A series of articles on “Technology in Medicine” - Part 28

 

Hiệu Ứng BOLD

 

Trần Trí Năng
 

 

Cộng hưởng từ chức năng (fMRI) sử dụng tín hiệu đặc biệt đạt được bởi độ tương phản gây nên do sự phụ thuộc vào nồng độ oxy trong máu (Blood Oxygenation Level Dependent) hay thường được gọi tắt là BOLD. Máu chảy qua năo mang oxy trong các phân tử gọi là huyết sắc tố (hemoglobin). Phân tử huyết sắc tố có chứa sắt và do đó có tín hiệu từ. Khi được oxy gắn vào, các phân tử huyết sắc tố này có từ tính ​​khác với lượng từ tính  khi chúng không mang oxy; và sự khác biệt nhỏ này có thể được phát hiện với máy chụp cộng hưởng từ MRI. Khi một vùng năo hoạt động nhiều hơn, ban đầu vùng này sử dụng rất nhiều oxy trong máu. Ngay sau đó, năo làm giăn mạch máu cục bộ để phục hồi nguồn oxy bị thiếu. Bộ năo có thể làm công việc này quá tốt thậm chí đến nỗi máu mang oxy đi vào khu vực khảo sát nhiều hơn so với lượng máu đ̣i hỏi lúc ban đầu.

Cộng hưởng từ chức năng fMRI dựa vào hiệu ứng BOLD giúp các nhà nghiên cứu và cán bộ y tế ghi nhận và khảo sát hoạt động của năo bộ một cách an toàn và không xâm lấn (non-invasive). Điều này rất cần thiết trong công tác  nghiên cứu ở những  phàm trù phức tạp liên quan đến năo, đặc biệt là nhận thức (cognition) và ư thức (consciousness).   

1. Khái niệm về hiệu ứng BOLD

HIệu ứng BOLD có thể tóm lược dựa vào những đặc tính sau: 

Oxy được chuyển tải đến tế bào thần kinh (neurons) bởi huyết sắc tố (hemoglobin hay c̣n gọi là huyết cầu tố haemoglobin ) trong tế bào hồng cầu mao mạch (capillary red blood cells).

Gia tăng của  hoạt động thần kinh sẽ gia tăng nhu cầu lượng oxy cung cấp; và kết quả của sự đáp ứng cục bộ này đưa đến sự gia tăng lưu lượng máu chuyển tải đến những vùng nơi hoạt động thần kinh gia tăng (H́nh 1).   

Huyết sắc tố có tính nghịch từ (diamagnetic) khi được oxy hóa và có tính thuận từ (paramagnetic) khi khử oxy.

Sự khác nhau về tính chất từ này đưa đến một một sự khác nhau nhỏ về tín hiệu MR liên quan đến lưu lương máu; và sự khác nhau này tùy thuộc vào độ oxy hóa (degree of oxygenation). V́ sự oxy hóa của máu biến đổi tùy thuộc vào mức độ hoạt động thần kinh, sự khác nhau về tính từ này có thể được sử dụng để phát hiện những hoạt động của năo. Hiện tượng này được biết với cái tên  Blood Oxygenation Level Dependent hay BOLD và là nguyên lư hoạt động cơ bản của cộng hưởng từ chức năng fMRI [2].  

 

The BOLD effect [Image: FMRIB]Copyrighted  image Icon

H́nh 1. Sơ đồ biểu hiện sự vận chuyển của oxygen trong máu ở vùng năo trong trạng thái nằm yên và vùng năo hoạt động, tạo nên hiệu ứng BOLD [1]. 

H́nh ảnh tương phản (image contrast) của BOLD được quyết định bởi nồng độ cục bộ tương đối trong năo của huyết sắc tố khử oxy (deoxyhemoglobin hay deoxy-Hb) và huyết sắc tố được oxy hóa (oxy-hemoglobin hay oxy-Hb) gây ra bởi hoạt động của năo.  Thời gian hồi giăn khu vực (regional) T2 và T2* của năo giảm theo độ gia tăng của huyết sắc tố khử oxy. Hiệu quả quyết định sự ảnh hưởng trên tín hiệu MR tùy thuộc vào sức mạnh trường (field strength), tŕnh tự xung spin (spin of echo hay SE) và thời vang (time of echo hay TE). Nói một cách nôm na, với bất cứ kỹ thuật nào sử dụng, vùng năo bộ nhiều huyết sắc tố oxy-hóa sẽ có nhiều tín hiệu (v́ thế sáng hơn) là vùng năo bộ có huyết sắc tố khử oxy. Nên ghi nhận ở đây là độ tương phản BOLD có tính cách định tính và không là thước đo trực tiếp hoạt động của tế bào năo; BOLD chỉ đo tính không đồng nhất gây nên bởi sự thay đổi lượng oxy trong máu mà thôi!  

2. Huyết sắc tố khử oxy và huyết sắc tố được oxy hóa

Có 4 điện tử không ghép cặp (unpaired electrons) trong nguyên tố sắt ở tầng năng lượng 3d  

 

 

oxy and deoxy hemoglobin

H́nh 2. Huyết sắc tố được oxy hóa (oxy-hemoglobin hay oxy-Hb và huyết sắc tố khử oxy (deoxyhemoglobin hay deoxy-Hb) của nguyên tố sắt [3]. 

Huyết sắc tố khử oxy có tính thuận từ (paramagnetic) mạnh dựa vào cấu trúc với 4 điện tử không ghép cặp ở mỗi trung tâm của nguyên tử sắt (H́nh 2). Trong khi đó, huyết sắc tố oxy hóa không có điện tử không ghép cặp; v́ thế có tính nghịch từ (diamagnetic), mặc dù rất yếu. Khi oxygen được phóng thích để tạo huyết sắc tố khử oxy, 4 điện tử không ghép cặp hiện điện  ở mỗi hạt nhân của nguyên tố sắt, làm cho phân tử sắt trở nên thuận từ,  Hiệu ứng BOLD  liên hệ trực tiếp đến nồng độ của  huyết sắc tố khử oxy; thường biến đổi từ dưới 5% (với  95% oxy-Hb) trong máu động mạch (arterial blood) đến lớn hơn 30%  (với 70% oxy-Hb) trong máu tĩnh mạch (venous blood).  

Picture

H́nh 3. Huyết sắc tố khử oxy với tính thuận từ (D trong h́nh) bị hạn chế trong không gian của vùng tế bào máu đỏ (ṿng tṛn màu đỏ), gây nên sự nhiễu loạn của từ trường cục bộ. Như được biểu hiện trong h́nh, những  đường từ thông bị uốn cong về hướng chung quanh mạch máu (blood vessel)[4]. 

Sự hiện diện của huyết sắc tố khử oxy có tính thuận từ trong tế bào máu đỏ tạo nên sự biến dạng của từ trường cục bộ và độ cảm từ gra- điên (susceptibility gradients)  ở trong và chung quanh mạch máu (H́nh 3).  Sự nhiễu loạn (disturbances) khu vực này làm cho những spins không chuyển động hay di động chậm có một tần số cộng hưởng và độ lệch pha (phase shifts) khác.   

3.  Giới hạn của BOLD

Cộng hưởng từ chức năng có thể cung cấp thông tin liên quan đến những khu vực năo đang nói chuyện với nhau. Nếu một vùng năo thường sáng lên cùng lúc với một vùng khác, hai vùng này của năo có thể được kết nối.  

Các nghiên cứu cộng hưởng từ chức năng không thực sự nh́n trực tiếp vào hoạt động của tế bào thần kinh, nhưng chỉ theo dơi mức độ oxy trong máu thay đổi như thế nào và tương quan với hoạt động này để khảo sát sự kích hoạt  thần kinh. Các nghiên cứu đă xác nhận rằng trong hầu hết các trường hợp, giả định này thường là đúng.  

3.1. Giới hạn thứ nhất

BOLD không ghi nhận trực tiếp tín hiệu của các hoạt động năo; nhưng chỉ ghi nhận và đo lường gián tiếp sự thay đổi của lượng oxygen trong máu. Độ oxy hóa thay đổi trong vài giây. Tốc độ biến đổi này rất chậm so với tốc độ biến đổi của hoạt động năo- nằm trong khoảng vài milliseconds (một phần ngàn của một giây). V́ vậy, BOLD không thể phát hiện và ghi nhận trực tiếp những biến đổi nhanh của hoạt động năo. Thế nên có sự quan tâm và thảo luận trong cộng đồng khoa học về tốc độ lấy h́nh này liệu có thích hợp để có thể đạt được những thông tin chính xác và có ư nghĩa hay không! 

3.2 Giới hạn thứ hai

Độ phân giải.  Kỹ thuật hiện tại cho phép chúng ta đo lường tín hiệu BOLD ở trong ṿng millimeter. Nhưng có hàng chục ngàn hay thậm chí hàng triệu tế bào năo trong khoảng không gian nhỏ này. Thế nên BOLD chí có thể đo hoạt động tập thể (collective activity) của một số lượng lớn tế bào thần kinh (neurons). 

3.3 Giới hạn thứ ba

Và sau cùng quá tŕnh  hoạt động năo gây ra sự gia tăng lưu lượng máu rất phức tạp, liên hệ đến nhiều loại tế bào năo. Thế có nghĩa là tín hiệu BOLD có thể khác nhau, tùy thuộc vào vùng năo và t́nh trạng bệnh lư.  

4.  Lợi thế của BOLD

So với cộng hưởng từ chức năng fMRI dựa vào hiệu ứng BOLD, những kỹ thuật khảo sát năo bộ khác đối diện với những vần đề như:

(i) EEG/MEG:  có độ phân giải không gian (spatial localization)  thấp, và dùng nhiều điện cực;

(ii) PET: có tính xâm lấn và dùng chất tương phản có thể gây độc hại. 

Thêm vào đó, fMRI c̣ những ưu điểm như:

(iii) tính không xâm lấn;

(iv) độ phân giải không gian cao;

(v) thể biểu hiện toàn bộ vùng năo đang hoạt động;

(vi) tăng giá trị xử dụng [5]. 

4. Kết từ

Khái niệm cộng hưởng từ chức năng fMRI được thành lập dựa trên công nghệ MRI và các đặc tính của máu giàu oxy và máu khử oxy (hiệu ứng BOLD). Như đă tŕnh bày ở những bài viết trước [6], chụp MRI năo sử dụng một từ trường rất mạnh để sắp xếp các hạt nhân trong vùng năo cần nghiên cứu (tương đương với khoảng 10 ngàn đến 30 ngàn từ trường của trái đất tùy theo từ trường máy ở 0.5 Tesla hay 3 Tesla). Một từ trường khác- trường građiên (field gradient), sau đó được áp đặt để định vị các hạt nhân khác nhau trong không gian. Cuối cùng, một xung tần số vô tuyến (RF) được phát ra để đẩy các hạt nhân lên mức từ hóa cao hơn, với độ hiệu ứng tùy thuộc vào vị trí của chúng. Khi trường RF bị gỡ đi, các hạt nhân trở lại trạng thái ban đầu, và năng lượng phát ra được đo và ảnh hóa. V́ vậy, MRI có thể cung cấp một cái nh́n rơ nét về cấu trúc tĩnh của năo. Cộng hưởng từ chức năng fMRI dựa vào những ưu điểm về ảnh hóa của MRI với  mục đích nhằm nắm bắt những thay đổi chức năng trong năo do hoạt động của tế bào thần kinh gây ra. Sự khác biệt về tính chất từ ​​tính giữa máu động mạch (giàu oxy) và tĩnh mạch (nghèo oxy)  do hiện tượng BOLD là nhịp cầu tạo ra liên kết này. 

Với cộng hưởng từ chức năng fMRI, những nhà nghiên cứu và cán bộ y tế không thực sự nh́n trực tiếp vào hoạt động của tế bào thần kinh, nhưng chỉ xem xét mức độ oxy trong máu thay đổi như thế nào và từ đó suy đoán và tầm soát sự tương quan của những  hoạt động này với việc kích thích các tế bào thần kinh. Kết quả nghiên cứu đă xác định trong hầu hết các trường hợp,  giả định này thường là đúng; mặc dù có những căn bệnh như dị dạng mạch máu, khối u và thậm chí lăo hóa b́nh thường có thể thay đổi phần nào mối quan hệ giữa hoạt động thần kinh và lưu lượng máu cục bộ dẫn đến tín hiệu BOLD.  

5. Tài liệu tham khảo

[1]Stuart Clare, FMRIB 

[2] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2027-11042022-FMRI.htm 

[3] https://radiologykey.com/blood-oxygen-level-dependent-bold-imaging-applications/

[4] https://mriquestions.com/why-does-bold-uarr-signal.html

[5] Christoph Korn & Andrea Dantas

[6]http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-     %20Part%2012-09012021.htm 

 

December 5, 2022