Como ver os pensamentos. Aplicações pouco ortodoxas da ressonância magnética

A ressonância magnética (MRI) hoje é usada não apenas para diagnóstico, mas também para mapear o estado funcional das redes neurais, permitindo ver literalmente o funcionamento do cérebro em tempo real. Tornou possível criar uma tecnologia de biocontrole de jogos baseada nos mecanismos naturais de autorregulação das funções do corpo humano.

Em jogos de computador exclusivos desenvolvidos por especialistas de Novosibirsk, o usuário aprende a “gerenciar” o enredo do jogo virtual por meio de mudanças volitivas em suas características fisiológicas (pulso, temperatura, atividade elétrica do cérebro, etc.). Os jogos podem ser usados ​​para resolver uma ampla classe de problemas terapêuticos e de reabilitação, inclusive para avaliar o estado psicofisiológico atual de uma pessoa. Essa atividade de jogo por si só tem um efeito antiestresse pronunciado, mas, o mais importante, com a ajuda dessa tecnologia é possível revelar os recursos potenciais do corpo que não sabemos usar em nossa vida cotidiana.

Até recentemente, informações fundamentais sobre o funcionamento do cérebro só podiam ser obtidas de fontes indiretas. Estamos falando de experiências diretas em animais; observações de pessoas doentes nas quais os danos a uma ou outra parte do cérebro se manifestam na forma de paralisia, distúrbios da fala ou da memória; testes neuropsicológicos; cirurgia cerebral aberta, que permite ao neurocirurgião ver a resposta a estímulos específicos; finalmente, registrando a atividade elétrica do cérebro. No entanto, os resultados obtidos com essas abordagens não conseguem descrever como o cérebro funciona na resolução de um problema específico. A oportunidade de observar diretamente a dinâmica da atividade cognitiva do cérebro, ou seja, de “ver pensamentos”, surgiu apenas com a introdução da tecnologia de ressonância magnética funcional na prática de pesquisa.

A hipótese sobre a ligação entre a intensidade do suprimento sanguíneo ao cérebro e sua atividade tornou-se difundida no final do século XIX. com a mão leve do notável fisiologista britânico Charles Sherrington. Muitos anos depois, a presença dessa conexão foi comprovada por métodos radiográficos, que confirmaram uma relação direta entre os processos metabólicos em certas áreas de trabalho do cérebro e a taxa de fornecimento de oxigênio a elas.

Há pouco mais de duas décadas, funcionários da organização de pesquisa americana AT&T Bell Laboratory descreveram o princípio de visualizar a atividade de áreas cerebrais em tempo real por meio de ressonância magnética (MRI), em que o contraste da imagem é determinado pelo grau da saturação de oxigênio do sangue (Ogawa e outros., 1990). É este princípio que formou a base da tecnologia ressonância magnética funcional(fMRI) - um estudo dinâmico das zonas ativas das estruturas cerebrais no momento de sua atividade, testado pela primeira vez em humanos dois anos após a primeira publicação.

Marcador - oxigênio

A ativação de uma região cerebral está sempre associada ao consumo de energia, por isso acarreta uma aceleração do metabolismo da glicose e a transformação das moléculas de hemoglobina - fornecedora de oxigênio em nosso corpo - nas quais a oxiemoglobina, combinada reversivelmente com o oxigênio, é convertida em desoxihemoglobina (" hemoglobina" reduzida).

Um fator chave para a ressonância magnética são as diferenças nas propriedades magnéticas das diferentes formas de hemoglobina. Assim, a oxiemoglobina é diamagnético, isto é, uma substância magnetizada contra a direção do campo magnético externo. A desoxihemoglobina (hemoglobina “reduzida”), ao contrário, tem as propriedades paramagnético, magnetizado na direção do campo magnético externo. A magnitude do sinal de ressonância magnética depende da quantidade de desoxihemoglobina no tecido: quanto maior a concentração, menor o sinal. O indicador, que é determinado pela proporção de duas formas de hemoglobina e depende do nível de oxigênio no sangue, é denominado BOLD (do inglês. nível de oxigenação do sangue dependente).

Quanto mais ativa é uma parte do cérebro, mais oxigênio ela consome. Quando um conjunto neural ativo é formado, um aumento no consumo local de energia já nos primeiros segundos leva a um aumento na concentração de desoxihemoglobina paramagnética; segue-se então a reação do sistema vascular, que consiste em aumentar o suprimento sanguíneo local e o suprimento sanguíneo ao tecido cerebral devido ao aumento do volume e da velocidade do fluxo sanguíneo.

Segue-se que a magnitude relativa do sinal de ressonância magnética pode servir como uma medida da atividade das regiões cerebrais. Além disso, os resultados obtidos sob o controle da eletroencefalografia no córtex visual do cérebro aberto de primatas sugerem que o sinal de ressonância magnética é uma resposta linear à atividade elétrica gerada pelo conjunto neural ativo (Logothetis e outros., 2002).

Assim, a ressonância magnética funcional, focada na detecção do efeito BOLD, é hoje a ferramenta ideal para mapear a atividade neuronal, mais precisamente, o estado funcional das redes neurais - a base para visualizar nossos pensamentos e ideias. Em outras palavras, é com a ajuda da ressonância magnética funcional que você pode literalmente ver como nosso cérebro resolve problemas em tempo real.

O poder do pensamento

Intimamente relacionada à tecnologia fMRI está a tecnologia neurobiológica da “interface cérebro-computador”, uma espécie de “simbiose computacional” (Kaplan, 2005, 2012; Chernikova et al., 2010). Estamos falando da possibilidade, por meio de um eletroencefalograma, de obter a exibição de um “padrão” estável de atividade bioelétrica do cérebro, vinculando esse padrão ao funcionamento das estruturas cerebrais e à formação de novos conjuntos neurais estáveis ​​​​nelas. Ao mesmo tempo, o eletroencefalograma não é apenas uma fonte de informações sobre eventos intracerebrais: esses dados podem ser usados ​​como um sinal de feedback para o circuito de autorregulação voluntária das funções corporais.

Embora a neurobiologia seja um campo científico independente, surgiu como um “produto social” para pessoas com deficiências profundas, graças ao qual pessoas confinadas a cadeiras de rodas e privadas de capacidades motoras independentes têm a oportunidade de controlar membros artificiais, como um braço mecânico (Hochberg e outros., 2012).

Uma das aplicações práticas da neurociência é o neurofeedback, uma tecnologia não medicamentosa baseada nos princípios do feedback adaptativo mencionado acima - um fenômeno que fornece um mecanismo de autorregulação. Esta tecnologia baseia-se na ideia de que uma pessoa pode ser treinada para controlar voluntariamente características fisiológicas inconscientes, como frequência cardíaca e parâmetros dos ritmos de atividade elétrica no cérebro.

A capacidade de uma pessoa alterar propositalmente os parâmetros do eletroencefalograma foi descrita pela primeira vez pelo cientista americano J. Kamiya em 1958 (essa habilidade foi estudada com o objetivo de controlar o estado funcional do cérebro do paciente e mudar a tendência de desenvolvimento mental ). Outras pesquisas comprovaram a incrível capacidade do nosso cérebro de fazer mudanças internas não previstas pela natureza. Descobriu-se que, com a ajuda do neurofeedback, é possível formar em uma pessoa habilidades de autorregulação anteriormente ausentes, formar novas e “despertar” formações cerebrais adormecidas. Ao mesmo tempo, a fMRI permite visualizar a real dinâmica temporal e espacial do cérebro.

Do ponto de vista prático, a tecnologia do chamado biocontrole de jogos é de particular interesse, quando uma pessoa aprende a “gerenciar” um enredo de jogo virtual por meio de mudanças volitivas em suas características fisiológicas, como cardiograma, pulso, temperatura da pele e atividade elétrica do cérebro.

Bata a si mesmo

No contexto da neurociência um jogo– esta é uma realidade psicológica com um grande número de situações atípicas nas quais o comportamento estereotipado é impossível. Um jogador de computador se acostuma a passar de um mundo virtual para outro, adaptando-se rapidamente a novas realidades virtuais com base em preferências pessoais.

Durante o jogo, o cérebro está ativamente ativo, determinando o curso de ação que no momento parece mais vantajoso. No caso da utilização do biofeedback, o jogador, tendo dominado as competências de autorregulação, pode controlar este processo, uma vez que o feedback adaptativo permite não só ver e “jogar” diversas estratégias comportamentais, mas também avaliar o grau da sua eficácia. . Neste sentido, esta tecnologia representa um poderoso mecanismo para ensinar a uma pessoa novos estereótipos comportamentais.

No Centro Internacional de Tomografia da SB RAS, em conjunto com o Instituto de Pesquisa de Biologia Molecular e Biofísica do Ramo Siberiano da Academia Russa de Ciências Médicas (Novosibirsk), foi realizado um experimento de neuroimagem de controle “volitivo” de um jogo virtual trama sobre um grupo de jovens.

Foi oferecido aos sujeitos a história do jogo “Vira!”, dedicada à busca de tesouros subaquáticos. Cada sujeito, estando no anel magnético do tomógrafo, controlava um dos mergulhadores que afundou. A velocidade do jogador era determinada diretamente pela sua frequência cardíaca: quanto mais lenta a frequência cardíaca, maior a velocidade. Durante o jogo, as informações sobre a frequência cardíaca foram transmitidas em forma de sequência visual em uma tela de monitor acessível ao sujeito. Para vencer o jogo, foi necessário aprender a controlar mentalmente a pulsação, ou seja, desenvolver habilidades para desacelerar a frequência cardíaca.

Com base nos resultados dos jogos, foram identificadas seis opções comportamentais diferentes nos sujeitos, e para cada uma delas foi determinada a estratégia principal de autorregulação.

Por exemplo, com a estratégia de tentativa e erro, o sujeito inicialmente fez várias tentativas sem sucesso, mas acabou alcançando o objetivo. Os indivíduos com esta tática concentraram-se não na regulação dos seus próprios indicadores fisiológicos (ou seja, frequência cardíaca), mas no controle da ação imediata do jogo. A estratégia “dinâmica pendular” caracterizou-se pela alternância de tentativas bem-sucedidas e malsucedidas, e a estratégia “aprendizagem sequencial” caracterizou-se pela melhoria do resultado tentativa após tentativa.

A análise dos resultados experimentais indica uma certa sequência de surgimento e desenvolvimento de zonas de atividade no cérebro dos sujeitos. O “pico” da trama competitiva ocorreu da quarta à sexta tentativas, quando um número crescente de conjuntos neurais recém-formados estavam consistentemente envolvidos na luta pela vitória.

Curiosamente, novas áreas desta atividade foram localizadas, inclusive no cerebelo. Uma análise da dinâmica de sua formação sugere que o cerebelo desempenha em nosso cérebro o papel não apenas de regulador das funções motoras, mas também de modificador das funções cognitivas (cognitivas), regulando a velocidade, força, ritmo e precisão do pensamento. Neste caso, uma implantação sequencial de um programa de operações cognitivas ocorre num modo organizado por feedback adaptativo.

É exatamente assim no jogo “Vira!” formou-se um “roteiro” de controle cognitivo da trama do jogo, segundo a estratégia de “tentativa e erro”, opção mais comum de autorregulação.

Uma mentira é diferente da verdade

A realidade virtual, apresentada na forma de um enredo de jogo competitivo, controlado através da regulação volitiva de uma característica fisiológica, dá à pessoa uma oportunidade única de demonstrar traços comportamentais que normalmente estão bloqueados. E neste sentido, não só um jogo virtual, mas qualquer treino de jogo em geral permite-nos identificar habilidades ocultas que podemos utilizar com sucesso na vida real.

Nesse contexto, é interessante analisar os dados de um experimento de jogo realizado no ITC SB RAS, no qual, além do biofeedback “real”, foi utilizado o chamado biofeedback de “imitação” (falso). Ou seja, quando o desenvolvimento da trama do jogo era totalmente aleatório e não dependia das ações do sujeito. Ao mesmo tempo, os próprios sujeitos não sabiam que em uma das séries de treinamentos virtuais não houve feedback real.

Com base na avaliação da eficácia dos resultados alcançados neste jogo, os sujeitos podem ser divididos em dois grupos. O primeiro deles demonstrou estratégias de autorregulação mais eficazes na presença de feedback real do que no caso de biofeedback “falso”. Além disso, mesmo neste último caso, os sujeitos conseguiram, após várias tentativas sem sucesso, diminuir a frequência cardíaca.

O segundo grupo demonstrou uma estratégia de autorregulação menos eficaz: mesmo na fase “real”, estes sujeitos alcançaram apenas parcialmente o seu objetivo. Na ausência de feedback, observou-se uma busca intensa e “caótica” por uma solução, que se expressou no aumento da dispersão dos valores dos intervalos de pulso.

E, no entanto, ambos os grupos de indivíduos mostraram uma maior eficiência de autorregulação durante o biofeedback real do que durante a simulação: o cérebro distinguiu com bastante sucesso a “verdade” das “mentiras”.

É preciso dizer que tanto o biofeedback real quanto sua imitação foram acompanhados por um expressivo quadro dinâmico do trabalho de certas formações cerebrais, expresso em uma mudança no volume de ativação e na redistribuição das zonas de atividade. Toda a superfície do córtex cerebral esteve realmente envolvida no processo, e a grande maioria das áreas corticais envolvidas no treinamento simulado e real se sobrepuseram e em ambos os casos foram caracterizadas por valores máximos de ativação. E, no entanto, deve-se notar que no modo de biofeedback simulado, uma série de estruturas cerebrais foram ativadas com muito mais força do que durante o biofeedback real: novos conjuntos neurais apareceram no cerebelo, no giro fusiforme e em outras partes do cérebro.

Especialistas do Instituto de Biologia Molecular e Biofísica do Ramo Siberiano da Academia Russa de Ciências Médicas (Novosibirsk) e da Empresa de Pesquisa e Produção de Novosibirsk “Computer Biocontrol Systems” criam um produto único - jogos de computador, cujo enredo competitivo é controlado pelas características fisiológicas do corpo humano (temperatura, pulso, respiração, biocorrentes do cérebro e músculos) .


A tecnologia de “biocontrole de jogos de computador” baseia-se nos mecanismos naturais de autorregulação das funções do corpo humano. Ao mesmo tempo, graças ao carácter competitivo, elimina-se a monotonia do processo de aprendizagem: um enredo fascinante motiva o sujeito, despertando-lhe interesse emocional pelo resultado e contribuindo assim para uma aprendizagem mais eficaz das competências de autorregulação.
Como a vitória exige que o sujeito tome decisões não triviais, tal jogo pode ser qualificado como uma atividade de aprendizagem criativa, cuja atratividade reside na imprevisibilidade do resultado final. Como cada tentativa de jogo subsequente é baseada no resultado da anterior, o biofeedback do jogo torna-se a chave para o autoaperfeiçoamento do sujeito, um impulso para a busca de novas estratégias eficazes de autorregulação. E como o jogador é motivado pela vontade de vencer, ele é obrigado a permanecer dentro dos limites prescritos pelo jogo e manter a calma.
Jogos criados com base na tecnologia de biofeedback podem ser usados ​​para resolver uma ampla gama de problemas terapêuticos e de reabilitação. Com a ajuda deles, você pode avaliar o estado psicofisiológico atual de uma pessoa e, além disso, essa atividade de jogo em si tem um efeito antiestresse pronunciado. Mas o mais importante é que com a ajuda desta tecnologia é possível revelar os recursos potenciais do corpo que não sabemos utilizar na nossa vida quotidiana.

Se tentarmos descrever a “rota” mais geral de ativação das estruturas cerebrais durante um jogo, então podemos dizer que após o início, os amplos campos corticais do cérebro são primeiro envolvidos no trabalho, e esta “rota cognitiva” termina no cerebelo. O envolvimento consistente das estruturas cerebrais na organização de novas redes neurais durante o treinamento virtual garante o surgimento de uma nova habilidade e sua posterior consolidação no cérebro. E nesse sentido, tais trabalhos vão ao encontro de uma nova tendência de desenvolvimento da sociedade moderna, que se chama “gamificação”.

Eficiente ou justo?

A psicologia é uma das áreas mais promissoras para a utilização da tecnologia de neuroimagem por fMRI, pois este campo científico é praticamente desprovido de ideias sobre a localização (no sentido anatômico) das funções cognitivas. Afinal, os psicólogos geralmente extraem informações básicas sobre sua “localização territorial” da comunicação com pacientes nos quais foram detectados danos cerebrais locais ou nos quais eletrodos intracerebrais foram implantados há muito tempo.

Em um dos trabalhos de pesquisadores americanos, foi feita uma tentativa de responder à questão da localização das estruturas cerebrais destinadas a classificar categorias cognitivas como igualdade e eficiência (Hsu Ming e outros., 2008). Por outras palavras, estruturas concebidas para resolver o antigo dilema: devemos agir de forma eficaz ou justa?

Numa experiência de jogo, os participantes estavam “sentados” ao volante de um camião que transportava alimentos para uma região “faminta” da África do Sul. As condições eram as seguintes: se o sujeito seguisse rigorosamente as instruções e distribuisse os alimentos igualmente para cada faminto, parte da carga certamente estragaria no caminho. Se negligenciarmos metade dos necessitados, a perda de alimentos diminuirá significativamente, mas, naturalmente, irá para menos pessoas. O que fazer? Deveríamos sacrificar a perda de alimentos ou, guiados por uma escolha “razoável”, deixar metade dos necessitados sem esperança de ajuda?

Descobriu-se que a avaliação emocional da “eficácia”, “justiça” e “benefício geral” de uma decisão é realizada por três estruturas cerebrais diferentes. A parte do cérebro chamada “concha” (lat. putâmen), responsável pela eficiência, a casca “ilha” (lat. ínsula) protege os interesses da justiça, enquanto a medida global de eficiência e desigualdade, ou seja, utilidade, é avaliada pelo órgão septal (lat. septo).

Estes resultados são consistentes com as evidências existentes de que são as estruturas cerebrais acima mencionadas que são os integradores de várias “variáveis” mentais na tomada de julgamentos e avaliações finais “socialmente orientados”. Pode-se supor que a solução final para o problema ético colocado é feita comparando sinais de diferentes fontes e comparando-os com a experiência retrospectiva, enquanto outras áreas do cérebro também estão envolvidas no processo cognitivo.

O número de publicações dedicadas a vários aspectos fundamentais e aplicados da ressonância magnética funcional e aos problemas da “interface cérebro-computador” tem crescido constantemente nos últimos anos (principalmente no exterior; praticamente não há trabalhos nacionais nesta lista). O desenvolvimento de tecnologias relevantes abre diversas áreas aplicadas promissoras. Por exemplo, tornou-se possível observar as características da circulação sanguínea em um segmento cerebral que está em estado ativado - isso pode ser usado para monitorar certas estruturas cerebrais em caso de acidente vascular cerebral (AVC) ou na seleção de medicamentos vasculares.

O desenvolvimento da ciência cognitiva, ramo da neurociência que estuda os mecanismos básicos do cérebro: “estratégias mentais”, sua localização, dinâmica, métodos de uso e aprimoramento na vida cotidiana, também abre grandes perspectivas. A chamada “estimulação interativa” permite organizar o feedback educacional (terapêutico) diretamente através da estrutura cerebral “interessada”. Ao visualizar, por exemplo, o córtex cingulado ou o hipocampo, você tem a oportunidade de “falar diretamente” com o cérebro.

A ressonância magnética funcional é uma ferramenta poderosa que nos permite alcançar uma compreensão qualitativamente nova da organização do cérebro e das características da atividade nervosa superior em humanos e animais. A introdução de tecnologias fMRI em várias áreas da atividade humana - neuromarketing, casting profissional, avaliação da eficácia de programas educacionais, detecção de mentiras, etc., terá um enorme impacto no desenvolvimento futuro não apenas da própria neurociência, mas também da sociedade como um todo.

Literatura

Kaplan A. Ya. Simbiose de neurocomputadores: movimento com o poder do pensamento // CIÊNCIA em primeira mão. 2012. Nº 6 (48).

Shtark M. B., Korostyshevskaya A. M., Rezakova M. V., Savelov A. A. Ressonância magnética funcional e neurociência // Avanços nas ciências fisiológicas, 2012. T. 43, nº 1. págs. 3-29.

Fotos de M. A. Pokrovsky foram usadas na publicação

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Mostra quanto sangue chega a diferentes partes do cérebro.

A fMRI permite determinar a ativação de uma área específica do cérebro durante o funcionamento normal sob a influência de vários fatores físicos (por exemplo, movimento corporal) e sob várias condições patológicas.

Hoje, este é um dos tipos de neuroimagem em desenvolvimento mais ativo. Desde o início da década de 1990, a ressonância magnética funcional passou a dominar o campo da imagem cerebral devido à sua invasividade relativamente baixa, falta de exposição à radiação e disponibilidade relativamente ampla.

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  O cérebro não está funcionalmente projetado para armazenar glicose, a principal fonte de energia. Porém, a ativação dos neurônios e a ação das bombas iônicas, que determinam o funcionamento normal do cérebro, requerem energia obtida a partir da glicose. A energia da glicose é fornecida pela corrente sanguínea. Moléculas de hemoglobina contendo oxigênio nos glóbulos vermelhos também são transportadas junto com o sangue como resultado da dilatação dos vasos sanguíneos. A mudança no fluxo sanguíneo está localizada dentro de 2 ou na área de atividade neural. Normalmente, o aumento na concentração de oxigênio é maior do que o oxigênio usado para queimar a glicose (atualmente não está determinado se toda a glicose é oxidada), e isso leva a uma diminuição geral da hemoglobina. Nesse caso, as propriedades magnéticas do sangue mudam, impedindo sua magnetização, o que posteriormente leva à criação de um processo induzido por ressonância magnética.

  O fluxo sanguíneo cerebral é afetado de forma desigual pelo consumo de glicose em diferentes áreas do cérebro. Resultados preliminares mostram que em algumas áreas do cérebro o fluxo sanguíneo é maior do que seria consumido. Por exemplo, em áreas como a amígdala, os gânglios da base, o tálamo e o córtex cingulado, que são recrutados para uma resposta rápida. Em áreas de natureza mais deliberativa, como os lobos parietais laterais, frontais e laterais, ao contrário, com base nas observações, conclui-se que a entrada é menor que a saída. Isso afeta muito a sensibilidade.

  A hemoglobina difere na forma como responde aos campos magnéticos, dependendo se está ligada a uma molécula de oxigênio. A molécula de hemoglobina responde melhor à ação de um campo magnético. Consequentemente, distorce o campo magnético que o rodeia, induzido pelo scanner de ressonância magnética, fazendo com que os núcleos percam a magnetização mais rapidamente ao longo da sua meia-vida. Assim, o sinal da ressonância magnética é melhor em áreas do cérebro onde o sangue é altamente oxigenado e menos onde não há oxigênio. Este efeito aumenta com o quadrado da intensidade do campo magnético. O sinal fMRI requer, portanto, um campo magnético forte (1,5 T e superior) e uma sequência de pulsos como EPI, que é sensível à meia-vida.

  A resposta fisiológica do fluxo sanguíneo determina em grande parte a sensibilidade temporal, ou seja, com que precisão podemos medir o período de atividade dos neurônios e em que momento eles estão ativos, marcando em negrito a fMRI. A principal resolução paramétrica de tempo é TP, que determina com que frequência uma determinada parte do cérebro dispara e perde sua magnetização. O TRS pode variar de muito curto (500 ms) a muito longo (3 segundos). Para fMRI em particular, a resposta hemodinâmica dura mais de 10 segundos, aumentando multiplicativamente com um pico de 4 a 6 segundos e depois caindo multiplicativamente. Mudanças no sistema de fluxo sanguíneo, sistema vascular, integração das respostas da atividade neural ao longo do tempo. Como esta resposta é uma função contínua e suave, amostragem. Mais pontos na curva de resposta podem ser obtidos por simples interpolação linear em qualquer caso. Os paradigmas experimentais podem melhorar a resolução temporal, mas reduzirão o número de pontos de dados efetivos obtidos experimentalmente.

  Resposta hemodinâmica do nível de oxigênio no sangue (BALR)

  O mecanismo pelo qual o sistema nervoso fornece feedback ao sistema vascular requer mais glicose, incluindo alguma liberada pelo glutamato como parte da ativação dos neurônios. O glutamato afeta as células de suporte próximas, os astrócitos, causando alterações na concentração de íons de cálcio. Isto, por sua vez, libera óxido nítrico no ponto de contato entre os astrócitos e os vasos sanguíneos de tamanho médio, as arteríolas. O óxido nítrico é um vasodilatador, fazendo com que as arteríolas se dilatem e atraiam mais sangue.

  O sinal de resposta de um voxel durante um período de tempo é chamado de curso de tempo. Normalmente, o sinal indesejado, denominado ruído, proveniente do scanner, atividade errática, interferência e elementos semelhantes é proporcional à magnitude do sinal desejado. Para eliminar esses ruídos, os estudos de ressonância magnética são repetidos várias vezes.

  Resolução espacial

  A resolução espacial dos estudos de fMRI é definida como a capacidade do equipamento de distinguir entre os limites do cérebro e locais próximos. É medido pelo tamanho do voxel, como na ressonância magnética. Um voxel é um paralelepípedo retangular tridimensional, cujas dimensões são determinadas pela espessura da fatia, pela área da fatia e pelas grades sobrepostas à fatia por varredura. Os estudos do cérebro inteiro usam voxels maiores, e aqueles que se especializam em regiões específicas de interesse tendem a usar voxels menores. Os tamanhos variam de 4-5 mm a 1 mm. Assim, os tamanhos dos voxels dependem diretamente da área de medição. Porém, o tempo de varredura aumenta diretamente com o número de voxels, dependendo da fatia e do número de fatias. Isto pode resultar em desconforto para o sujeito dentro do scanner e perda de magnetização do sinal. Os voxels normalmente contêm vários milhões de neurônios cada e dezenas de bilhões de sinapses.

  Resolução temporária

  A resolução temporal é o menor período de atividade neural que pode ser determinado com alta precisão usando fMRI.

  A resolução temporal depende da capacidade do cérebro de processar dados ao longo do tempo, em diferentes situações. Por exemplo, o sistema de processamento visual é definido em uma ampla faixa. O que o olho vê é registrado nos fotorreceptores da retina em milissegundos. Esses sinais chegam ao córtex visual primário através do tálamo em dezenas de milissegundos. A atividade dos neurônios associada ao ato de visão dura pouco mais de 100 ms. Reações rápidas, como fazer uma curva fechada para evitar um acidente, levam cerca de 200 ms. A reação ocorre aproximadamente na segunda metade da consciência e compreensão do ocorrido. A lembrança de tal evento pode levar vários segundos, e mudanças emocionais ou fisiológicas, como medo ou excitação, podem durar minutos ou horas. O reconhecimento de rostos e eventos pode levar dias, meses ou anos. A maioria dos experimentos de fMRI estudam processos cerebrais que duram alguns segundos, com estudos conduzidos durante várias dezenas de minutos. Uma mudança no estado psicoemocional pode alterar o comportamento e os processos cognitivos do sujeito.

  Adição linear de ativação múltipla

  Quando uma pessoa executa duas tarefas ao mesmo tempo, espera-se que a resposta do PAC aumente linearmente. Esta é a suposição fundamental de muitos estudos de fMRI. Adição linear significa dimensionar cada processo de interesse separadamente e depois somá-los. Como o escalonamento é simplesmente uma multiplicação por um número constante, isso significa que um evento que é acionado, digamos, duas vezes em respostas neurais pode ser modelado como um evento específico apresentado duas vezes simultaneamente.

  A ressonância magnética funcional do cérebro tornou-se difundida desde a década de 1990. A introdução da técnica contribuiu para a identificação de algumas formações malignas (tumores), mais difíceis de detectar por outros métodos. As características dos estudos funcionais de ressonância magnética do tecido cerebral são a avaliação de alterações no suprimento sanguíneo devido a alterações na estimulação neural da medula espinhal e do cérebro. A capacidade de obter resultados de ressonância magnética de alta qualidade se deve ao aumento do fluxo sanguíneo para a área do cérebro que está funcionando ativamente.

  Os especialistas estudaram a atividade normal do córtex cerebral e o estado dos tecidos nos tumores, o que possibilitou o diagnóstico diferencial da patologia. Diferenças no sinal de RM em condições normais e patológicas tornam a neuroimagem um método diagnóstico indispensável.

  A neuroimagem começou a ser desenvolvida em 1990, quando a ressonância magnética funcional passou a ser ativamente utilizada para o diagnóstico de formações cerebrais devido à sua alta confiabilidade e à ausência de exposição à radiação do paciente. O único inconveniente do método é a necessidade de o paciente permanecer por muito tempo na mesa de exame.

  Base morfológica da ressonância magnética funcional do cérebro

  A glicose não é um substrato importante para o funcionamento do cérebro, mas na sua ausência, o funcionamento dos canais neurais que garantem o funcionamento fisiológico do tecido cerebral é perturbado.

  A glicose entra nas células através dos vasos sanguíneos. Ao mesmo tempo, o oxigênio ligado à molécula de hemoglobina dos glóbulos vermelhos entra no cérebro. As moléculas de oxigênio participam dos processos de respiração dos tecidos. Depois que o oxigênio é consumido pelas células cerebrais, ocorre a oxidação da glicose. As reações bioquímicas durante a respiração dos tecidos contribuem para alterações na magnetização dos tecidos. O processo de ressonância magnética induzido é registrado por software, permitindo a obtenção de uma imagem tridimensional com cada detalhe cuidadosamente retratado.

  Alterações nas propriedades magnéticas do sangue ocorrem em quase todos os tumores cerebrais malignos. O fluxo sanguíneo excessivo é determinado pelo software quando comparado com valores normais. Fisiologicamente, diferentes sinais de RM são observados no córtex cingulado, no tálamo e nos gânglios da base.

  O baixo fluxo pode ser observado no lobo parietal, lateral e frontal. Alterar a microcirculação dessas áreas altera bastante a sensibilidade do sinal.

  O diagnóstico funcional de ressonância magnética depende da condição e da quantidade de hemoglobina na área que está sendo examinada. A molécula da substância pode conter oxigênio ou seus substitutos alternativos. Sob a influência de um forte campo magnético, o oxigênio oscila, o que distorce a qualidade do sinal. A magnetização do canal leva a uma rápida meia-vida do oxigênio. A exposição a um forte campo magnético aumenta a meia-vida de uma substância.

  Com base nas informações, pode-se concluir que o sinal de RM é de maior qualidade em áreas do cérebro saturadas de oxigênio. As formações cerebrais malignas têm uma rede vascular densa, por isso são claramente visualizadas nas tomografias. Para resultados de alta qualidade, a intensidade do campo magnético deve estar acima de 1,5 Tesla. A sequência de pulsos leva a um aumento na meia-vida.

  A atividade do sinal de RM registrado a partir da atividade dos neurônios é chamada de “resposta hemodinâmica”. O termo define a velocidade dos processos neurais. O valor fisiológico do parâmetro é de 1-2 segundos. Este intervalo é insuficiente para um diagnóstico de alta qualidade. Para obter boa visualização das lesões que ocupam espaço cerebral, a ressonância magnética é realizada com estimulação adicional com glicose. Após sua administração, o pico de atividade é observado após 5 segundos.

  Diagnóstico funcional de ressonância magnética para câncer cerebral

  O uso da ressonância magnética em neurorradiologia está se expandindo. Para diagnosticar tumores do cérebro e da medula espinhal, não são utilizados apenas estudos funcionais. Recentemente, os métodos modernos tornaram-se cada vez mais difundidos:

  Ponderado por perfusão;
  Difusão;
  Estudo rico em contraste (BOLD).

  O contraste BOLD após a saturação de oxigênio ajuda a diagnosticar a atividade do córtex sensorial, motor e dos focos da fala de Wernicke e Broca.

  O método baseia-se na gravação de um sinal após estimulação específica. Diagnóstico funcional da ressonância magnética quando comparado com outros métodos (PET, tomografia computadorizada de emissão, eletroencefalografia) A ressonância magnética funcional ajuda a obter uma imagem com resolução espacial.

  Para entender a essência da imagem gráfica do cérebro durante a ressonância magnética, tiramos imagens do tecido cerebral após a ressonância magnética após a leitura das imagens “brutas” (a), combinando vários tomogramas (b).

  A atividade motora do córtex cerebral após utilização do método dos coeficientes de correlação permite obter uma imagem espacial dos resultados com visualização de zonas de aumento da atividade magnética. A área de Broca na ressonância magnética funcional é determinada após o processamento de tomogramas “brutos”. A estimulação dos coeficientes de correlação ajuda a gerar um gráfico da relação de intensidade do sinal em um determinado período de tempo.

  As tomografias a seguir mostram o quadro de um paciente com ependimoma aplástico - tumor com aumento da excitabilidade na área responsável pela atividade do córtex cerebral funcional.

  O gráfico mostra as áreas ativas nas quais a neoplasia maligna está localizada. Após a obtenção dos dados tomográficos, foi realizada ressecção subtotal para excisão da área patológica.

  As imagens de ressonância magnética a seguir mostram um glioblastoma. O diagnóstico funcional permite uma visualização de alta qualidade desta formação. Esta área contém a zona responsável pela atividade dos dedos da mão direita. As imagens mostram atividade aumentada em áreas após estimulação com glicose. O diagnóstico funcional de ressonância magnética para glioblastoma, neste caso, permitiu visualizar com precisão a localização e o tamanho da formação. A localização do câncer no córtex motor levará à falha dos movimentos dos dedos da mão direita quando aparecerem células atípicas no córtex cerebral.

  Para algumas formações, a ressonância magnética funcional do cérebro mostra várias dezenas de imagens diferentes resultantes de mudanças dinâmicas no sinal de RM com distorção de até 5%. Com tanta diversidade, é difícil estabelecer a localização correta da formação patológica. Para eliminar a subjetividade da avaliação visual, é necessário o processamento de software de imagens “brutas” obtidas por meio de métodos estatísticos.

  Para obter resultados de alta qualidade no diagnóstico funcional de ressonância magnética em comparação com o análogo tradicional, é necessária a assistência do paciente. Com preparação cuidadosa, o metabolismo da glicose e do oxigênio aumenta, o que reduz o número de resultados falsos positivos e artefatos.

  O alto equipamento técnico dos scanners de ressonância magnética permite melhorar a imagem.

  O uso mais comum da ressonância magnética funcional é a visualização das principais áreas de atividade do córtex cerebral - visual, fala, motora.

  Estudo funcional de ressonância magnética do cérebro - experimentos clínicos

  A estimulação visual de áreas corticais usando ressonância magnética funcional pelo método J. Belliveau envolve estimulação visual usando contraste em bolus com gadolínio. A abordagem permite registrar a queda do sinal de eco devido à diferença de sensibilidade entre o contraste que passa pelos vasos e pelos tecidos circundantes.

  Estudos clínicos descobriram que a estimulação visual de áreas corticais na luz e no escuro é acompanhada por uma diferença na atividade de aproximadamente 30%. Esses dados foram obtidos a partir de exames em animais.

  Os experimentos foram baseados em uma técnica de determinação do sinal obtido da desoxihemoglobina, que possui habilidades paramagnéticas. Durante os primeiros 5 minutos após estimular a atividade cerebral com glicose, o processo de glicólise anaeróbica é ativado.

  A estimulação leva ao aumento da atividade de perfusão dos neurônios, uma vez que a microcirculação após a entrada da glicose é significativamente aumentada devido à diminuição da concentração de desoxihemoglobina, substância que transporta dióxido de carbono.

  As tomografias ponderadas em T2 mostram aumento na atividade do sinal - a técnica é chamada de contraste BOLD.

  Esta técnica de contraste funcional não é perfeita. Ao planejar operações neurocirúrgicas em tumores, é necessário um estudo rotineiro e funcional.

  A dificuldade da ressonância magnética funcional reside na necessidade do paciente realizar ações ativadoras. Para isso, através do interfone, a operadora transmite uma tarefa que a pessoa deve realizar com especial cuidado.

  O treinamento do paciente deve ser realizado antes do exame funcional de ressonância magnética. A paz mental e a preparação para a atividade física são necessárias com antecedência.

  O processamento estatístico dos resultados, quando realizado corretamente, permite examinar cuidadosamente os tomogramas “brutos” e criar uma imagem tridimensional com base neles. Para avaliar corretamente os valores, é necessário realizar não só uma avaliação estrutural, mas também funcional do estado do córtex cerebral. Os resultados do exame são avaliados simultaneamente por um neurocirurgião e um neurologista.

  A introdução da ressonância magnética com testes funcionais na prática médica de massa é impedida pelas seguintes restrições:

  1. Altos requisitos para o tomógrafo;
  2. Falta de desenvolvimentos padronizados em relação às tarefas;
  3. Aparecimento de resultados falsos e artefatos;
  4. A realização de movimentos involuntários por uma pessoa;
  5. Presença de objetos metálicos no corpo;
  6. A necessidade de estimuladores auditivos e visuais adicionais;
  7. Alta sensibilidade dos metais às sequências ecoplanares.

  As contra-indicações listadas limitam a divulgação do estudo, mas podem ser eliminadas desenvolvendo cuidadosamente recomendações para ressonância magnética.

  Os principais objetivos da ressonância magnética funcional:

  Análise da localização do foco patológico para prever o curso da intervenção cirúrgica de um tumor, avaliando a atividade funcional;
  Planejar craniotomia em áreas distantes das áreas de atividade cerebral principal (visual, fala, motora, sensorial);
  Selecionando um grupo de pessoas para mapeamento invasivo.

  Os estudos funcionais correlacionam-se significativamente com a estimulação direta da atividade cortical do tecido cerebral com eletrodos especiais.

  A ressonância magnética funcional é de maior interesse para os médicos russos, uma vez que o mapeamento em nosso país está apenas começando a se desenvolver. Para o planejamento das atividades operacionais, a ressonância magnética com testes funcionais é de grande interesse.

  Assim, os estudos funcionais de ressonância magnética em nosso país estão no nível dos testes práticos. O uso frequente do procedimento é observado em tumores supratentoriais, quando o exame de ressonância magnética é um complemento necessário à fase pré-operatória.

  Concluindo, destacamos aspectos modernos do desenvolvimento da tecnologia cérebro-computador. Com base nesta tecnologia, está sendo desenvolvida uma “simbiose computacional”. A combinação de eletroencefalografia e ressonância magnética permite criar uma imagem completa do funcionamento do cérebro. Ao sobrepor um estudo ao outro, obtém-se uma imagem de alta qualidade que indica a relação entre as características anatômicas e funcionais do funcionamento dos neurônios.