A series of articles on Technology in Medicine - Part 32

 

Chức năng đp ứng huyết động học HRF

 

Trần Tr Năng
 

 

Kể từ những năm 1890, người ta đ biết rằng những thay đổi trong lưu lượng mu v qu trnh xy ha mu trong no (gọi chung l huyết động học) c mối lin hệ chặt chẽ với với cc hoạt động thần kinh [1].

Để quan st  những g xảy ra trong lc đo tn hiệu cộng hưởng từ chức năng fMRI, trong suốt thời gian thu nhập dữ liệu, trnh tự thay phin nhau tạo nn sự gia tăng v suy giảm mức độ huyết sắc tố ở một vng đặc th no đ trong no sẽ được thực hiện. Để lm điều ny, kỹ thuật vin vận hnh my MRI yu cầu bệnh nhn lm một số cng tc trong lc người ny nằm trong my chụp cộng hưởng từ MRI như ra dấu hiệu bằng cch g ngn tay mỗi khi đi hỏi hay khi thấy biến đổi trong những hiển thị được cung cấp. Sư gia tăng v giảm thiểu tn hiệu theo dạng thức ny được biết trong cộng động khoa học l chức năng đp ứng huyết động học (hemodynamic response function) hay thường gọi tắt l HRF.  

1.  Chức năng đp ứng huyết động học hay HRF

V tế bo thần kinh (neurons) khng c nguồn năng lượng nội bộ thuộc dạng glucose v oxygen, nn sự kch hoạt đi hỏi nhiều năng lượng để chuyển tải theo một qu trnh  gọi l đp ứng huyết động lực học (hemodynamic response). Ở qu trnh ny, mu phn phối xy đến tế bo thần kinh đang hoạt động ở một tỉ xuất lớn hơn so với lượng mu đến tế bo thần kinh khng hoạt động. 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 xy cung cấp nhiều hơn lượng xy cần thiết, lượng xy sẽ gia tăng. Kết quả l tn hiệu BOLD tăng ln do sự gia tăng lượng huyết cầu tố được xy ha (oxygenated hemoglobin hay oxy-Hb) [2]. 

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

Khi cc tế bo thần kinh hoạt động, lượng mu lưu trữ cục bộ đến vng no tăng ln; v huyết sắc tố được xy ha (oxygenated Hb hay oxy-Hb) sẽ thay thế huyết sắc tố khử xy (deoxygenated hemoglobin hay deoxy-Hb) khoảng 2 giy sau đ (Hnh 1). Sự thay đổi tn hiệu MR từ hoạt động của tế bo thần kinh chậm vi giy sau khi tế bo thần kinh được kch hoạt, v phải mất một lc để hệ thống mạch mu đp ứng nhu cầu glucose của no (được gọi l phản ứng huyết động học). Điều ny tiếp tục tăng ln đến đỉnh điểm trong vng 46 giy đưa đến sự gia tăng tn hiệu BOLD, trước khi giảm trở lại mức độ  ban đầu (v thường l giảm cường độ một cht so với lc mới bắt đầu).  

Như c thể nhận thấy ở Hnh 1, chức năng đp ứng huyết đng mạch HRF c ba phần: phần hạ xuống lc ban đầu (initial dip), đỉnh lc nửa chừng (overcompensation)  v phần giảm xuống dưới mức chuẩn sau khi bị kch thch (post- stimulus undershoot). Khi hoạt động thần kinh gia tăng, đi hỏi sự chuyển ha của xy v chất dinh dưỡng cũng tăng.  xy được vận chuyển bởi huyết sắc tố phn tử trong hồng cầu.

Hemoglobin được khử xy (deoxy-dHb) c tnh thuận từ (paramagnetic) hay ni nm na hơn l c tnh từ dựa vo cấu trc với 4 điện tử khng ghp cặp ở mỗi trung tm của nguyn tử sắt. Điều ny tạo nn sự biến dạng trong từ trường, gy nn sự giảm thiểu của T2* (i.e.tn hiệu suy giảm nhanh hơn). Sự gia tăng lc ban đầu trong huyết sắc tố khử xy deoxy-Hb c thể dẫn đến sự suy giảm tn hiệu BOLD (initial dip).   Sự bồi trừ qu mức (overcompensation) trong lưu lượng mu pha long nồng độ của huyết sắc tố khử xy v lật ngươc thăng bằng về pha huyết sắc tố được xy ha (oxy-Hb, c tnh nghịch từ) ; đưa đến  đỉnh cao nhất trong  tn hiệu BOLD vo khoảng 4-7 giy sau khi khởi động (activation).  Nn nhớ l huyết sắc tố được xy ha khng c điện tử khng ghp cặp; v thế c tnh nghịch từ (diamagnetic, hầu như khng c tnh từ ). Hiệu ứng BOLD  lin hệ trực tiếp đến nồng độ của  huyết sắc tố khử xy [4]. 

 

  

Hnh 1. Chức năng đp ứng huyết động học HRF biểu hiện sự thay đổi của tn hiệu fMRI với hoạt động thần kinh từ lc bắt đầu hoạt động no (onset of neural activity) đến giai đoạn hoạt động (activated state)[3].  

Tm lại, chức năng đp ứng huyết động học HRF gồm c ba giai đoạn [4]: 

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

(ii) Giai đoạn bắt đầu hoạt động: lượng deoxy- Hb gia tăng v kết quả l tn hiệu BOLD giảm;

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

BOLD trong fMRI lợi dụng sự khc nhau của T2* giữa huyết sắc tố được xy ha v huyết sắc tố khử xy. Huyết sắc tố khử xy triệt khử  tn hiệu MR; v khi nồng độ của huyết sắc tố khử xy giảm, tn hiệu của fMRI tăng ln. 

Biến đổi của độ cảm từ (magnetic susceptibility)  bởi sứ gia tăng xy ha trong một vng cục bộ (localized area) rất nhỏ, dẫn đến sự gia tăng SNR, mặc d nhỏ. Phản ứng sinh l của lưu lượng  mu quyết định phần lớn độ nhạy với thời gian. V đy l cch chng ta c thể đo lường chnh xc khi cc tế bo thần kinh hoạt động; như được biểu hiện bởi tn hiệu  BOLD trong fMRI.   

Tham số phn giải thời gian cơ bản (thời gian lấy mẫu) l thời kch TR. TR quyết định thời gian cho php một lt no bị kch thch cho đến khi mất từ ​​tnh. TR c thể biến đổi từ một thời gian rất ngắn (500 mili giy) đến một thời gian rất di (3 giy). Phản ứng huyết động học của  fMRI c thể tăng ln đến đỉnh điểm trong vng 47 giy sau khi sự kch thch xảy ra, trước khi giảm trở lại mức ban đầu. Những thay đổi ty vo  hệ thống lưu lượng mu, hệ thống mạch mu, tch hợp cc phản ứng đối với hoạt động của tế bo thần kinh theo thời gian.  

Sau khi hoạt động thần kinh dừng lại, tn hiệu BOLD giảm xuống dưới mức độ ban đầu hay mức cơ bản (baseline), một hiện tượng được gọi l vng dưới. Theo thời gian, tn hiệu phục hồi trở lại mức cơ bản. xy được vận chuyển bởi huyết sắc tố phn tử trong tế bo mu đỏ.  

2. fMRI được sử dụng như thế no?

C hai phương cch dng fMRI để khảo st chức năng no:

Một phương php l tập trung vo việc tm kiếm cc khu vực cụ thể của bộ no đp ứng một số nhiệm vụ hoặc kch thch. V dụ, người nằm trong my qut MRI c thể thấy một bảng kiểm tra nhấp nhy hiển thị tại một số điểm, v ở lần khc trn một mn hnh trống. Nhn vin xử l my c thể yu cầu họ nhấn nt bất cứ khi no họ nhn thấy bn cờ chớp. Cc tn hiệu trong nhiệm vụ sau đ sẽ được so snh với tn hiệu khi nhiệm vụ khng được thực hiện (hay kch hoạt), v kết quả l một số  hnh ảnh của những g vng no đ cung cấp khi nhn thấy bn cờ nhấp nhy ny sẽ được thu thập.

Cũng c thể sử dụng fMRI khc để đnh gi mạng nơron. Điều ny lin quan đến việc tm ra những khu vực no trong no đang ni chuyện với nhau. Nếu một vng no thường sng ln cng lc với một vng no khc, hai vng ny của no c thể được kết nối. Thậm ch bệnh nhn khng cần phải thi hnh nhiệm vụ kch thch no để thực hiện loại nghin cứu ny. Dạng nghin cứu ny v thế đi khi được gọi l chụp ảnh cộng hưởng từ chức năng ở trạng thi nghỉ ngơi.

3. Những đặc điểm khc của HRF

Chức năng đp ứng huyết động học HRF cn c những đặc điểm khc như :

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

(ii) Sự biến đổi của HRF tương đối ổn định ở cng một vng quan st trn cng một bệnh nhn;

(iii) Sự biến đổi của HRF tương đối khng ổn định ở cng vng quan st ở một bệnh nhn khc hay cng một bệnh nhn nhưng khc vng quan st;

(iv) Độ phn giải thời gian (temporal resolution) thấp; 1-2 giy;

(v) Độ phn giải khng gian cao: thng thường vo khoảng 2-5 mm; nhưng c thể nhỏ hơn 1mm ở từ trường my 7 Tesla [5]. 

4. Kết từ

Chức năng đp ứng huyết động học HRF cung cấp một dạng thức gia tăng v giảm st mức độ huyết sắc tố được xy ha (oxy-Hb). 

xy được chuyển tải đến tế bo thần kinh bởi huyết cầu tố trong tế bo hồng cầu mao mạch (capillary red blood cells). Sự gia tăng hoạt động thần kinh sẽ đi hỏi một  mức độ gia tăng lượng oxy cung cấp. V đp ứng cục bộ l lưu lượng mu đến những vng hoạt động thần kinh sẽ gia tăng.   

Huyết cầu tố c tnh nghịch từ khi được xy ha v c tnh thuận từ khi bị khử xy. Sự khc nhau về tnh từ ny đưa đến một sự khc nhau nhỏ về tn hiệu MR, dựa vo độ oxy ha. V sự xy ha của mu biến đổi ty thuộc vo mức độ hoạt động của thần kinh, những sự khc nhau ny c thể được sử dụng để pht hiện những hoạt động của no.  

5, Ti 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