Neurovaizdavimo metodai – tai medicinoje, neuromoksle ir psichologijoje naudojamos technologijos skirtos įvairiais būdais pamatuoti ir pavaizduoti smegenų struktūrą, jos savybes ir funkcijas. Šiame straipsnyje bus aprašyos: elektroencefalograma (EEG), kompiuterinė tomografija (CT), magnetinis rezonansas (MRI), difuzinis tenzorių vaizdavimas (DTI), funkcinis magnetinis rezonansas (fMRI), magnetoencefalograma (MEG), pozitronų emisijos tomografija (PET) , vieno fotono emisijos kompiuterinė tomografija (SPECT) ir difuzinė optinė tomografija (DOT).

Šiuos vaizdavimo metodus pabandyta išdėlioti penkiose dimensijose: 1) kuriančius struktūros ar funkcijos vaizdus; 2) reliatyviai detalius ar nedetalius vaizdus (erdvinė rezoliucija); 3) prodančius smegenų veiklą laike arba ne (laikinė rezoliucija); 4) invazinius arba ne (pavojingus arba ne) 5) Išbandytus su žmogumi anksčiau ar vėliau (informacija gali priklausyti nuo šaltinių). Vis dėlto, nurodyti aiškias metodikų vietas šiose dimensijose sunku, nes labai svarbūs patys principai, kuriais paremtos technologijos, ir nuolatinis jų tobulėjimas. Be to šios metodikos neretai naudojamos apjungtai (kelios vienu metu).

Elektroencefalograma (EEG) – tai testas matuojantis smegenų elektrinį aktyvumą. Smegenų ląstelės (neuronai) tarpusavyje bendrauja kurdamos mažyčius elektros impulsus. Šis aktyvumas turi tam tikrus dažnius, kurie laikomi normaliais skirtingų sąmonės būsenų metu. Pavyzdžiui, dažniai yra didesni, kai esamę budrūs, nei kai miegame. EEG procedūroje nuo 16 iki 25 plokščių diskelių tiriamajam lipnia pasta užklijuojama ant galvos, o diskeliai būna sujungti su srovės stiprintuvu ir įrašančia mašina. Ši procedūra yra visiškai saugi, tiriamasis nieko nejaučia, išskyrus prilipusius elektrodus. Įrašanti mašina verčia elektrinius impulsus kompiuteryje matomais rodmenimis. Elektrinis aktyvumas paprastai vaizduojamas banguojančiomis linijomis. (1) funkcija 2) 30 detektorių (maža rezoliucija), 3) 100 ir daugiau Hz(aukšta rezoliucija), 4) neinvazinis, 5) 1920 m.)

elektroencefalograma

1 pav. Vaiko, kuriam prasideda epilepsijos priepuolis, elektroencefalograma.

Kompiuterinė tomografija (CT) – tai rentgeno spindulių savybėmis pagrįstas smegenų vaizdavimo metodas, sukuriantis smegenų skerspjūvių nuotraukas. Rentgeno spinduliai, kaip ir mūsų matoma šviesa, yra elektromagnetinė spinduliuotė, tačiau jų dažnis yra mažesnis, mažesnis net negu ultravioletinių spindulių. Atliekant tomografiją svarbesnės yra elktromagnetinės spinduliuotės kaip dalelių savybės, nes gaunamas vaizdas priklauso nuo to, kiek šviesos dalelių sugeria medžiaga, pro kurią praeina spinduliai. Minkšta medžiaga sugeria mažiau dalelių nei kieta. Tomografinis vaizdas yra sulipdomas iš daug projekcijų ar nuotraukų, tačiau šios nuotraukos padaromos ne iš atsispindėjusios spinduliuotės, o rentgeno spinduliams perėjus per kūną ir susiprojektavus į kitoje pusėje esantį įrenginį. Kompiuterinė tomografija nuo tomografijos skiraisi tuo, kad pirmoji pasitelkiant tomografinės rekonstrukcijos algoritmus suformuoja tikslesnius, ryškesnius vaizdus. Kai esate rentgeno aparate, jis pradeda suktis aplink jus, smulkūs aparate esantys detektoriai matuoja rentgeno spindulių kiekį, kuris praeina pro stebimą kūno dalį. Kompiuteriu surinkta informavija panaudojama kuriant atskirų pjūvių vaizdus, kurie gali būti apžiūrimi kompiuteryje ar atspausdinami kaip nuotrauka.Gali būti sukurtas net trimatis vaizdas iš atskirų pjūvių. Kompiuterinė tomografija, jei atliekama dažnai, yra pavojinga, nes procedūros metu sukuriama, nors ir nedaug, bet jonizuotos radiacijos. (1) struktūra, 2) milimetrų lygyje, kontrastas geresnis kietoms medžiagoms (aukšta rezoliucija, vidutinis kontrastas) 3) maža – vaizduojama struktūra 4) radioaktyvi spinduliuotė 5) 1971 m.)

kompiuterine tomografija

2 pav. Žmogaus smegenų kompiuterinė tomografija.

Magnetinis rezonansas (MRI) – tai smegenų struktūros skerspjūvio vaizdavimo būdas, pasitelkiant magneto ir radio bangų savybes. Magnetinio rezonanso aparate yra didelis magnetas, kuris sukuria dešim tūkstančių kartų stipresnį magnetinį lauką negu žemė. Dėl magnetinio lauko, kūne esantys vandenilio atomai išsirikiuoja vienu būdu (taip kaip magnetą pridėjus prie kompaso). Radijo bangų laukais keičiamas šis išsirikiavimas taip, kad vandenilio atomai sukurtų aptinkamą besisukantį magnetinį lauką. Manipuliuojant tiek magnetiniu lauku, tiek radijo bangomis sukuriami skirtumai smegenų struktūrų skleidžiamo magnetinio lauko dažniuose ir stipryje. Visą tiriamą kūno vietą (galvą) apimančiame magnetinio rezonanso aparate gulintis tiriamasis gali patirti klaustrofobijos priepuolį, taip pat procedūra gali būti pavojinga, jei tiriamasis pamirš pašalinti visą metalą nuo savo kūno, tačiau pats magnetinis laukas nesukelia šalutinių poveikių. ( 1) struktūra 2) milimetrų lygyje, kontrastas geresnis minkštiems audiniams, smegenims (aukšta, labai geri kontrastai) 3)maža – vaizduojama struktūra 4) neinvazinis 5) 1977 m.)

Meg

3 pav. Magnetiniu rezonansu gauti galvos smegenų skerspjūviai.

Difuzinis tenzorių vaizdavimas (DTI) – tai metodas, kuriuo tiriama mikroskopinė aksonų traktų struktūra, sudarandi baltąją smegenų medžiagą. Difuzinis tensorių vaizdavimas atliekamas magnetinio rezonanso aparatu, tačiau matauojamas vandens tankis ir judėjimas, o ne vandenilio atomų tankis(MRI) ar hemoglobino kiekis (fMRI). Dėl žinių apie vandens difuzijos savybes galima pamatuoti vandens judėjimo smegenyse ribas. Aksone tikimybė vandeniui judėti išilgai aksonu yra didesnė nei tikimybė judėti kitomis kryptimis. Procedūros metu panaudojami du magnetiniai pulsai: pirmasis nustato vandenyje esančių protonų vietą, o antrasis, paleistas po uždelsimo, nustato, kiek tie protonai pajudėjo. ( 1) Struktūra 2) MRI lygio 3) maža – struktūrai 4) neinvazinis 5) 1992 m.)

Difuzinis tenzorių vaizdavimas

4 pav. Nervinės jungtys vaizduojamos difuziniu tensorių metodu.

Funkcinis magnetinis rezonansas (fMRI) – tai specializuotas magnetinis rezonansas. Juo matuojami kraujo apytakos pokyčiai, susiję su nervine centrinės nervų sistemos veikla. Kai neuronai yra aktyvūs, jie naudoja daugiau deguonies, taigi po kelių sekundžių (1-5 s.) kraujas susitelkia aktyviame regione. Be to pakinta oksihemoglobino ir deoxihemoglobino koncentracija, kurie turi skirtingus magnetinius laukus. Nors maži galvos judesiai funkcinio magnetinio rezonanso aparate yra ištaisomi kompiuteriu analizuojant duomenis, dideli judesiai pakeičia rezultatus. (1) funkcija 2) MRI lygio 3) 4-5sekundės – priklauso nuo metabolizmo 5)1992 m.)

Funkcinis magnetinis rezonansas

5 pav. Funkciniu magnetiniu rezonansu gautas smegenų skerspjūvis ir aktyvacijos zonos.

Magnetoencefalograma (MEG) – tai smegenų aktyvumo sukeltų magnetinių laukų vaizdavimo metodas. Šis aktyvumas matuojamas labai jautriais magnetinį lauką fiksuojančiais prietaisais (superconducting quantum inference devices, SQUID‘s), paremtais superlaidžiomis kilpomis. Magnetoencefalogramą kuriantis prietaisas – tai šalmas, kuris tiriamajam uždedamas ant galvos, jame būna iki 300 jutiklių, matuojančių pasikartojančius nervinius ritmus. Šie ritmai atsiranda dėl atskirų neuronų savybių ar per grįžtamają informaciją neuronų populiacijose, pastaruoju būdu susidaro didelių neuronų grupių virpesiai, kurie kuria aparatu pamatuojamus magnetinius laukus. Smegenų vaizdavimo problema susidaro analizuojant rezultatus, mat labai sudėtinga nustatyti iš kur ateina signalas. Šis metodas nuo elektroencefalogramos skiriasi tuo, kad matuojamas ne tarpląstelinis elektrinis laukas, o ląstelės viduje susidarantis magnetinis laukas, kuris lėčiau silpsta, tad metodas yra tikslesnis. ( 1) funkcija 2) 300 taškų 3) kaip EEG 4)neinvazinis 5) 1968m.)

Magnetoencefalograma

6 pav. Magnetoencefalograma suformuotas smegenų vaizdas ir sensorių lokalizacija

Pozitronų emisijos tomografija (PET) – tai metodas, kuriuo kuriami smegenyse vykstančių procesų vaizdai. Procedūros metu naudojamos radioaktyvios medžiagos vadinamos žymenimis (tracer). Fiksuojamos gama spindulių poros, kurias skleidžia elektronai besijungiantys su žymens skleidžiamais pozitronais (elektrono antipodas). Žymuo  – radioaktyvus, dažniausiai, gliukozės analogas, tačiau naudojama daugybė kitų žymenų, kuriais pažymimos, metaboliniame procese dalyvaujančioms medžiagoms. Medžiagos keliauja kraujotakos sistemoje, kol susikoncentruoja tam tikroje smegenų dalyje. Besijungiančios dalelės išskleidžia du fotonus vienu metu į priešingas puses, todėl galima gana tiksliai apskaičiuoti jų lokalizaciją. Paprastai informacija pateikiama tiek dviejų, tiek trijų dimensijų vaizdu. Procedūros pavojingumą galima sulyginti su kompiuterinės tomografijos sukeliamu pavojumi.(1) funkcija 2) milimetrų lygyje, bet prasčiau nei MRI 3) sekundės, kaip fMRI 4) radijacija 5) 1976 m.)

pozitronu emisijos tomograma

7 pav. Pozitronų emisijos tomografija suformuotas dvimatis vaizdas.

Vieno fotono emisijos kompiuterinė tomografija (SPECT) – tai smegenų metabolizmo vaizdavimo metodas, kuriam naudojami gama spinduliai ir juos fiksuojantis apartas. Tiek pozitronų emisijos tomografija, tiek vieno fotono kompiuterinė tomografija panaudoja radioaktyvius žymenis, kurie suleidžiami į kraujotakos sistemą, o po tam tikro laiko atliekama procedūra tomografiniu prietaisu. Vis dėlto vieno fotono kompiuterinė tomografija skiriasi tuo, kad žymuo pasilieka kraujotakos sistemoje, gama radiacija matuojama tiesiogiai. Šis metodas yra pigesnis už PET. Juo daromi dvimačiai smegenų skerspjūviai, kaip ir kitų metodikų, gali būti verčiami trimačiu vaizdu. (1) funkcija 2) apie 1cm 3) 15-20 sekundžių 4)radiacija 5) 1983 )

Vieno fotono emisijos kompiuterinė tomografija

8 pav. Vieno fotono emisijos kompiuterinė tomografija suformuotas trimatis smegenų vaizdas.

Difuzinė optinė tomografija (DOT) – tai smegenų metabolinės veiklos optinis vaizdavimo metodas. Artimas infraraudoniems spinduliams lazeris nukreipiamas į galvą, o aplink jį esantys detektoriai fiksuoja grįžtančius spindulius. Kompiuteriu apskaičiuojamas sugeriamos šviesos kiekis ir pasklidimas, taigi nustatoma cheminių medžiagų koncentracija. DOT matuoja deoksihemoglobino kiekį – taip parodoma, kaip ir fMRI vaizdavimo metodu, kur ir kaip vyksta smegenų aktyvacija tam tikros užduoties metu. Toks pat metodas naudojamas kitiems metaboliniams procesams matuoti (pvz.: EROS), taip pat smegenų struktūrai (NIRS). (1) funkcija 2) kaip prasčiausiais fMRI aparatais ir tik 3 centimetrai gylio po žmogaus kaukole, dėl šviesos savybių 3) kaip fMRI 4) neinvazinis 5) 1996 (nepatikima))

Difuzine optine tomografija9 pav. Difuzine optine tomografija matomos aktyvacijos zonos

Daugiau informacijos apie konkrečius neurovaizdavimo metodus:

EEG, CT, MRI, DTI, fMRI, MEG, PET, SPECTDOT.