Kể từ những năm 1890, người ta đã biết rằng những thay đổi trong lưu lượng máu và quá trình ôxy hóa máu trong não (gọi chung là huyết động học) có mối liên hệ chặt chẽ với với các hoạt động thần kinh [1].

Để quan sát  những gì xảy ra trong lúc đo tín hiệu cộng hưởng từ chức năng fMRI, trong suốt thời gian thu nhập dữ liệu, trình tự thay phiên nhau tạo nên sự gia tăng và suy giảm mức độ huyết sắc tố ở một vùng đặc thù nào đó trong não sẽ được thực hiện. Để làm điều này, kỹ thuật viên vận hành máy MRI yêu cầu bệnh nhân làm một số công tác trong lúc người này nằm trong máy chụp cộng hưởng từ MRI như ra dấu hiệu bằng cách gõ ngón tay mỗi khi đòi hỏi hay khi thấy biến đổi trong những hiển thị được cung cấp. Sư gia tăng và giảm thiểu tín hiệu theo dạng thức này được biết trong cộng động khoa học là chức năng đáp ứng huyết động học (hemodynamic response function) hay thường gọi tắt là HRF.  

1.  Chức năng đáp ứng huyết động học hay HRF

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 ôxy 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. Lưu lượng máu trong não (cerebral blood flow hay CBF) và tỉ suất chuyển hóa của lượng oxy tiêu thụ (cerebral metabolic rate of oxygen consumption hay CMRO2) đóng vai trò then chốt. Mạch máu giãn nở rộng hơn; lưu lượng máu ở não CBF cũng sẽ gia tăng nhiều hơn. Với lượng ôxy cung cấp nhiều hơn lượng ôxy cần thiết, lượng ôxy sẽ gia tăng. Kết quả là tín hiệu BOLD tăng lên do sự gia tăng lượng huyết cầu tố được ôxy hóa (oxygenated hemoglobin hay oxy-Hb) [2]. 

Chức năng đáp ứng huyết động học HRF (hemodynamic response function) ở Hình 1  biểu hiện sự thay đổi của tín hiệu cộng hưởng từ chức năng fMRI gây nên bởi hoạt động thần kinh qua sự biến đổi của tín hiệu BOLD với thời gian [3].

Khi các tế bào thần kinh hoạt động, lượng máu lưu trữ cục bộ đến vùng não tăng lên; và huyết sắc tố được ôxy hóa (oxygenated Hb hay oxy-Hb) sẽ thay thế huyết sắc tố khử ôxy (deoxygenated hemoglobin hay deoxy-Hb) khoảng 2 giây sau đó (Hình 1). Sự thay đổi tín hiệu MR từ hoạt động của tế bào thần kinh chậm vài giây sau khi tế bào thần kinh được kích hoạt, vì phải mất một lúc để hệ thống mạch máu đáp ứng nhu cầu glucose của não (được gọi là phản ứng huyết động học). Điều này tiếp tục tăng lên đến đỉnh điểm trong vòng 4–6 giây đưa đến sự gia tăng tín hiệu BOLD, trước khi giảm trở lại mức độ  ban đầu (và thường là giảm cường độ một chút so với lúc mới bắt đầu).  

Như có thể nhận thấy ở Hình 1, chức năng đáp ứng huyết đông mạch HRF có ba phần: phần hạ xuống lúc ban đầu (initial dip), đỉnh lúc nửa chừng (overcompensation)  và phần giảm xuống dưới mức chuẩn sau khi bị kích thích (post- stimulus undershoot). Khi hoạt động thần kinh gia tăng, đòi hỏi sự chuyển hóa của ôxy và chất dinh dưỡng cũng tăng.  Ôxy được vận chuyển bởi huyết sắc tố phân tử trong hồng cầu.

Hemoglobin được khử ôxy (deoxy-dHb) có tính thuận từ (paramagnetic) hay nói nôm na hơn là có tính từ dựa vào cấu trúc với 4 điện tử không ghép cặp ở mỗi trung tâm của nguyên tử sắt. Điều này tạo nên sự biến dạng trong từ trường, gây nên sự giảm thiểu của T2* (i.e.tín hiệu suy giảm nhanh hơn). Sự gia tăng lúc ban đầu trong huyết sắc tố khử ôxy deoxy-Hb có thể dẫn đến sự suy giảm tín hiệu BOLD (“initial dip”).   Sự bồi trừ quá mức (overcompensation) trong lưu lượng máu pha loãng nồng độ của huyết sắc tố khử ôxy và lật ngươc thăng bằng về phía huyết sắc tố được ôxy hóa (oxy-Hb, có tính nghịch từ) ; đưa đến  đỉnh cao nhất trong  tín hiệu BOLD vào khoảng 4-7 giây sau khi khởi động (activation).  Nên nhớ là huyết sắc tố được ôxy hóa không có điện tử không ghép cặp; vì thế có tính nghịch từ (diamagnetic, hầu như không có tính từ ). Hiệu ứng BOLD  liên hệ trực tiếp đến nồng độ của  huyết sắc tố khử ôxy [4]. 

Hình 1. Chức năng đáp ứng huyết động học HRF biểu hiện sự thay đổi của tín hiệu fMRI với hoạt động thần kinh từ lúc bắt đầu hoạt động não (onset of neural activity) đến giai đoạn hoạt động (activated state)[3].  

Tóm lại, chức năng đáp ứng huyết động học HRF gồm có ba giai đoạn [4]: 

(i) Giai đoạn khởi đầu: số huyết sắc tố khử ôxy (deoxy- Hb)  được xem như bằng số huyết sắc tố được ôxy hóa (oxy- Hb);

(ii) Giai đoạn bắt đầu hoạt động: lượng deoxy- Hb gia tăng và kết quả là tín hiệu BOLD giảm;

(iii) Giai đoạn hoạt động: lưu lượng máu cục bộ gia tăng, lượng deoxy-Hb giảm đưa đến sự gia tăng tín hiệu BOLD. 

BOLD trong fMRI lợi dụng sự khác nhau của T2* giữa huyết sắc tố được ôxy hóa và huyết sắc tố khử ôxy. Huyết sắc tố khử ôxy triệt khử  tín hiệu MR; và khi nồng độ của huyết sắc tố khử ôxy giảm, tín hiệu của fMRI tăng lên. 

Biến đổi của độ cảm từ (magnetic susceptibility)  bởi sứ gia tăng ôxy hóa trong một vùng cục bộ (localized area) rất nhỏ, dẫn đến sự gia tăng SNR, mặc dù nhỏ. Phản ứng sinh lý của lưu lượng  máu quyết định phần lớn độ nhạy với thời gian. Và đây là cách chúng ta có thể đo lường chính xác khi các tế bào thần kinh hoạt động; như được biểu hiện bởi tín hiệu  BOLD trong fMRI.   

Tham số phân giải thời gian cơ bản (thời gian lấy mẫu) là thời kích TR. TR quyết định thời gian cho phép một lát não bị kích thích cho đến khi mất từ ​​tính. TR có thể biến đổi từ một thời gian rất ngắn (500 mili giây) đến một thời gian rất dài (3 giây). Phản ứng huyết động học của  fMRI có thể tăng lên đến đỉnh điểm trong vòng 4–7 giây sau khi sự kích thích xảy ra, trước khi giảm trở lại mức ban đầu. Những thay đổi tùy vào  hệ thống lưu lượng máu, hệ thống mạch máu, tích hợp các phản ứng đối với hoạt động của tế bào thần kinh theo thời gian.  

Sau khi hoạt động thần kinh dừng lại, tín hiệu BOLD giảm xuống dưới mức độ ban đầu hay mức cơ bản (baseline), một hiện tượng được gọi là vùng dưới. Theo thời gian, tín hiệu phục hồi trở lại mức cơ bản. Ôxy được vận chuyển bởi huyết sắc tố phân tử trong tế bào máu đỏ.  

2. fMRI được sử dụng như thế nào?

Có hai phương cách dùng fMRI để khảo sát chức năng não:

Một phương pháp là tập trung vào việc tìm kiếm các khu vực cụ thể của bộ não đáp ứng một số nhiệm vụ hoặc kích thích. Ví dụ, người nằm trong máy quét MRI có thể thấy một bảng kiểm tra nhấp nháy hiển thị tại một số điểm, và ở lần khác trên một màn hình trống. Nhân viên xử lý máy có thể yêu cầu họ nhấn nút bất cứ khi nào họ nhìn thấy bàn cờ chớp. Các tín hiệu trong nhiệm vụ sau đó sẽ được so sánh với tín hiệu khi nhiệm vụ không được thực hiện (hay kích hoạt), và kết quả là một số  hình ảnh của những gì vùng não đã cung cấp khi nhìn thấy bàn cờ nhấp nháy này sẽ được thu thập.

Cũng có thể sử dụng fMRI khác để đánh giá mạng nơron. Điều này liên quan đến việc tìm ra những khu vực nào trong não đang nói chuyện với nhau. Nếu một vùng não thường sáng lên cùng lúc với một vùng não khác, hai vùng này của não có thể được kết nối. Thậm chí bệnh nhân không cần phải thi hành nhiệm vụ kích thích nào để thực hiện loại nghiên cứu này. Dạng nghiên cứu này vì thế đôi khi được gọi là chụp ảnh cộng hưởng từ chức năng ở trạng thái nghỉ ngơi.

3. Những đặc điểm khác của HRF

Chức năng đáp ứng huyết động học HRF còn có những đặc điểm khác như :

(i)  Biến đổi của chức năng đáp ứng huyết động học (HRF) rất nhỏ. Thường vào khoảng 1-3% ở từ trường máy 1.5 Tesla;

(ii) Sự biến đổi của HRF tương đối ổn định ở cùng một vùng quan sát trên cùng một bệnh nhân;

(iii) Sự biến đổi của HRF tương đối không ổn định ở cùng vùng quan sát ở một bệnh nhân khác hay cùng một bệnh nhân nhưng khác vùng quan sát;

(iv) Độ phân giải thời gian (temporal resolution) thấp; 1-2 giây;

(v) Độ phân giải không gian cao: thông thường vào khoảng 2-5 mm; nhưng có thể nhỏ hơn 1mm ở từ trường máy 7 Tesla [5]. 

4. Kết từ

Chức năng đáp ứng huyết động học HRF cung cấp một dạng thức gia tăng và giảm sút mức độ huyết sắc tố được ôxy hóa (oxy-Hb). 

Ôxy được chuyển tải đến tế bào thần kinh bởi huyết cầu tố trong tế bào hồng cầu mao mạch (capillary red blood cells). Sự gia tăng hoạt động thần kinh sẽ đòi hỏi một  mức độ gia tăng lượng oxy cung cấp. Và đáp ứng cục bộ là lưu lượng máu đến những vùng hoạt động thần kinh sẽ gia tăng.   

Huyết cầu tố có tính nghịch từ khi được ôxy hóa và có tính thuận từ khi bị khử ôxy. Sự khác nhau về tính từ này đưa đến một sự khác nhau nhỏ về tín hiệu MR, dựa vào độ oxy hóa. Vì sự ôxy hóa của máu biến đổi tùy thuộc vào mức độ hoạt động của thần kinh, những sự khác nhau này có thể được sử dụng để phát hiện những hoạt động của não.  

5, Tài liệu tham khảo

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Functional_magnetic_resonance_imaging

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

[3] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2028-Hieu-Ung-BOLD.htm

[4] Nguồn: Feldmann- Wustefeld Lab.

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

April 1, 2023