造影剂,这种成像方式已经大大改进。随后,脑血管造影术仍然是最主要的神经外科医生的诊断成像和治疗军械库neuro-interventional管理一系列脑部疾病和紊乱。

在20世纪的下半叶,的出现计算机轴向断层扫描(猫或CT扫描)铺平了道路安全,无痛,更详细的解剖大脑成像。三个名字,随着这项技术的发展包括相关联威廉博士Oldendorf,戈弗雷Newbold Hounsfield和艾伦·麦克劳德Cormack。^9日,10

猫的发明后不久,放射性配体的发展导致的基础核成像模式,即单光子发射计算机断层扫描(SPECT)和宠物。放射性配体单光子或正电子发射体,可以定制保持血液中或进入大脑和绑定到他们的目标受体。

在1973年,爱德华·j·霍夫曼,迈克尔·菲尔普斯开发的第一个人类PET扫描仪。¹¹以前,氙吸入技术是脑血流量的主要映射。¹²oxygen-15标记的发展水(¹⁵O -H₂0)促进区域内血流量的测量大脑使用宠物。¹³功能成像的飞跃了的发展2 - (¹⁸F] fluoro-2-deoxy-d-glucose (¹⁸F-FDG),正电子糖衍生物据当地代谢活动在大脑中积累。¹⁴这种放射性配体允许调查人员使用摄影测量区域脑葡萄糖消耗,并被用来检测新陈代谢活跃的脑损伤,神经损伤或突触功能紊乱。不像oxygen-15,短的半衰期为2.25分钟,110分钟的半衰期的FDG PET扫描允许机器远程回旋加速器产生的同位素。

几乎与此同时,磁共振成像(MRI)是发达国家。名字与早期发展这种技术包括有关j·a·杰克逊(1968),雷蒙德Damadian(1972)和Paul Lauterbur(1973)。^15,16最初,MRI的应用仅限于结构成像,虽然技术改进在1980年代逐渐扩大范围大脑病理学的诊断成像。

自1990年代以来,功能磁共振成像已经成为神经成像研究的基础由于其缺乏辐射危害,低侵袭性和相对广泛的可用性。¹⁷功能磁共振成像测量大脑活动通过检测脑血流(CBF)的变化有关,脑血容量cb v()都未和耗氧量(CMRO脑代谢率₂)。¹⁸

随着时间的推移,物理学家开发了核磁共振光谱学(夫人),用于测量生活中的某些关键代谢物大脑n -乙酰天冬氨酸、乳酸等。¹⁹同样,扩散张量成像(DTI),^20.另一个mri技术,使用各向异性扩散²¹在生活的大脑白质束地图。

最近,与PET、CT和fMRI的结合SPECT铺平了道路多通道神经成像结合数据来源于不同的成像方式获得更详细的信息关于大脑动力学。²²

现代神经影像学使用数组技术照亮我们的大脑,让我们考虑一些更详细的。

计算机断层扫描(CT扫描)

CT是指一种非侵入性诊断成像过程,使用特殊的x射线测量生产水平,或轴向,大脑的图像以及身体的其他部位。²³在脑CT, x射线绕着身体成一圈捕捉各种2 d图像个体的大脑从多个角度(图1)。x射线信息然后发送到一台电脑,它处理数据使用重建算法来生成层析(横向)大脑的图像(图2)。

脑CT扫描可能有或没有执行造影剂——一种物质能够提高组织的可见性,结构或病理学。最常见的造影剂用于CT成像,iodine-based钡。

CT的大脑通常用于评估大脑肿瘤和其他损伤,损伤、颅内出血、脑积水、中风、血管性痴呆、感染、炎症和其他条件。CT扫描还可以为大脑提供基于图像指导手术或活检脑组织。

图1: 使用CT扫描仪。 信贷: Ramin.essamanas,复制 Creative Commons归因4.0国际 许可证。

图2:CT血管造影血管畸形的患者脑室内出血。信贷:Shazia殿下和Sankalp Gokhale,复制下Creative Commons归因4.0国际许可证。

单光子发射计算机断层扫描(SPECT扫描)

在SPECT成像,gamma-emitting放射性示踪剂(如锝99 m,碘- 123或碘- 131)是人为地引入生物相关分子(通常是配体、多肽或抗体)和静脉注射到动物或病人。²⁴后注射到血液中,生物分布和吸收不同的器官和组织的放射性示踪剂是量化的随着时间的推移获得生理信息,感兴趣的细胞或分子的过程。SPECT成像期间,一个或多个γ相机旋转病人,使辐射从不同的角度被捕获并产生多个2 d图像。此后,使用计算机层析重建算法应用于这些多个投影,生成3 d图像。

神经影像而言,SPECT主要是用于量化CBF的变化和神经递质系统。脑SPECT可用于评估和管理范围广泛的临床条件包括头部受伤,恶性脑瘤、脑血管疾病、帕金森氏病、痴呆、癫痫^25,26(图3)。通常,功能性脑SPECT成像实现使用Technitium (^99米Tc) exametazime gamma-emitting放射性示踪剂摄取的脑组织CBF成正比。因为CBF紧密耦合局部代谢和能源消耗,a^99米Tc-exametazime示踪剂可用于评估大脑新陈代谢区域。

图3: 代表的SPECT图像帕金森病(PD)患者与正常控制(NC)。信贷:儿子s j, h .改编自金正日M和公园 ²⁵ ,复制下 Creative Commons归因4.0国际 许可证。

正电子发射断层扫描(PET扫描)

宠物是一个非常强大的核医学成像模式,利用放射性示踪剂来可视化和量化代谢过程的变化。²⁷在宠物,生化活性分子标记与短暂的正电子放射性示踪剂注入病人。作为组织中的正电子遇到电子,它们吃光了一双511 keV光子。这些光子探测器测量的PET扫描仪,并最终重建产生图像映射的器官或组织接受调查。积累大量的放射性示踪剂在该地区的利益成正比的信号强度水平的区域,表明器官或组织的功能。在PET成像示踪剂的选择取决于目标和应用程序。

在神经影像,¹⁸F-FDG宠物可以用于:

1. 分级、分期、治疗计划和实时监测治疗反应在脑瘤患者,尤其是胶质母细胞瘤(图4)。
2. 分化从其他痴呆阿尔茨海默病(AD)的过程。²⁸
3. 癫痫的本地化的焦点。^29日
4. 海马硬化的诊断。^30.

其他几个宠物追踪器¹⁸F-FDG显示承诺阐明药理学,神经化学和病理的人类大脑。例如,¹⁵地₂O宠物允许区域CBF量化,而[18 f]fluorothymidine蒋春暄对于费马大定理()作为在活的有机体内细胞增殖的标志。^31日最近,新发展淀粉样蛋白成像示踪剂,如匹兹堡化合物B,(¹⁸F] Florbetapir和[¹⁸F] Florbetaben使在活的有机体内检测和量化的大脑——Aβ斑块的负担广告的一个特点。³²

图4:T₁三gadolinium-enhanced MRI(左)和¹⁸F-FDG宠物(右)的79岁的老人,右额叶胶质母细胞瘤。信贷:教堂司事,Langen KJ。改编自³³,复制下Creative Commons归因4.0国际许可证。

磁共振成像(MRI或扫描先生)

MRI是指一种非侵入性、无辐射、安全成像形态依赖于原子核的磁化特性。¹⁶水分子形成一个主要部分,所有活着的尸体,每一个有两个氢原子核或质子。当病人被发送在核磁共振扫描仪的强大的磁铁,这些质子开始使自己与磁场的方向。这种对齐下摄动通过脉冲射频(RF)当前病人。射频场关闭后,核回到他们通过各种放松休息调整的过程,虽然这样做,他们发出的射频能量。在这个过程中释放的能量由核磁共振检测传感器。放松涉及两个不同的机制——我)T₁放松,也称为纵向或spin-lattice放松和ii) T₂放松,也称为横向或自旋自旋弛豫。时间常数,T₁是一种测量时间的兴奋质子回到平衡和调整外部磁场。T₂是一种测量时间的旋转质子失去相位相干性在原子核旋转的垂直于主要字段(图5)。

根据他们的细胞和分子特征,不同的组织有不同的T₁和T₂放松,形成图像的对比(信噪比)的基础。在图像采集过程中,接收线圈放置在被检查部位提高发射信号的检测。接收信号的强度上绘制灰度产生横断面图像。核磁共振造影剂已成为当代MRI研究的不可或缺的组成部分。他们通过改变T工作₁和T₂各种组织的松弛率,导致增加了T的信号强度₁T -weignted图像或信号强度下降₂三图像或两者兼而有之。常见的T₁核磁共振的代理包括钆(Gd^{3 +})的顺磁性复合物,而T₂代理包括超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPION)。

MRI是被医生广泛使用来评估各种条件如内出血、肿胀、脑发育障碍、肿瘤、感染、炎症、损伤造成损伤或中风,血管畸形和癫痫发作和头痛的原因。

图5:图描绘了核磁共振成像的物理:氢质子磁行为字段。(一)所有生活的身体是由水分子构成的,构成两个氢原子和一个氧原子组成。每一个氢核包含一个正电荷。,a proton spinning around on its axis behaving like a tiny magnet. (B) When a person goes inside the MRI scanner, the randomly oriented protons inside the water molecules of their body align themselves with the direction of the main static magnetic field, B₀。这些质子将“向上”或平行而别人会使“下降”或反平行的,同时还绕着自己的轴像一个旋转的陀螺。(C)当一个射频波/脉冲频率相同的质子的岁差的频率,质子一致向上翻转距离B₀场,同时吸收射频能量。

功能性磁共振成像(fMRI)

近年来,功能磁共振成像已经成为神经成像研究的基石。这种技术,主要基于血氧水平依赖(BOLD)之下,局部血流动力学变化与敏感神经元活动增加(图6)。^18,34功能磁共振成像的大脑活动是广泛用于非侵入式映射唤起从感官、电机、认知和情感健康个体的任务。目前,该技术已被证明其价值在神经外科临床神经行为障碍的规划和加强我们的理解包括广告、癫痫、脑部肿瘤、中风、创伤性脑损伤和多发性硬化症。

图6:插图大胆fMRI信号是如何生成的。(一)BOLD-fMRI采用血红蛋白(Hb)作为内源性对比剂和依赖于磁化率差异oxy-and脱氧血红蛋白(dHb)生成功能的对比。在一个特定的大脑区域神经元活动增加时,它会消耗更多的氧气和葡萄糖。氧代谢需求触发局部血流量增加。活跃的大脑区域得到更多的含氧血液比不活跃地区。dHb顺而Hb是抗磁性。这种差异在磁化率会导致小MRI信号强度的差异,进而,取决于氧化的程度和被称为大胆的信号。自血氧根据神经活动的水平不同,这些差异可以用来测量大脑活动。(B)一位代表功能磁共振成像图像与橙色区域显示大脑活动增加与其他(控制)的大脑区域。信贷:华盛顿·欧文,复制作为公共领域的形象。

漫射光成像(DOI)和断层扫描(点)

扩散光学成像(DOI)和扩散光学断层扫描(点)非侵入性技术,可以产生一个物体的光谱图像位于几厘米利用光在生物组织的近红外(NIR)光谱区。^35,36启用可视化使用DOI或点,对象必须是透明的或者至少半半透明。照明和探测由使用一个数组分别光源和探测器的对象进行调查(图7)。通过观察时空变化组织的光吸收和散射特性,氧-地域差异和deoxy-hemoglobin浓度可以成像。基于模型的重建算法可以应用于获得数据来获得组织的空间分布特性,如总血红蛋白浓度,血氧饱和度和散射。功能近红外光谱(NIRS)使用点可以有效地用来测量神经激活后的血流动力学变化,,反过来,可以提供有价值的信息对人类大脑的神经生理学。

图7:图像显示了DOI和点成像的工作原理。(一)代表图像显示光纤在额叶皮层的边界在一个真实的空间。随着光子轨迹遵循一个香蕉路径(由箭头表示),测量在10 - 20毫米的距离从extracerebral层可以提供信息来源。测量在30 - 40毫米从源可以颅内层信息。在这里,炮检对相距1厘米在额叶和矢状视图。矩阵由64光纤,由于colocalization提供2048光学通道。(B)光学fiber-scalp耦合是确保通过使用一个刚性结构,光纤的尖端。信贷:Hernandez-Martin E, Luis Gonzalez-Mora j .改编³⁷,复制下的Creative Commons归因4.0国际许可证。

与事件相关的光信号(厄洛斯)

与事件相关的光信号(厄洛斯)是一个新兴的、相对廉价的和非侵入性神经影像使用红外线技术通过光纤确定光学性质的变化在大脑皮层活跃地区。³⁸虽然DOI或检测技术测量光学吸收的血红蛋白,因此依赖CBF厄洛斯,利用神经元本身的散射特性,提供了一个更直接的细胞活动。

脑磁图描记术(梅格扫描)

脑磁图描记术(MEG)是一种无创、无辐射、安全成像形态检测、记录和分析电流所产生的磁场同步产生的大脑中的神经元激活(图8)。³⁹磁场测量范围从毫微微pico-tesla。梅格评估获得的信息已经广泛应用,包括找到癫痫的来源,感觉映射,大脑信号的识别与自闭症有关,帮助研究人员确定大脑的各个部分的功能。

图8: 梅格的基础图显示信号。电流在大脑中来自神经元激活(左)产生一个磁场,然后被梅格。

颅超声

此神经影像形态使用高频声波获得大脑的图像和其内部流体室(心室)。它主要是用于婴儿,因为他们囟门即。,的soft spot on their skull, offers an "acoustic window". This test is used to diagnose and follow-up problems of premature and sick neonates (Figure 9).⁴⁰

图9: 代表图像显示蛛网膜下腔扩大颅超声早产的婴儿。信贷:百胜SK, Im SA, Seo, YM和本土知识唱。改编自 ⁴¹ ,复制下 Creative Commons归因4.0国际 许可证。

功能超声成像(付)

付是一个ultrasound-based无创性影像学方法检测神经活动的变化或代谢通过测量血液流动或血流动力学变化。⁴²方法可以被认为是一个扩展的多普勒成像、超声(美国)的成像技术,高频声波反射循环红细胞估计血液流经血管。传统美国灵敏度较低,限制了其潜力microangiography或功能成像。付家方法雇用了一个新序列的能量多普勒成像敏感cb v足以检测CBF的微妙的变化或在都未极其微小的血管。

在临床前研究中,付家已经成为一个吸引人的神经回路的审讯技术通过功能连通性分析。此外,它可以用于地图大脑对外界刺激的反应,研究药理干预对大脑的影响和可视化神经与血管的详细结构。临床上,付家承诺检测人类新生儿脑部疾病和术前手术规划(图10)。

图10: 评估的动态连接使用付成像在新生儿。:超声探头绑在婴儿的头部和安装在电动夹,使收购多个成像的飞机。左下:进化的大脑状态随着时间的推移,在一项新生儿早产新生儿。右下角:发生率平均每个大脑状态的术语组(四个婴儿)和早产组(6名婴儿)。信贷:Baranger J et al .改编 ⁴³ ,复制下 Creative Commons归因4.0国际 许可证。

量子光学泵磁力仪(opm)

量子光泵磁力仪(opm)可以测量弱磁场的femto-tesla敏感性而不采用低温冷却。每个阵列的传感器可以灵活地放置在毫米病人的头皮,这减少了source-to-sensor距离,同时最大化信号强度。⁴⁴OPM -梅格显示潜力巨大脑功能检测的确切来源映射和癫痫发作。

脑电图(EEG)

脑电图(EEG)是一种先进的神经影像技术,记录大脑的电信号通过使用小电极放置在头皮上的主题。⁴⁵更具体地说,电极检测的微小电压波动造成神经元的活动,在脑电图记录出现波浪线(图11)。而脑电图通常是无创,electrocorticography或涉及入侵电极和颅内脑电图记录电势与直接从大脑皮层的大脑活动。脑电图是常用的诊断癫痫、睡眠障碍、脑部肿瘤、中风和脑炎、并确定麻醉的深度、昏迷和脑死亡。

图11:图显示脑电图可能被记录下来。电活动是在头皮上使用电极固定在一个脑电图帽(左)。对于每个电极、信号放大和连续映射(右),可用于任何需要处理的步骤。

的出现,CT, MRI、宠物和其他尖端技术革新了神经影像领域。尽管大多数的这些技术消除入侵的风险程序,其他潜在风险需要考虑之前订购神经影像。例如,先进的神经成像利用CT和PET可能构成重大的辐射暴露的风险。使用CT对比可能有害的预先存在的肾功能衰竭患者。从辐射危害先生虽然是免费的,它与风险相关的静态磁场,磁场梯度和对比媒体。最后,伦理问题引起的大脑研究培育neuroethics的出现,一个新的学科研究的伦理、法律和社会神经科学的影响。⁴⁷最新进展我们了解大脑,调节大脑功能的能力可以影响一个人的隐私,自主权,身份和精神心理健康和疾病的概念。因此,应用神经影像学的潜在好处和成员的精神疾病以及健康的人需要仔细权衡潜在的损害。

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