A series of articles on Technology in Medicine - Part 31

 

 Kết quả thực nghiệm về sự gia tăng

của tn hiệu BOLD với hoạt động no

 

Trần Tr Năng
 

 

Trong bi viết trước, người viết đ trnh by một số l do tổng qut tạo nn sự gia tăng của tn hiệu BOLD với hoạt động của no [1].   

No khng tồn  trữ năng lượng; v vậy hoạt động của no ty thuộc hon ton vo sự cung cấp năng lượng từ lượng mu cục bộ. Lưu lượng mu trong no (cerebral blood flow hay CBF) v tỉ suất chuyển ha của lượng oxy tiu thụ (cerebral metabolic rate of oxygen consumption hay CMRO2) đng vai tr then chốt. Mạch mu gin nở rộng hơn; lưu lượng mu ở no CBF cũng sẽ gia tăng nhiều hơn.  Với lượng oxy cung cấp nhiều hơn lượng oxy cần thiết, lượng oxy sẽ gia tăng v mu xanh ở Hnh 1(a) giờ trở thnh mu đỏ ở Hnh 1(b). Điều sẽ xảy ra khi sự gia tăng CBF vượt qu lượng tiu thụ oxy. Kết quả l tn hiệu BOLD tăng ln do sự gia tăng lượng huyết cầu tố (hemoglobin) được oxy ha. 

Hnh 1 (a v b):  Sự phn phối của hemoglobin đựợc oxy ha v hemoglobin khử oxy khi tế bo no ở trạng thi tĩnh (Hnh 1a) v trong trạng thi hoạt động (Hnh 1b). Trong hnh ny, mao quản (capillaries) l những mạch mu nhỏ c tường mỏng kết nối động mạch nhỏ (arterioles) với tĩnh mạch nhỏ (venules). Qua mao quản, chất dinh dưỡng (nutrients)  v chất phế thải (waste) c thể hon đổi giữa mu v m cơ thể (body tissues)  (Nguồn: Google Images). 

1. Sự chuyển ha ho kh v sự chuyển ha kỵ kh

Lượng oxy rất cao trong mu ngay khi no ở trạng thi tĩnh.  

No bộ chỉ chiếm 2-3% trọng lượng của thn thể người lớn, nhưng tiu thụ 20-25% tổng số lượng oxy cần thiết của ton cơ thể.  Sự chuyển ha ở no (cerebral metabolism) cần cả hai qu trnh: ho kh (aerobic) v kỵ kh (anaerobic)  để sản xuất năng lượng cho tế bo (cellular energy) . Ni chung, sự chuyển ha ho kh (aerobic metabolism) cho ra 34 phn tử adenosine triphosphate ATP (một chỉ tiu về số lượng oxygen v glucose). Đy l một con số kh lớn. Trong khi đ,  sự chuyển ha kỵ kh (anaerobic metabolism) khng cần oxy v chỉ tạo được 2 phn tử ATP cho mỗi phn tử glucose (glucose molecule).  

Cơ cấu BOLD dựa vo cả hai qu trnh: chuyển ha ho kh v chuyển ha kỵ kh. Trong qu trnh chuyển ha ho kh, lượng oxy được cung cấp nhiều hơn hm lượng cần thiết.  

Ghi ch: chữ aerobic  thường dng trong một số vận động thể dục, dng để m chỉ việc vận động với kh oxy (ho kh), gip người tập thể dục c thể vận động được một thời gian di. Trong lc aerobic workouts, cơ thể dng lượng oxy để tạo adenosine triphosphate - một phn tử tế bo nhằm cung cấp năng lượng trong lc chng ta tập thể dục.  Ngược lại chuyển ha kỵ kh th khc! Trong qu trnh chuyển ha ny, lượng oxy sẽ khng đủ để cho tế bo trong cơ thể tạo ATP dng trong năng lượng. Thay v vậy, lượng đường phải bị ph vỡ để cung cấp đủ năng lượng cho việc vận động v tạo một lượng dư lactate trong qu trnh.

 

Hnh 2. Qu trnh chuyển ha ho kh (aerobic metabolism)
v chuyển ha kỵ kh (anaerobic metabolism)  (Nguồn: Malonek & Grinvald, 1998).

Trong hnh 2(a), phản ứng ha học cho thấy mt phn tử glucose cần 6 phn tử oxy. Nhưng trn thực tế , tỉ số oxygen/glucose l 5.5.

Trong hnh 2(b), Malonek & Grinvald khảo st lương huyết cầu tố được oxy ha hay oxy-Hb (mu đỏ- mu trong th nghiệm khi nh sng soi vo) v lượng huyết cầu tố khử oxy hay deoxy-Hb (mu xanh) trong no bộ con mo (dng optical imaging). Như chng ta c thể thấy từ hnh ny, lc đầu, c sự tiu thụ oxy, nhưng sau đ, deoxy-Hb giảm xuống trong khi oxy-Hb tăng ln. C nghĩa l, mặc d c sư di chuyển lượng oxy đến vng no bị kch hoạt, số lượng oxy ny rất nhỏ so với lượng oxy đ c ban đầu (trong trạng thi tĩnh).

Trn thực tế th nguồn năng lượng trong no hầu hết đến từ lưu lượng mu cục bộ. V lượng mu ny cung cấp với một số lượng oxy rất nhiều so với số lượng đi hỏi. Kết qu l lượng mu với oxy gia tăng đưa đến sự gia tăng tn hiệu BOLD. V khu vực c hoạt động no sẽ sng hơn l khu vực no ở trạng thi tĩnh. Hnh tương phản (image contrast) ở BOLD đạt được do sự biến đổi hm lượng mu cục bộ (changing regional blood concentrations) của oxy-Hb v deoxy-Hb. Gi trị cục bộ của thời gian hồi gin T2* cũng sẽ gia tăng ở vng no hoạt động. Thm vo đ, độ tương phản cn ty thuộc vo sức mạnh từ (field strength), tần số xung (pulse sequence) v thời vang TE. 

2. Kết quả thực nghiệm về sự lin hệ giữa tn hiệu BOLD v hoạt động của no

Kết quả thực nghiệm của GS Nikos Logethetis ở Max Plack Institute cho thấy một sự lin hệ kh mật thiết giữa tn hiệu BOLD v hoạt động no (Hnh 3).

 

              

Hnh 3. Tn hiệu BOLD từ fMRI (mu đỏ) tương ứng kh tốt với tn hiệu của no bộ (mu đen) mặc d c sự tr hon về thời gian đp ứng (Nguồn: Nikos K. Logethetis, Max Planck Institute (2001) [2]

RMS: root mean square (indicating the existence of neural activity)

mETP: mean extracellular  field potential 

Trong hnh 3, đường cong mu đỏ biểu hiện sự biến đổi tn hiệu của fMRI; trong khi đ đường cong mu đen chỉ định tn hiệu của no được ghi nhận từ những phương php khc. Cả hai hnh đều biểu hiện một đỉnh cao (peak) mặc d c một sự tr hon về thời điểm nơi sự phản ứng xảy ra.  

3. Kết từ

Đ mất cộng động khoa học nhiều  năm trước khi tm được l do để cắt nghĩa hiện tượng về sự gia tăng tn hiệu BOLD với hoạt động của no bộ.

Hai ng Fox v Raichle đ tm được giải đp sự nghịch l của hiện tượng BOLD v  xc định rằng khi tế bo no bi kch hoạt, mạch mu nới rộng ra; lượng oxy ha mới được cung cấp trở nn nhiều hơn lượng  mu cần thiết [3]. Sau khm ph ny, nhiều l luận v th nghiệm đ được thực hiện; điển hnh nhất l kết quả th nghiệm của Nikos K. Logethetis. ng ny đ tm  được một sự  tương ứng kh mật thiết giữa tn hiệu fMRI  với tn hiệu của no bộ mặc d c sự chậm trễ về thời gian phản ứng. Kết quả ny l một bằng chứng cụ thể chứng tỏ rằng cộng hưởng từ chức năng fMRI c thể dng như một cng cụ khng xm lấn hữu hiệu để khảo st cc hoạt động của no bộ.  

4. Ti liệu tham khảo

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2030-Taisao.htm

[2]A. Schurr and E. Gozal. Aerobic Production and Utilization of Lactate Satisfy Increased Energy Demands Upon Neuronal Activation in Hippocampal Slices and Provide Neuroprotection Against Oxidative Stress. Front Pharmacol. 2011: 2: 96

Published online 2012 Jan 13. doi10.3389/fphar.2011.00096

PMCID: PMC3257848

PMID: 22275901

[3] M.D. Fox and M. E. Raichle. Spontaneous fluctuations in brain activity observed with functional magnetic resonance imaging . 2007 Sep;8(9):700-11. doi: 10.1038/nrn2201.

 

February 25, 2023