Mitä voidaan tutkia. Aivojen kuvantamisemenetelmistä. Aivojen kuvantamismenetelmät. Aivojen kuvantamismenetelmät eroavat toisistaan

Transkriptio

1 Mitä voidaan tutkia Aivojen kuvantamisemenetelmistä Synnöve Carlson Aalto-yliopisto & Helsingin yliopisto, Biolääketieteen laitos/fysiolgia Rakennetta Toimintaa ja toiminnan sijoittumista Ajallisia toimintaketjuja Aivoalueiden yhteyksiä Yksilöllisiä eroja Sairauden piirteitä Toiminta: Aistijärjestelmien toiminta, motoriikka, emotionaalinen prosessointi, aivojen muovautuvuus (plastisiteetti), toimintojen kehittyminen lapsilla, korkeammat kognitiiviset toiminnot (tarkkaavaisuus, muisti, oppiminen) Aivojen kuvantamismenetelmät eroavat toisistaan Spatiaalinen resoluutio Temporaalinen resoluutio Invasiivisuus Hinta Aivojen kuvantamismenetelmät Solurekisteröinnit (Elektroenkefalografia) Magnetoenkefalografia PET MRI, fmri, DW-MRI TMS Yksittäissolujen ja soluryhmien sähköfysiologinen rekisteröinti - Alueellisesti tarkka rekisteröinti - Ajallisesti ms-tarkkuus - Ei kerro muiden alueiden toiminnasta - Tiedon hankinta aikaa vievää

2 Otsalohkon etuosan muistisolut Mikroelektrodi voidaan viedä aivojen syviin rakenteisiin Artchakov et al. Exp. Brain Res Deep Brain Stimulation (DBS) Parkinsonin tauti (jäykkyys, vapina, akinesia (Globus pallidus, Subthalaminen tumake) Vapina (Talamuksen Ventral InterMediate tumake) Depressio (tutkimusasteella) (Subgenual cingulate cortex) Magnetoenkefalografia (MEG) Virta synnyttää ympärilleen magneettikentän, joka kohtisuorassa virran suuntaan nähden. Oikean käden peukalosääntö Magnetoenkefalografia (MEG) Aivojen heikot sähkövirrat synnyttävät magneettikenttiä, jotka voidaan rekisteröidä pään pinnalta MEG:llä MEG:llä tarkka lähdepaikannus (n. 5mm:n tarkkuus) MEG tuottaa ajallisesti tarkkaa tietoa (tarkkuus 1 ms luokkaa) Aivokudos, luut, iho eivät heikennä magneettikenttää MEG:llä nähdään pään pinnan suuntaan tangentiaalisten virtalähteiden magneettikentät (esim. uurteiden alueella oleva aktiviteetti) MEG-rekisteröinti tapahtuu suprajohtimella magneettisuojatussa huoneessa Hari ja Lounasmaa Science 1989

3 Magnetoenkefalografia Leikkausta edeltävä motorisen aivokuoren paikannus MEG laite koko pään kattavaan mittaukseen MEG soveltuu myös potilasmittauksiin fmri MEG - Vasteet oikean käden sormien naputukselle Kuvan lähde: Positroni EmissioTomografia (PET) Mittaa laskimon kautta annettavan lyhytikäisen radioaktiivisen merkkiaineen jakaumaa kudoksessa Kun metabolinen aktiviteetti aivoalueella korkea, radioaktiivisen merkkiaineen kertymä alueella korkea Radioaktiivinen merkkiaine emittoi positroneja, jotka törmäävät elektrodeihin lähettäen gammasäteilyä Säteily havaitaan PET-kameralla Tietokone muodostaa 3-ulotteisen kuvan säteilyn perusteella. PET scan Alzheimerin taudista -PET:n käyttöä rajoittaa sen invasiivinen luonne -Rajoituksia tutkimuksen toistamiselle -Käytetään esim. reseptoritutkimuksessa, aivojen toiminnan tutkimukseen, tuumoridiagnostiikassa Aivojen Magneettiresonanssi- kuvaus Magnetic Resonance Imaging (MRI) Mittaa vety-ytimien magneettikentässä emittoimaa radiotaajuista signaalia Tutkittava asetetaan voimakkaaseen magneettikenttään (1.5T, 3T) Tutkittavaan lähetetään lyhyitä radiopulsseja ja palautuvia radiosignaaleja kuunnellaan. Signaalien perusteella muodostetaan kuva tutkimuskohteesta MRI kuvien kontrasti: T1 ja T2 painotetut kuvat MRI:n avulla voidaan kerätä kuvia joiden kontrasti on eri tavoin painotettu Kontrastia voidaan muuttaa muuttamalla RF pulssien intervallia (TR aika, repetition time) tai aikaa RF pulssin ja datan keräyksen välillä (TE aika, echo time) Jos TR hyvin lyhyt, pitkittäinen magnetisaatio ehtii toipua vain vähän. Jos TR pitkä, pitkittäinen magnetisaatio ehtii toipua kokonaan. Muuntelemalla T1 ja T2 aikoja voidaan painottaa kuvan kontrastia ja valita näkyvätkö eri kudokset kuvassa kirkkaina vai tummina. T1 painotettu kuva T1 relaksaatio aika = aika, jonka kuluessa pitkittäismagnetisaatio palautuu T2 painotettu kuva T2 relaksaatio aika = aika, jonka kuluessa poikittaismagnetisaatio palautuu

4 T1 ja T2 painotteiset kuvat T1-painotteisista kuvista saa runsaasti tietoa aivojen rakenteesta. Kuvat sopivat myös vanhojen vaurioiden tunnistamiseen. T2-painotteisessa kuvassa ei näy yhtä paljon rakenteellisia yksityiskohtia kuin T1-painotteisessa kuvassa. Siinä näkyvät sekä uudet että vanhat vauriot. T2-painotteinen kuva on usein herkin kudosmuutoksen osoittaja, ja signaalimuutos voi näkyä vain siinä. Kivuton Ei haitallista säteilyä (vrt. PET) Noninvasiivinen menetelmä Antaa kuvan kohteesta useasta näkökulmasta Toiminnallinen magneettitutkimus antaa kuvan aivoalueiden funktonaalisesta merkityksestä MRI:n etuja MRI haittoja Epämiellyttävä tutkittaville, joilla klaustrofobiaa Kallis tutkimus Liikkuminen haittaa tutkimustulosta Tutkimusta ei voi suorittaa henkilöille, joilla kudoksessa esim. metalliklipsejä tai joilla pacemaker Magneetti on meluisa (melutaso > 100dB) Funktionaalinen magneettikuvantaminen (fmri) Aivojen toiminnallinen magneettikuvantaminen (fmri) Neuraalinen aktivaatio ja fmri Hapeton punasolu (DeoxyHb) on paramagneettista häiritsee magneettikenttää Hapekas punasolu on diamagneettista Belliveau ym. Science 1991 Ensimmäinen fmri-tutkimus: näköaivokuoren aktivaatio Näköärsykkeet aktivoivat näköstimulukselle näköaivokuoren Hermosoluaktivaatio => verenvirtauksen lisääntyminen, mutta suhteellisen pieneen muutokseen hapenkulutuksessa. => laskimoveren hapetusaste kasvaa(!), DeoxyHb:n suhteellinen osuus pienenee, vähemmän magneettikenttähäiriötä => signaali kasvaa

5 Blood Oxygen Leved Dependent (BOLD) - Signaali fmri:n BOLD signaalin yhteys aivojen hermosolutoimintaan Kenttäpotentiaali Monisoluaktiviteeti Bold signaali s Stimulaatio Menon RS et al. Magn Res Med, : (Logothetis et al. Nature 412, (2001) BOLD signaali heijastaa paikallisten kenttäpotentiaalien muutosta postsynaptisissa neuroneissa, alueen dendriitteihin tulevaa inputtia ja intrakortikaalista prosessointia. Toiminnallinen magneettikuvantaminen Muistin kuvantaminen fmri:llä Tutkittavalta edellytetään yhteistoimintakykyä Lasten ja sairaiden tutkiminen haasteellista Pääkela Pään pysyttävä liikkumatta Magneettilaite on meluisa ja yksinäinen paikka Tutkittava suorittaa muistitehtävää magneetissa 0-back Visuaalinen muistitehtävä (n-back tehtävä) 100 ms 3s Yksinkertainenkin muistitehtävä aktivoi usean aivoalueen muodostaman hermoverkoston 1-back back Martinkauppi ym. Cerebral Cortex 2000

6 Default Mode Network (DMN) Aivojen lepotilan aktivaatio Aivojen lepotilan aktivaatio A default mode of brain function PNAS, 2001:98: Marcus E. Raichle et al. Laaja aivoalueiden verkosto, johon kuuluvien alueiden toiminta synkronoitua Ydinalueet: Medial PFC, Post. CC/retrosplenial aivokuori, Inf. Parietaalilohko Aktiivisempi levossa kuin tarkkaavaisuutta vaativien tehtävien aikana Liittyy mm. ajatuksen/ mielen vaelteluun, muisteluun, itsepohdintaan Diffusiopainotteinen magneettikuvantaminen (DW-MRI) Aivojen valkean aineen hermoratojen tutkiminen Hermoratoja voitu tutkia aiemmin vasta kuoleman jälkeen DW-MRI mahdollistaa hermoratojen kartoittamisen noninvasiivisesti

7 DW-MRI kuvista voidaan visualisoida hermoratojen kulkua Transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS) Puna-keltainen : Vas Oik Vihreä: Antero-posterior Sininen: Superior-inferior Transkraniaalinen Magneettistimulaatio (TMS) Navigoitava TMS (N-TMS) Stimulaatiossa tuotetaan lyhytkestoinen (~100 µs), voimakas magneettikenttä (~ 2T). Magneettikenttä synnytetään magneettikelaan tuotettavan lyhytkestoisen sähkövirran avulla. Magneettikenttä indusoi sähkökentän aivoissa TMS aktivoi tai inhiboi aivokudosta kelan alapuolella Tutkittavan pää digitoidaan samaan koordinaatistoon magneettikelan kanssa Magneettikelan liike visualisoidaan suhteessa tutkittavan aivoihin Stimulaatiokohta etsitään aivojen anatomisen rakennekuvan avulla Navigaatioon perustuva TMS = TMS stimulaation kohde = TMS kelan keskipiste kallon pinnalla Stimulaatiokohta, stimulaation intenstiteetti, aiheutunut sähkökenttä ja sen voimakkuus ja suunta tallennettavissa. TMS voidaan toistaa myöhemmin samaan kohtaan. Transkraniaalinen magneettistimulaatio Yksittäispulssi TMS on oikein käytettynä turvallinen ja kivuton Korkeafrekventtinen stimulaatio (repetitive TMS, rtms) tuottaa vaikutuksia, jotka voivat jatkua stimulaation jälkeenkin: 1 Hz inhibitio 5Hz aktivaatio rtms saattaa aiheuttaa kouristuksia (frekvenssi, intensiteetti, stimulaation kesto vaikuttavat)

8 Huomioita aivokuvantamisesta fmri:llä etsitään yleensä eroja ryhmien välillä: esim. potilaat vs. terveet Kliinikon kysymys yleensä: Onko potilaalla tauti A, B vai C? Sairauden tunnistaminen fmri:llä vaikeaa Kuvantamistulokset riippuvat käytetyistä tutkimusasetelmista (tehtävistä, statistisista vertailuista) Tulevaisuuden näkymiä Multimodaalinen kuvantaminen (= usean eri kuvantamismenetelmän tulosten yhdistäminen) Aivokuvantamisesta saadun tiedon yhdistäminen muuhun tietoon (genetiikka, kliininen tutkimus, kognitiivinen suoriutuminen) Luonnolliset ärsykkeet tutkimustilanteessa Real-time fmri Elokuva synkronoi katsojien välistä aivotoimintaa Elokuvan katsominen ei synkronoi aivotoimintaa autistien välillä Elokuva (Hyvät, pahat ja rumat) synkronoi katsojien aivojen aktivaatiota Autisti-ryhmässä elokuva synkronoi aivoaktivaatiota vähemmän Hasson et al. Science 2004 Hasson et al. Autism Res 2009 Real-time fmri (rt-fmri) Aineisto analysoidaan kerättäessä ja tulos nähtävissä välittömästi Mahdollistaa: Oman aivoaktivaation tarkkailun Tietyn aivoalueen aktivaation lisäämisen tai vähentämisen harjoittelemalla Sairauteen liittyvän aivotoiminnan tunnistamisen Aivotoiminnan avulla tapahtuvan laitteiden ohjauksen Mahdollisesti kommunikoinnin halvautuneen/vegetatiivisessa tilassa olevan potilaan kanssa Potilas Vegetatiivisessa tilassa olevan potilaan aivokuvantaminen (real-time fmri) Kontrolli Kuvittele kulkevasi kotonasi Kuvittele pelaavasi tennistä Potilaan aivot aktivoituivat samalla tavalla kuin kontrollihenkilön. decharms, Nature Rev Neurosci 2008

9 Aivoalueen (Ant Cigulate Cortex) aktivaatiotason kontrollointi rt-fmri:llä kontrolloi myös kipua Aktivaation muutos Kipukokemuksen muutos decharms, PNAS 2005; Nature Neurosci. 2008