A series of articles on “Technology in Medicine” - Part 30
Tại sao tín hiệu BOLD gia tăng với hoạt động của não?
Trần
Trí Năng
|
Với hoạt động của tế bào não, lượng huyết cầu tố được oxy hóa (oxygenated hemoglobin hay oxy-Hb) được tiêu thụ nhiều hơn khi lượng huyết cầu tố khử oxy (deoxyhemoglobin hay deoxy-Hb) gia tăng. Lượng oxy còn lại vì thế sẽ bị giảm; kết quả là tín hiệu BOLD sẽ phải suy giảm. Nhưng kết quả đạt được trên thực tế thì ngược lại: tín hiệu BOLD gia tăng với hoạt động của tế bào não như người viết đã trình bày ở bài viết trước [1]. Đây có phải là sự nghịch lý hay không!? Nếu có quý bạn đọc nào nghĩ như thế, bạn không phải là người đầu tiên đâu! Nghi vấn về kết quả BOLD đã gây nhiều thắc mắc trong cộng đồng nghiên cứu về cộng hưởng từ chức năng fMRI trong nhiều năm. Chúng ta hãy cùng tìm hiểu nguyên do gây nên hiện tượng này. 1. Khám phá của Fox và Raichle Mãi cho đến nhiều năm sau khi câu hỏi về sự kiện có vẻ nghịch lý này được đặt ra, Fox và Raichle mới tìm được giải đáp với khám phá hiện tượng xác định rằng khi tế bào não bi kích hoạt, mạch máu nới rộng ra; lượng oxy hóa mới được cung cấp trở nên nhiều hơn lượng máu cần thiết [2]. Hai ông tìm được “sự kết nối không đồng bộ” giữa lưu lượng máu trong não và lượng oxy đòi hỏi. Kết quả nghiên cứu này cho thấy với sự kích hoạt của tế bào não, lưu lượng máu cục bộ ở não (regional cerebral blood flow hay CBF) gia tăng; tuy nhiên lượng oxy tiêu thụ ở não(cerebral metabolic rate of oxygen consumption hay CMRO2) không tăng theo cùng một tỉ lệ. Thêm vào đó, lượng máu giàu oxy mới được cung cấp đến vùng kích hoạt trở nên nhiều hơn so với lượng máu đòi hỏi. Sự tăng vọt của lượng máu giàu oxy có nghĩa là hàm lượng tương đối của hemoglobin khử oxy trong vùng hoạt động não sẽ giảm. Kết quả là hiệu quả làm giảm thời gian hồi giãn T2/T2* của deoxy-Hb sẽ giảm và vì thế tín hiệu BOLD trong những vùng này sẽ gia tăng (sẽ sáng hơn). 2. Lý do tổng quát về sự gia tăng của tín iệu BOLD với hoạt động não 2.1 Tính nghịch từ của oxy-Hb và và thuận từ của deoxy-Hb Có vài điểm cần ghi nhận ở đây: (i) BOLD không đo lường trực tiếp hoạt động của não và sự đo đạc chỉ có tính cách định tính; (ii) thêm vào đó là tính không đồng nhất gây nên bởi sự biến đổi tỉ số của hemoglobin khử oxy (deoxy-Hb) và hemoglobin oxy hóa (oxy-Hb) và (iii) độ tương phản BOLD sẽ được dùng để đo tính không đồng nhất này. Trong các hoạt động ở vùng cục bộ trong não, nếu tỉ số deoxy-Hb/ oxy-Hb thấp, tín hiệu BOLD (hay tín hiệu MR) sẽ gia tăng theo quy trình dưới đây [3]:
Vì tế bào thần kinh (neurons) không có nguồn năng lượng nội bộ thuộc dạng glucose và oxygen, nên sự kích hoạt đòi hỏi nhiều năng lượng để chuyển tải theo một quá trình gọi là đáp ứng huyết động lực học (hemodynamic response). Ở quá trình này, máu phân phối oxy đến tế bào thần kinh đang hoạt động ở một tỉ xuất lớn hơn so với lượng máu đến tế bào thần kinh không hoạt động. Huyết cầu tố (hemoglobin) có tính nghịch từ (diamagnetic) khi oxy hóa nhưng có tính thuận từ (paramagnetic) khi khử oxy (Bảng 1). Tính thuận từ dựa vào cấu trúc của huyết sắc tố khử oxy với 4 điện tử không ghép cặp ở mỗi trung tâm của nguyên tử sắt (Hình 1c và Hình 2). Trong khi đó, vì huyết sắc tố oxy hóa không có điện tử không ghép cặp, nên mang tính nghịch từ mặc dù rất yếu [1].
Bảng 1. Đặc tính của hemoglobin khử oxy và hemoglobin được oxy hóa. Độ cảm từ (magnetic susceptibility)) tỉ lệ với số điện tử không ghép cặp N theo dạng thức N(N+2); với N= số điện tử không ghép cặp. Thời gian hồi giản T2 và T2* tỉ lệ với bình phương của độ cảm từ (nguồn: Dr. Klioze’s lecture).. 2.2 Lý do tổng quát Máu luân lưu trong cơ thể theo một hệ thống tuần hoàn kín (closed circulating system). Máu giàu oxy chảy từ phổi ngang qua buồng bên trái của tim đến những mô chuyển hóa (metabolizing tissues) của cơ thể (đi theo hướng xa rời tim). Máu chảy từ phổi thu hút lượng oxy trong không khí thông qua chất đạm ở huyết cầu tố (hemoglobin protein) trong tế bào máu đỏ. Máu này giàu oxy, mang nhiều chất dinh dưỡng như glucose, amino acids và vitamins. Máu khử oxy chảy từ những mô chuyển hóa của cơ thể xuyên qua buồng tim bên phải đến buồng phổi (đi về hướng tim). Máu này giàu bicarbonate HCO3 và chất thải chuyển hóa (metabolic waste) như chất urê (urea). Hình 1 biểu hiện một phần của sự luân lưu này.
Hình 1. Sự chuyển lưu của máu ở trạng thái tĩnh với động mạch nhỏ (arterioles) và tĩnh mạch nhỏ (venules) vận chuyển lượng oxy trong cơ thể. Sự phân phối của hemoglobin được oxy hóa và hemoglobin khử oxy theo thứ tự nằm ở phía bên trái và bên phải trong hình (Google Images). Hìình 1(a): Động mạch (artery) và tĩnh mạch (vein) đều là những mạch máu (blood vessel) vận chuyển oxy trong cơ thể. Về cấu trúc, tĩnh mạch gồm có bức tường có màn cơ bắp mỏng và đàn hồi. Trong khi đó động mạch có một lớp cơ bắp dày và đàn hồi. Giữ động mạch dày là điều quan trọng trong việc xử lý áp xuất cao của máu cung cấp từ tim (120/80 mm Hg). Tĩnh mach mang máu thiếu oxy (khử oxy) đến tim trong khi đó động mạch vận chuyển máu giàu oxy ra khỏi buồng tim. Tĩnh mạch không cần phải dày vì chỉ hoạt động với máu ở áp xuất thấp (5 mmHg). Sự khác nhau chính giữa động mạch và tĩnh mạch nằm ở sự kiện là tĩnh mạch liên quan đến việc loại bỏ chất phế thải từ môi trường ngoài tế bào; trong khi đó sự hoạt động của động mạch liên quan đến việc cung cấp dinh dưỡng và oxy đến tế bào trong cơ thể. Trong hình này, venule là mạch máu (vein) rất nhỏ, đặc biệt dùng để thu thập máu từ mao quản (capillaries) . Tương tự như vậy, động mạch nhỏ (arteriole) là nhánh nhỏ của động mạch (artery) dẫn vào mao quản. Mao quản là những mạch máu (vessels) nhỏ có tường mỏng nối động mạch nhỏ (arterioles) với venules (tĩnh mạch nhỏ). Qua mao quản, chất dinh dưỡng và chất phế thải có thể hoán đổi giữa máu và mô cơ thể (body tissues) Hình 1(b) và Hình 2(a) : triển khai cấu trúc ở Hình 1(a): Phần có màu đỏ (phía bên trái trong hình) dành để cung cấp oxy (oxy Hb), trong khi đó phần màu xanh nằm phía bên phải của hình biểu hiện sự hoạt động của hemoglobin khử oxy (deoxy-Hb). Ở trạng thái tĩnh, neurons để vùng màu xanh ở trạng thái tĩnh-không can thiệp Astrocyte là một tế bào lớn, hình sao dùng để giữ tế bào thần kinh (nerve cells) ở vị trí quy định và giúp những tế bào này phát triển và hoạt động theo khả năng định sẵn. Những tế bào nơ rôn nhằm hổ trợ sự kích thích chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitter) chung quanh neurons được gọi là astrocytes. Những tế bào này nhằm cung cấp chất dinh dưỡng và nới rộng mạch máu (vessel). Nhiều oxy và chất dinh dưỡng được chuyển tải đến những tế bào thần kinh đang hoạt động– vùng màu đỏ sẽ giãn nở rộng lớn hơn. Ngay sau khi bị kích hoạt, sẽ có nhiều lượng oxy thu hút từ mao quản (capillaries), để lại một số lớn deoxy-Hb. Và chúng ta sẽ nghĩ là sẽ có một số lượng lớn đáng kể deoxy-Hb, đưa đến sự giảm thiểu tín hiệu BOLD? Thế tại sao tín hiệu BOLD lại gia tăng với hoạt động của não? Não không tồn trữ năng lượng; vì vậy tùy thuộc hoàn toàn vào sự cung cấp năng lượng từ lượng máu cục bộ. Hầu hết những mô chuyển hóa đang hoạt động (metabolically active tissues) trong cơ thể sở hữu dưới một số dạng thức như nguồn dự trữ oxy cục bộ và năng lương có thể được dùng đến trong giai đoạn có nhu cầu cao. Tín hiệu BOLD sẽ cao hơn tùy thuộc vào sự gia tăng hàm lượng huyết cầu tố được oxy hóa và vì sự cải thiện về độ cảm biến từ (susceptibility artifacts) do độ cảm ứng từ của máu lúc này ăn khóp hơn với độ cảm ứng từ của mô. Trở về trường hợp của lưu lượng máu. Khi sự suy giảm của lưu lượng máu cục bộ ở não (CBF) vượt quá sự thay đỗi trong lượng oxy tiêu thụ, cường độ của tín hiệu BOLD sẽ giảm. Tình trạng ngược lại sẽ đưa đến sự gia tăng tín hiệu BOLD. Những sự biến đổi này có thể dương (positive) hay âm (negative) tùy thuộc vào sự thay đổi tương đối ở lưu lượng máu trong não (CBF) và tỉ suất chuyển hóa của lượng oxy tiêu thụ (CMRO2). Mạch máu giãn nở rộng hơn, lưu lượng máu ở não CBF gia tăng nhiều hơn. Với lượng oxy cung cấp nhiều hơn lượng oxy cần thiết, sự kiện này sẽ đưa đến sự gia tăng oxy như được biểu hiện ở phần bên phải- màu xanh giờ trở thành màu đỏ ở Hình 2(c). Điều sẽ xảy ra khi sự gia tăng ở CBF vượt quá lượng tiêu thụ oxy. Kết quả là tín hiệu BOLD tăng lên (sáng hơn) do sự gia tăng lượng hemoglobin được oxy hóa như có thể thấy ở Hình 2(b). Bắng cách thu thập dữ liệu trong MRI scanner với sự thay đổi tuần tự của độ cảm từ, chúng ta có thể đánh giá sự thay đổi của tín hiệu BOLD. Mặc dù sự khác biệt này rất nhỏ để có thể ghi nhận, nhưng cứ lập lại thí nghiệm nhiều lần và với phương pháp thống kê hữu hiệu, chúng ta có thể xác định vùng hoạt động trong não bộ một cách đáng tin cậy hơn. |
