تصویربرداری از سیستم عصبی

تا به ‌حال به این فکر کرده‌اید که چطور می‌شود درون مغز را دید؟ آیا روشی وجود دارد تا از درون مغز اطلاعاتی دریافت کنیم؟ شاید سؤال بعدی که برایتان پیش بیاید این است که اطلاعاتی که از درون مغز به دست ما می‌رسد کجا استفاده می‌شود و چه کاربردهایی دارد؟

پاسخ در عکس از مغز و اعصاب یا همان Neuroimaging است. تصویربرداری عصبی یا اسکن مغز شامل استفاده از تکنیک‌های مختلف برای تصویربرداری مستقیم یا غیرمستقیم از ساختار، عملکرد یا فارماکولوژی (داروشناسی) مغز است. روش‌های تصویربرداری عصبی به دانشمندان علوم اعصاب اجازه می‌دهد تا درون مغز زنده را ببینند و به آن‌ها کمک می‌کند تا روابط بین مناطق خاصی از مغز و عملکرد آنها را که در تشخیص بیماری‌ها و آسیب‌های ایجاد شده در سیستم عصبی مورد بررسی قرار می‌گیرند را درک کنند.

همچنین، روش‌های تصویربرداری عصبی به تکنیک‌هایی اشاره دارد که از تعامل بین بافت مغز و اشکال مختلف انرژی (به‌عنوان مثال، تابش الکترومغناطیسی یا تابش)، به‌ جای برش فیزیکی برای دریافت اطلاعات موقعیتی در مورد ساختار و عملکرد مغز و ایجاد نقشه‌های مغزی متناظر بهره می‌برند.

انواع تصویربرداری از مغز

انواع تصویربرداری از مغز  به‌طور عمده به دو دسته طبقه‌بندی می‌شود:

1. تصویربرداری ساختاری: در تصویربرداری ساختاری، بافت‌های مغز مانند ماده سفید در مقابل ماده خاکستری، عروق خونی و استخوان براساس ویژگی‌های فیزیکی (مانند چگالی بافت یا ویژگی‌های رزونانس هسته‌ای) مشخص می‌شوند.
2. تصویربرداری عملکردی: در تصویربرداری عملکردی، فعالیت‌های فیزیولوژیکی مغز از جمله متابولیسم، جریان خون، ترکیبات شیمیایی و جذب که معمولا با شلیک عصبی همراه است، ثبت می‌شود.

همچنین تصویربرداری عملکردی دو هدف را دنبال می‌کند. در کاربردهای بالینی، هدف معمولا تمایز فعالیت‌های فیزیولوژیکی طبیعی در مغز سالم در مقابل مغز آشفته (مانند سکته مغزی و یا بیماری آلزایمر) است و در علوم اعصاب شناختی، هدف این است که متوجه شویم چگونه عملکرد مغز واسطه‌ای بین شناخت و رفتار در انسان (مانند حافظه، زبان و بینایی) محسوب می‌شود. دستیابی به این اهداف به ماهیت سیگنال اندازه‌گیری‌شده، وضوح مکانی و زمانی و محدودیت‌های عملی مانند تهاجمی بودن و هزینه هر تکنیک بستگی دارد.

انواع روش تصویربرداری از مغز

تصویربرداری از مغز یکی از روش‌های مهم برای بررسی و تشخیص بیماری‌های مغزی است. در زیر به برخی از روش‌های تصویربرداری از مغز که در پزشکی استفاده می‌شوند، اشاره می‌کنیم:

1– MRI (تصویربرداری با رزونانس مغناطیسی): این روش از میدان مغناطیسی و امواج رادیویی برای تولید تصاویر دقیق از مغز استفاده می‌کند. در این روش، تصویربرداری از انواع بافت‌های مغزی شامل بافت‌های نرم، خوشه‌های عصبی، عروق خونی و غیره انجام می‌شود.

2– CT Scan (تصویربرداری کامپیوتری): در این روش، از اشعه X برای تولید تصاویر دقیق از مغز استفاده می‌شود. با این روش، تصاویر دو بعدی و سه بعدی از مغز تولید می‌شود که به دقت بالایی اطلاعات مغزی را نشان می‌دهند.

3– PET Scan (تصویربرداری از پوزیترون): در این روش، از تزریق یک ماده شیمیایی با خاصیت‌های پوزیترونی برای تشخیص بیماری‌های مغزی استفاده می‌شود. در این روش، تصاویری از فعالیت مغز در طی انجام وظایف خاص تولید می‌شود.

4– SPECT Scan (تصویربرداری از انتشار فوتون تکترون): این روش نیز برای تشخیص بیماری‌های مغزی استفاده می‌شود. در این روش، از یک ماده شیمیایی با خاصیت تولید فوتون استفاده می‌شود که تصاویری از فعالیت مغز در طی انجام وظایف خاص تولید می‌کند.

5– MEG (مگنتوانسفالوگرافی): در این روش، میدان مغناطیسی تولید شده توسط فعالیت‌های نورونی در مغز اندازه‌گیری می‌شود. این روش به دقت بالایی اطلاعات مغزی را نشان می‌دهد و برای تشخیص بیماری‌های مغزی استفاده می‌شود.

همچنین، به‌عنوان یک روش تصویربرداری پرکاربرد و ساده‌تر، رادیوگرافی نیز می‌تواند برای تشخیص بعضی از بیماری‌های مغزی استفاده شود. با این حال، روش‌های دیگری مانند MRI و CT Scan دقت بالاتری در تشخیص بیماری‌های مغزی دارند.

اساسی‌ترین انواع Nueroimaging  عبارتند از:

• اسکن توموگرافی کامپیوتری (CT)
• تصویرسازی با تشدید مغناطیس (MRI)
• تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی (FMRI)
• T₁-Weighted MRI
• T₂-Weighted MRI
• تصویربرداری پخش وزنی (DWI)
• Fluid-Attenuated Inversion Recovery MRI (FLAIR)
• Gradient Record MRI (GRE)
• اسکن توموگرافی گسیل پوزیترون (PET)
• تصویربرداری تانسور پخش (DTI)

اسکن توموگرافی کامپیوتری (CT)

این اسکن از یک سری پرتوهای اشعه ایکس که از سر می‌گذرد، استفاده می‌کند. سپس تصاویر روی صفحه فیلم حساس توسعه داده می‌شوند. این روش تصاویر مقطعی از ساختار مغز را نشان می‌دهد، اما نمی‌تواند عملکردی از آن را به تصویر بکشاند. این روش، تستی برای انتخاب ارزیابی کردن چهار نوع خونریزی داخل جمجمه‌ای که شامل خون‌ریزی زیر سخت شامه‌ای (Subdural)، خارج سخت‌ شامه‌ای (Epidural)، داخل مغزی (Interacerebral) و زیر عنکبوتیه (Subarachnoid) که به‌طور خاص به معنای خونریزی و یا تورم مغز در طی 24 تا 48 ساعت اولیه پس از آسیب است. همچنین این روش برای تشخیص شکستگی جمجمه نیز استفاده می‌شود.

تصویرسازی با تشدید مغناطیس (MRI)

قدرتمندترین روش تصویربرداری ساختاری امروزه که تا حد زیادی جایگزین اسکن توموگرافی کامپیوتری در کاربردهای تحقیقاتی شده‌است، تصویرسازی با تشدید مغناطیس (MRI) است. MRI براساس تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMRI) فعالیت می‌کند.

خوب است بدانیم که  تمایل هسته‌های خاص به تشدید، زمانی که در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند به‌طور مستقل توسط Felix Bloch و Edward Purcell در دهه 1940 کشف شد. برای اولین‌ بار در MRI بود که یک آهنربای الکتریکی قوی، به‌طور معمول 1.5 تا 4.0 تسلا (T) برای تصویربرداری از مغز انسان جهت تولید مغناطیس هسته‌ای خالص در اتم‌های هیدروژن در بدن استفاده شد.

در این روش پالس‌های فرکانس رادیویی سپس در فرکانس تشدید اتم‌های هیدروژن اعمال می‌شوند که آنها را به حالت انرژی بالاتر (خارج از تراز) منتقل می‌کند. هنگامی که پروتون‌ها به حالت اولیه خود باز می‌گردند، انرژی آزاد می‌کنند و یک میدان مغناطیسی نوسانی ایجاد می‌کنند که می‌تواند از طریق القای الکترومغناطیسی توسط یک سیم‌ پیچ رسانا که در میدان قرار می‌گیرد، دریافت شود.

این سیگنال با استفاده از ترکیبی از گرادیان‌های میدان مغناطیسی در سطوح مختلف برای ایجاد ویژگی‌های چرخشی منحصر به فرد در سراسر مغز که می‌تواند جهت بازسازی مکان فضایی منبع سیگنال مورد استفاده قرار گیرد، به‌صورت مکانی جایگذاری می‌شود.

کنتراست در تصاویر MR از طریق تغییر زمان‌بندی پالس‌های فرکانس رادیویی و دریافت سیگنال برای استفاده از تفاوت‌های طبیعی موجود در خواص فیزیکی بافت‌های مختلف، مانند زمان لازم برای بازگشت بافت به میدان مغناطیسی پس از تحریک به دست می‌آید.

تصاویر MR معمولی، ساختار سه‌بعدی دقیق مغز را ثبت می‌کند که بین بافت‌هایی مانند ماده خاکستری و سفید، مایع مغزی نخاعی، استخوان، چربی و هوا تمایز قائل می‌شود. همچنین قادر به تشخیص بافت‌های غیرطبیعی مانند تومورها یا کیست‌ها نیز است.
دوبرا لیتل (Deborah Little) دکتر و پروفسور بخش روان‌پزشکی  و علوم رفتاری دانشگاه تگزاس می‌گوید:«برای هدف‌های تشخیصی و حتی برای مشخص کردن میزان آسیب، ما عمدتاً بر تصویربرداری تشدید مغناطیسی تکیه می‌کنیم. این روش تصویربرداری MRI که شامل معیارهای استاندارد در تشخیص وجود خون، کوفتگی، کبودی در مغز یا آسیب قابل‌توجه به آکسون‌ها است و می‌تواند منجربه ضایعاتی قابل تشخیص در مغز شود و روش مناسبی جهت مشاهده آسیب مغزی به شمار می‌رود.»

تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی (FMRI)

اگرچه MRI  از دهه 1970 مورد استفاده قرار گرفته است و کاربردهای زیادی در تصویربرداری ساختاری دارد، اما کاربرد آن برای اندازه‌گیری عملکرد مغز تا سال 1990 مشخص نبود. در واقع، تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی مجموعه‌ای از MRIها است که عملکرد مغز را از طریق ترکیبی از چندین تصویر رایانه‌ای که بافاصله کمتر از یک ثانیه از هم گرفته شده‌اند، اندازه‌گیری می‌کند.

برای این آزمایش تصویربرداری، پزشکان از بیماران می‌خواهند که در دستگاه MRI که کاری؛ مانند باز  بسته کردن دست راست و بعد از آن دست چپ را به مدت 30 انجام دهند. در مرحله بعد، پزشکان تغییر در سیگنال مرتبط با افزایش خون مربوط به این کار را مدلسازی می‌کنند. اگر فرد انجام‌دهنده راست دست باشد، مناطق درگیر در باز کردن دست راست سیگنال بیشتری را نشان می‌دهند. این روش اجازه می‌دهد تا تصاویری ایجاد شود که نشان‌دهنده این است که مغز چگونه وظایف خود را انجام می‌دهد و به‌طور بالقوه در آسیب مغزی نیز مفید واقع می‌شود، مخصوصا زمانی که ساختار مغزی طبیعی است اما مغز به روشی متفاوت عمل می‌کند.

T₁-Weighted MRI

تست تصویربرداری T₁-Weighted MRI استاندارد و بخشی از هر آزمایش MRI عمومی است. این روش به پزشکان دید بسیار واضحی از آناتومی و ساختار مغز ارائه می‌دهد. همچنین می‌تواند آسیب در جراحات مغزی را  نشان دهد، اما به‌طور کلی تنها زمانی که آسیب بسیار قابل‌توجه باشد، کمک‌کننده است.

T₂-Weighted MRI

T₂-Weighted MRI نیز بخشی استاندارد از هرMRI  است، اما برخلاف تصویربرداری T₁، این تصویربرداری اجازه تجسم آسیب شدید آکسونی مانند آنچه که پس از ضربه مغزی شدید انتظار می‌رود را می‌دهد.  این اسکن اندازه‌گیری مایعات را بهتر از اندازه‌گیری بافت‌های نرم انجام می‌دهد و برای این کار مناسب‌تر است و به همین دلیل جهت اندازه‌گیری ماده سفید و مایع مغزی – نخاعی در مغز استفاده می‌شود.

تصویربرداری پخش وزنی (DWI)

تصویربرداری بر وزن انتشار تغییراتی را در یکپارچگی بافت، توانایی بافت‌های بدن برای بازسازی و یا ترمیم جهت حفظ فرایندهای فیزیولوژیکی طبیعی را نشان می‌دهد. در نارسایی خونرسانی به مغز مانند بسیاری از سکته‌های مغزی یا زمانی که خون قادر به رسیدن به تمام قسمت‌های مغز نیست یک  واکنش شیمیایی در سلول‌ها وجود دارد.

هما‌طور که سلول‌ها به دلیل کمبود جریان خون (اکسیژن) می‌میرند، افزایشی در میزان سدیم نیز باعث تغییر و افزایش مقدار آب در بافت می‌شود. DWI نسبت به این تغییرات بسیار حساس است و در حقیقت پزشکان با استفاده از آن می‌توانند سکته مغزی یا آسیب و نارسایی در خونرسانی به مغز را در چند ثانیه پس از وقوع شناسایی کنند.

Fluid-Attenuated Inversion Recovery MRI (FLAIR)

این روش تصویربرداری به محتوای آب در بافت مغزی حساس است. از اینرو، این روش در بیمارانی که پس از آسیب‌دیدگی دچار کاهش بافت مغز می‌شوند بسیار مؤثر واقع شده‌است. با این ‌حال، معمولاً از FLAIR برای تجسم تغییرات بافتی در بیماری‌هایی مانند مولتیپل اسکلروزیس (MS) استفاده می‌شود.

Gradient Record MRI (GRE)

این روش تصویربرداری مغزی، خون یا خونریزی در بافت مغز را نشان می‌دهد که این امر در آسیب حاد مغزی بسیار مهم است. اسکن توموگرافی کامپیوتری نیز در این مرحله می‌تواند مفید باشد، اما گاهی اوقات خونریزی‌های بسیار کوچک یا به ‌اصطلاح میکروبلیدهای مغز مورد هدف قرار نگرفته و نشان داده نمی‌شود.

نکته حائز اهمیت این است که سایر انواع MRI نمی‌توانند به‌ راحتی این نوع آسیب‌ها را تشخیص دهند، بنابراین GRE به‌ویژه به پزشکانی که به وجود این آسیب‌ها در بیماران‌شان مشکوک هستند، کمک شایانی می‌کند.

اسکن توموگرافی گسیل پوزیترون (PET)

ظهور پزشکی هسته‌ای در دهه‌های 1940 و 1950 و پیشرفت‌های متعاقب آن در تولید ایزوتوپ‌های رادیواکتیو و آشکارسازهای پرتو گاما به روش‌های اسکن توموگرافی گسیل پوزیترون منجر شده‌است.

پزشکان در این روش برای تصویربرداری از جریان خون و یا فرایندهای متابولیکی در مغز انرژی تشعشعی ساطع‌شده از ایزوتوپ‌های رادیواکتیو که به‌صورت داخل وریدی تزریق می‌شوند و متعاقباً توسط سیستم گردش خون مغز توزیع می‌شوند را ارزیابی می‌کنند.

برای مثال، کاربردهای مختلف PET به پزشک اجازه می‌دهد تا آسیب‌شناسی مرتبط با بیماری آلزایمر را مشاهده کند که با هیچ روش دیگری قابل تجسم نیست. علاوه بر آن، این روش به پزشکان اجازه می‌دهد تا نحوه استفاده از اکسیژن یا گلوکز در نواحی مختلف مغز را که به روشی متفاوت مورد استفاده قرار می‌گیرد، ببینند. هر دوی این امکانات نه تنها در درک اینکه آسیب ممکن است شبیه چه چیزی باشد؛ بلکه همچنین در چگونگی تأمین انرژی مغز برای خود نیز بسیار حائز اهمیت هستند.

در تحقیقات آسیب‌های مغزی، PET برای شناسایی چگونگی تغییر فرایندهای متابولیک پس از آسیب مغزی استفاده می‌شود. به‌عنوان مثال، مغز ممکن است گلوکز کمتری را پس از آسیب مغزی جذب کند که این امر ممکن است بر نحوه پردازش اطلاعات تأثیر بگذارد. اخیراًMRI  همراه با PET برای شناسایی (با درجه بالایی از دقت فضایی) مناطق خاصی از مغز که ممکن است تغییرات متابولیک پس از آسیب را تجربه کند، استفاده شده‌است.

جرارد ریدی (Gerard Riedy) دکتر و رادیولوژیست عصبی خاطر نشان می‌کند:«اسکن‌های PET متابولیسم مغز را بررسی می‌کنند. ما رادیو گلوکز ردیاب را تزریق می‌کنیم و گلوکز در مغز استفاده می‌شود. به ‌تبع ‌آن، مناطقی از مغز که گلوکز بیشتری مصرف می‌کنند نور بیشتری از خود ساطع کرده و مناطقی از مغز که گلوکز کمتری مصرف می‌کنند به آن اندازه نور ساطع نمی‌کنند. از اینرو، می‌توانیم مناطقی از مغز را ببینیم که به‌طور بالقوه آسیب‌دیده‌اند و آنطور که باید از گلوکز استفاده نمی‌کنند.»

تصویربرداری تانسور پخش (DTI)

تصویربرداری انتشار تانسور مسیرهای ماده سفید را در بافت مغز نشان می‌دهد. این مسیرها به قسمت‌های مختلف مغز اجازه می‌دهند تا با یکدیگر در ارتباط باشند. مغز را طوری در نظر بگیرید که انگار کامپیوتر است. پزشکان با استفاده از این روش و با این مدلسازی می‌توانند کابل‌های بخش‌های متفاوت مغز را مشاهده و اندازه‌گیری کنند. همچنین این روش می‌تواند اطلاعاتی در مورد آسیب به بخش‌هایی از سیستم عصبی و اتصالات بین مناطق گوناگون مغز را ارائه دهد.

نویسنده: فاطمه کریمی

ویراستار: محدثه پورخیابی