Как работает сканирование мозга?
Существует несколько различных типов сканирования мозга, каждый из которых дает разную картину мозга. Это электроэнцефалография (ЭЭГ), функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). Это неинвазивные методы изучения мозга.
Человек - существо любопытное. Мы постоянно пытаемся расшифровать, что происходит внутри всего, что нас окружает, и внутри нас самих! Чтобы продолжить изучение, мы отправили зонды в космос для наблюдения за различными планетами, а также отправили зонды в прямую кишку. В общем, мы тянем, толкаем и разрываем предметы на части, чтобы узнать о них все, что можно.
Однако технологии зашли в тупик, когда дело дошло до поиска способов исследовать самую загадочную и непроницаемую часть нашего тела - мозг. Сотканный из миллиардов нейронов, мозг уютно расположился под слоями защитных тканей, защищенных прочным покрытием черепа.
Самое большее, что мы можем сделать для изучения этой неотъемлемой части нашего существа, — это получить ее изображение, пропуская через нее различные электромагнитные волны.
Возможно, вы знакомы с различными методами визуализации мозга, такими как ЭЭГ, фМРТ и ПЭТ-сканирование, но как они работают?
ЭЭГ: электроэнцефалограмма
Электроэнцефалография (ЭЭГ) - это неинвазивный метод мониторинга активности мозга. Он был разработан в 1929 году и до сих пор используется для выявления аномалий мозга, таких как эпилепсия и наличие мозговой активности.
Во время ЭЭГ на кожу головы помещаются маленькие диски с электродами. Клетки нашего мозга общаются между собой, посылая волны электрических сигналов в синапсы. Электроды улавливают эти небольшие электрические заряды, усиливают их и представляют в виде волнистых линий на графиках.
Мозговые волны делятся на частотные диапазоны: дельта, тета, альфа, бета и гамма. У человека, находящегося в спокойном состоянии, преобладает альфа-ритм, возникающий в затылочной части головы. Во время засыпания мозг будет демонстрировать более медленную тета-активность.
Напротив, ровная линия ЭЭГ означает необратимую кому и указывает на то, что мозг больше не жив.
Портативность и способность отслеживать активность мозга с точностью до миллисекунд дает ЭЭГ преимущество перед другими методами визуализации мозга. Хотя она может точно сказать, когда происходит активность, она не может точно сказать, где находится источник сигнала из-за плохого пространственного разрешения.
фМРТ: Функциональная магнитно-резонансная томография
Чтобы понять, откуда исходят сигналы нейронов, нам нужна функциональная магнитно-резонансная томография или фМРТ. В отличие от ЭЭГ, фМРТ не измеряет электрические импульсы, посылаемые нейронами, а регистрирует изменения, связанные с кровотоком в мозге.
Когда активность нейронов в мозге повышается, потребность в кислороде также возрастает. В ответ на это увеличивается приток крови, содержащей богатый кислородом гемоглобин, к мозгу.
ФМРТ использует разницу между магнитными свойствами оксигенированной и дезоксигенированной крови для создания карты нейронной активности мозга.
Все молекулы обладают магнитным резонансом и при движении излучают крошечные радиосигналы. Насыщенная кислородом кровь или оксигемоглобин диамагнитны (они отталкиваются от магнитного поля). Между тем, дезоксигенированная кровь или дезоксигемоглобин является парамагнитной (они слабо притягиваются магнитным полем).
Дезоксигенированная кровь вызывает большее нарушение локального магнитного поля, чем оксигенированная кровь, благодаря своей парамагнитной природе. При выполнении определенной задачи сигналы нейронов усиливаются в соответствующей области мозга, которая получает повышенное количество оксигенированной крови.
Поскольку оксигемоглобин не нарушает локальное магнитное поле, фМРТ может легко улавливать сигналы, посылаемые нейронами. Это позволяет определить активные участки мозга с точностью до 5 мм.
С помощью фМРТ можно определить, какая часть мозга участвует в различных функциях, и изучить последствия аномалий мозга, таких как инсульт или деменция.
ПЭТ-сканирование: Позитронно-эмиссионная томография
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) - это еще один неинвазивный метод визуализации мозга. Он измеряет метаболическую активность клеток в организме, включая мозг. ПЭТ-сканирование требует введения в мозг короткоживущего позитронно-излучающего радиоактивного материала, называемого радиотрассером.
Фтордезоксиглюкоза (ФДГ) является распространенным радиоактивным веществом, используемым при ПЭТ-сканировании. Этот препарат предпочтителен, поскольку организм воспринимает его аналогично естественной глюкозе, используемой мозгом для метаболизма. Например, с помощью ФДГ можно обнаружить опухоли мозга, так как раковые клетки мозга потребляют глюкозу быстрее, чем нормальные клетки.
После того как вещество попадает в периферические вены, оно теряет свою радиоактивность и высвобождает позитроны. Это положительно заряженные субатомные частицы, похожие на электроны. Когда позитрон сталкивается с электроном на большой скорости, они аннигилируют друг с другом. В результате аннигиляции субатомных частиц высвобождаются два гамма-излучения в противоположных направлениях.
Аппарат ПЭТ-сканера регистрирует эти гамма-лучи, и с помощью передовых вычислительных технологий аппарат может создать трехмерное изображение деятельности мозга.
Иногда ПЭТ-сканирование используется в сочетании с другими методами визуализации мозга, такими как КТ или фМРТ, чтобы получить более полную информацию о физиологии мозга.
Электричество - это универсальный язык мозга, и большинство методов визуализации мозга используют различные способы перехвата электрических сигналов, проходящих через мозг. Такие передовые технологии сканирования мозга не только помогают в обнаружении аномалий мозга, но и помогают нам понять, как различные части мозга взаимодействуют друг с другом и так легко выполняют повседневные задачи!