علوم اعصاب پروس؛ نقشه‌برداری عملکردی اولیه با استفاده از تحریک سطح قشر مغز و الکتروانسفالوگرافی

Early Functional Mapping Using Cortical Surface Stimulation and Electroencephalography

The advent of electrophysiological techniques that could be used in animals—particularly in non-human primates— brought about a new understanding of the functional organization of the brain, particularly the cerebral cortex. Over the late nineteenth century and on into the twentieth century, pioneering neurophysiologists demonstrated functional areas in the intact primate brain that process specific sensory modalities. More detailed studies of the brains of experimental animals in the mid-twentieth century showed that there are actually multiple cortical regions for various sensory modalities in each hemisphere. These studies also defined the basic properties of topographic maps, especially for the somatosensory and visual cortex. These areas implied a sophistication of processing beyond the low-resolution map based on postmortem analysis of lesions in humans, or even on lesion studies with more precisely localized cortical damage in non-human primates.

نقشه‌برداری عملکردی اولیه با استفاده از تحریک سطح قشر مغز و الکتروانسفالوگرافی

ظهور تکنیک‌های الکتروفیزیولوژیکی که می‌توانستند در حیوانات – به ویژه در نخستی‌های غیرانسانی – مورد استفاده قرار گیرند، درک جدیدی از سازماندهی عملکردی مغز، به ویژه قشر مغز، به ارمغان آورد. در اواخر قرن نوزدهم و تا قرن بیستم، نوروفیزیولوژیست‌های پیشگام، نواحی عملکردی را در مغز دست نخورده نخستی‌ها نشان دادند که حالت‌های حسی خاص را پردازش می‌کنند. مطالعات دقیق‌تر مغز حیوانات آزمایشگاهی در اواسط قرن بیستم نشان داد که در واقع چندین ناحیه قشری برای حالت‌های حسی مختلف در هر نیمکره وجود دارد. این مطالعات همچنین ویژگی‌های اساسی نقشه‌های توپوگرافی، به ویژه برای قشر حسی-پیکری و بینایی را تعریف کردند. این نواحی حاکی از پیچیدگی پردازش فراتر از نقشه با وضوح پایین مبتنی بر تجزیه و تحلیل پس از مرگ ضایعات در انسان یا حتی در مطالعات ضایعه با آسیب قشری موضعی دقیق‌تر در نخستی‌های غیرانسانی بودند.

No doubt inspired by this work, research to develop techniques for recording the electrical activity of intact human brains proceeded apace. These methods initially were used as clinical tools, especially in the localization of epileptic foci while exploring sites for neurosurgical removal of epileptogenic cortical tissue. At the Montreal Neurological Institute, Herbert Jasper, one of the key developers of electroencephalography (EEG), worked with Wilder Penfield, who used non-penetrating surface electrodes to stimulate cortical regions exposed for neurosurgical purposes (EEG relies on scalp electrodes to detect changes in electrical activity; see below). Penfield’s primary goal was to ensure that no critical cortical tissue would be removed from either hemisphere. For example, he carefully mapped the limits of the language areas in the left hemisphere to avoid any damage to these regions. Thus, Penfield (as well as subsequent neurosurgeons) exercised maximal caution when removing an “epileptic focus” identified by EEG to relieve otherwise intractable seizures in individuals with epilepsy. Penfield and Jasper’s efforts also revealed both the somatosensory maps of the body surface (Figure 1.18A; also see Chapter 9) and the motor maps of movement intention expressed by the body’s musculature (see Chapter 17) in humans (the homunculus; see Figure 9.11C). The patients being evaluated were alert and responsive (only local anesthesia was used). They could thus report where systematic stimulation elicited sensation on the body surface, and the surgeons could observe where stimulation caused muscle contraction. This work in neurosurgical patients was later extended to the mapping of other functions such as language (see Chapter 27). It was obvious, however, that there would be enormous benefit for both clinical practice and basic neuroscience if diagnosis and mapping could be done noninvasively in clinical patients as well as in nonclinical volunteers.

بدون شک با الهام از این کار، تحقیقات برای توسعه تکنیک‌هایی برای ثبت فعالیت الکتریکی مغز سالم انسان به سرعت پیش رفت. این روش‌ها در ابتدا به عنوان ابزارهای بالینی، به ویژه در تعیین محل کانون‌های صرع، هنگام بررسی مکان‌هایی برای برداشتن بافت قشری صرع‌زا در جراحی مغز و اعصاب، مورد استفاده قرار گرفتند. در موسسه مغز و اعصاب مونترال، هربرت جاسپر، یکی از توسعه‌دهندگان کلیدی الکتروانسفالوگرافی (EEG)، با وایلدر پنفیلد همکاری کرد که از الکترودهای سطحی غیرنافذ برای تحریک نواحی قشری که برای اهداف جراحی مغز و اعصاب در معرض دید قرار می‌گرفتند، استفاده می‌کرد (EEG برای تشخیص تغییرات در فعالیت الکتریکی به الکترودهای پوست سر متکی است؛ به زیر مراجعه کنید). هدف اصلی پنفیلد اطمینان از این بود که هیچ بافت قشری حیاتی از هیچ یک از نیمکره‌ها برداشته نشود. به عنوان مثال، او محدوده نواحی زبانی در نیمکره چپ را با دقت نقشه‌برداری کرد تا از هرگونه آسیبی به این مناطق جلوگیری شود. بنابراین، پنفیلد (و همچنین جراحان مغز و اعصاب بعدی) هنگام برداشتن یک “کانون صرع” که توسط EEG شناسایی شده بود، برای تسکین تشنج‌های غیرقابل درمان در افراد مبتلا به صرع، نهایت احتیاط را به کار بردند. تلاش‌های پنفیلد و جاسپر همچنین نقشه‌های حسی-پیکری سطح بدن (شکل 1.18A؛ همچنین به فصل 9 مراجعه کنید) و نقشه‌های حرکتی قصد حرکت که توسط عضلات بدن (به فصل 17 مراجعه کنید) در انسان‌ها (هومونکولوس؛ به شکل 9.11C مراجعه کنید) بیان می‌شوند را آشکار کرد. بیماران مورد ارزیابی هوشیار و پاسخگو بودند (فقط از بی‌حسی موضعی استفاده شد). بنابراین آنها می‌توانستند گزارش دهند که تحریک سیستماتیک در کجا باعث ایجاد حس در سطح بدن می‌شود و جراحان می‌توانستند مشاهده کنند که تحریک در کجا باعث انقباض عضلات می‌شود. این کار در بیماران جراحی مغز و اعصاب بعداً به نقشه‌برداری از سایر عملکردها مانند زبان گسترش یافت (به فصل 27 مراجعه کنید). با این حال، واضح بود که اگر تشخیص و نقشه‌برداری بتواند به صورت غیرتهاجمی در بیماران بالینی و همچنین در داوطلبان غیربالینی انجام شود، هم برای عمل بالینی و هم برای علوم اعصاب پایه فواید زیادی خواهد داشت.

One useful, but low-resolution, approach to noninvasive activity mapping has been developed using a “cap” with scalp EEG electrodes placed in an ordered spatial array across the head. This approach, referred to as event related potential analysis or ERP (Figure 1.18B), uses neither radioactivity nor electrical stimulation. Instead, the net electrical activity from each point in the scalp electrode array is detected, amplified, and mapped with reference to each electrode’s position on the head. Individuals are presented with sensory stimuli or directed to execute a motor task, and time-locked electroencephalographic signals are averaged with respect to stimulus or task onset. ERPs can be recorded from adults as well as children, facilitating activity-based analysis of developmental behavioral and brain-based changes. These analyses allow, indirectly, for general localization during the performance of different tasks by examining anterior-posterior or medial-lateral differences in EEG activity. While ERP lacks the ability to define specific cortical areas, its relative ease of use makes it possible to perform experiments in standard laboratory settings. Thus, despite limited resolution, ERP analysis can be used in individuals performing a range of tasks.

یک رویکرد مفید، اما با وضوح پایین، برای نقشه‌برداری غیرتهاجمی فعالیت، با استفاده از یک “کلاه” با الکترودهای EEG پوست سر که در یک آرایه فضایی منظم در سراسر سر قرار گرفته‌اند، توسعه داده شده است. این رویکرد که به عنوان تجزیه و تحلیل پتانسیل مرتبط با رویداد یا ERP (شکل 1.18B) شناخته می‌شود، نه از رادیواکتیویته و نه از تحریک الکتریکی استفاده می‌کند. در عوض، فعالیت الکتریکی خالص از هر نقطه در آرایه الکترود پوست سر، با توجه به موقعیت هر الکترود روی سر، شناسایی، تقویت و نقشه‌برداری می‌شود. به افراد محرک‌های حسی ارائه می‌شود یا برای اجرای یک کار حرکتی هدایت می‌شوند و سیگنال‌های الکتروانسفالوگرافی قفل‌شده زمانی با توجه به محرک یا شروع کار، میانگین‌گیری می‌شوند. ERPها را می‌توان از بزرگسالان و همچنین کودکان ثبت کرد و تجزیه و تحلیل مبتنی بر فعالیت از تغییرات رفتاری و مغزی رشدی را تسهیل کرد. این تجزیه و تحلیل‌ها، به طور غیرمستقیم، امکان مکان‌یابی کلی را در طول انجام وظایف مختلف با بررسی تفاوت‌های قدامی-خلفی یا میانی-جانبی در فعالیت EEG فراهم می‌کنند. در حالی که ERP فاقد توانایی تعریف نواحی خاص قشر مغز است، سهولت نسبی استفاده از آن، انجام آزمایش‌ها را در محیط‌های آزمایشگاهی استاندارد امکان‌پذیر می‌سازد. بنابراین، علیرغم وضوح محدود، تحلیل ERP می‌تواند در افرادی که طیف وسیعی از وظایف را انجام می‌دهند، مورد استفاده قرار گیرد.

Finally, a relatively novel, noninvasive approach for modifying local brain activity has been introduced into both clinical practice and behavioral and physiological research in humans. Transcranial magnetic stimulation (TMS; Figure 1.18C) uses magnetic pulses delivered by a paddlelike device held near the scalp. When the magnetic pulses are delivered locally in this way, activity in the underlying cortical tissue is briefly disrupted, leading to a transient change in behavioral performance. In effect, this transient “lesion” of activity causes no apparent harm to patients or to healthy volunteers. TMS has been adapted for use in standard nonclinical laboratory settings, often in combination with ERP analysis, to assess typical activity patterns during complex behavioral tasks. When stronger magnetic pulses are delivered, it is also possible to activate the output of the underlying corticaltissue. Therapeutic applications of TMS are under active investigation for a variety of neurological and neuropsychiatric conditions.

در نهایت، یک رویکرد نسبتاً جدید و غیرتهاجمی برای اصلاح فعالیت موضعی مغز، هم در عمل بالینی و هم در تحقیقات رفتاری و فیزیولوژیکی در انسان معرفی شده است. تحریک مغناطیسی فراجمجمه‌ای (TMS؛ شکل 1.18C) از پالس‌های مغناطیسی که توسط یک دستگاه پارو مانند که در نزدیکی پوست سر قرار می‌گیرد، ارسال می‌شوند، استفاده می‌کند. هنگامی که پالس‌های مغناطیسی به این روش به صورت موضعی ارسال می‌شوند، فعالیت در بافت قشری زیرین به طور خلاصه مختل می‌شود و منجر به تغییر گذرا در عملکرد رفتاری می‌شود. در واقع، این “ضایعه” گذرای فعالیت هیچ آسیبی به بیماران یا داوطلبان سالم وارد نمی‌کند. TMS برای استفاده در محیط‌های آزمایشگاهی غیربالینی استاندارد، اغلب در ترکیب با تجزیه و تحلیل ERP، برای ارزیابی الگوهای فعالیت معمول در حین انجام وظایف رفتاری پیچیده، سازگار شده است. هنگامی که پالس‌های مغناطیسی قوی‌تری ارسال می‌شوند، می‌توان خروجی بافت قشری زیرین را نیز فعال کرد. کاربردهای درمانی TMS برای انواع بیماری‌های عصبی و عصبی-روانی در دست بررسی است.

FIGURE 1.18 Indirect “images” of functional localization and maps using invasive and noninvasive neurophysiological approaches. (A) Penfield and Jasper defined the homunculus using intracranial surface electrode mapping. This approach relied on stimulation using an electrode placed carefully on the arachnoid surface to avoid damage to the underlying brain tissue. This early work resulted in the somatotopic map, as represented here.(B) Event related potential (ERP) recording in an awake, alert child. The array of scalp electrodes in the “cap” indicates the recording locations. Comparing the response intensity recorded at each site provides a low-resolution map of localized cortical activity.(C) Transcranial magnetic stimulation (TMS) relies on a handheld device that generates a magnetic field based on current flow through a magnetic coil. The device can deliver a pulse of current to the surface of the cerebral cortex, causing a brief disruption of electrical activity in that area. TMS has gained some acceptance as a clinical treatment for depression and other mood disorders, as well as being used to assess normal function. (B © Jon Wilson/ Science Source.)

شکل ۱.۱۸ «تصاویر» غیرمستقیم از مکان‌یابی عملکردی و نقشه‌ها با استفاده از رویکردهای نوروفیزیولوژیکی تهاجمی و غیرتهاجمی. (الف) پنفیلد و جاسپر هومونکولوس را با استفاده از نقشه‌برداری الکترود سطح داخل جمجمه‌ای تعریف کردند. این رویکرد بر تحریک با استفاده از الکترودی که با دقت روی سطح آراکنوئید قرار داده شده بود تا از آسیب به بافت زیرین مغز جلوگیری شود، متکی بود. این کار اولیه منجر به نقشه سوماتوتوپیک شد، همانطور که در اینجا نشان داده شده است. (ب) ثبت پتانسیل مرتبط با رویداد (ERP) در یک کودک بیدار و هوشیار. آرایه الکترودهای پوست سر در «کلاهک» مکان‌های ثبت را نشان می‌دهد. مقایسه شدت پاسخ ثبت شده در هر محل، نقشه‌ای با وضوح پایین از فعالیت قشری موضعی ارائه می‌دهد. (ج) تحریک مغناطیسی فراجمجمه‌ای (TMS) بر یک دستگاه دستی متکی است که بر اساس جریان از طریق یک سیم‌پیچ مغناطیسی، یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند. این دستگاه می‌تواند یک پالس جریان را به سطح قشر مغز منتقل کند و باعث اختلال مختصری در فعالیت الکتریکی در آن ناحیه شود. TMS به عنوان یک درمان بالینی برای افسردگی و سایر اختلالات خلقی و همچنین برای ارزیابی عملکرد طبیعی مورد پذیرش قرار گرفته است. (B © جان ویلسون/ منبع علمی.)

Computerized Tomography

In the 1970s, computerized tomography, or CT, ushered in a new era in noninvasive imaging using computer processing technology to probe the living brain. CT uses a narrow X-ray beam and a row of very sensitive detectors placed on opposite sides of the head to probe a small portion of tissue at a time with limited radiation exposure (Figure 1.19A). In order to form an image, the X-ray tube and detectors rotate around the head, collecting radiodensity information from every orientation around a narrow slice. Computer processing techniques then calculate the radiodensity of each point within the slice plane, producing a tomographic image (Greek tomo, “cut” or “slice”). If the individual is moved through the scanner slowly while the X-ray tube rotates in this manner, a three-dimensional radiodensity matrix can be created, allowing images corresponding to serial sections to be computed for any plane through the brain. CT scans can readily distinguish gray matter and white matter, differentiate the ventricles quite well, and show many other brain structures with a spatial resolution of several millimeters. Thus, major anatomical structures can be identified with relative confidence (Figure 1.19B), and lesions can be recognized if they are within the limits of the resolution of the CT (a few mm with newer techniques). Importantly, brain lesions that are not visible in standard X-ray methods can be resolved using CT. For example, metastatic lesions related to a distal malignancy can be localized fairly precisely, and can be correlated more definitively with functional loss as well as with subsequent response to treatments (Figure 1.19C). CT remains a valued diagnostic tool; however, its use in fundamental brain research on healthy individuals is limited due to the risks of unnecessary radiation exposure and its relatively low resolution of brain structure.

توموگرافی کامپیوتری

در دهه 1970، توموگرافی کامپیوتری یا سی‌تی، دوران جدیدی را در تصویربرداری غیرتهاجمی با استفاده از فناوری پردازش کامپیوتری برای بررسی مغز زنده آغاز کرد. سی‌تی از یک پرتو باریک اشعه ایکس و ردیفی از آشکارسازهای بسیار حساس که در دو طرف مقابل سر قرار گرفته‌اند، برای بررسی بخش کوچکی از بافت به طور همزمان با قرار گرفتن در معرض تابش محدود استفاده می‌کند (شکل 1.19A). برای تشکیل تصویر، لوله اشعه ایکس و آشکارسازها در اطراف سر می‌چرخند و اطلاعات مربوط به چگالی پرتو را از هر جهت در اطراف یک برش باریک جمع‌آوری می‌کنند. سپس تکنیک‌های پردازش کامپیوتری چگالی پرتو هر نقطه را در صفحه برش محاسبه می‌کنند و یک تصویر توموگرافی (تومو یونانی، “برش” یا “برش”) تولید می‌کنند. اگر فرد به آرامی از طریق اسکنر حرکت داده شود در حالی که لوله اشعه ایکس به این صورت می‌چرخد، می‌توان یک ماتریس چگالی پرتو سه‌بعدی ایجاد کرد که امکان محاسبه تصاویر مربوط به بخش‌های سریالی را برای هر صفحه‌ای از مغز فراهم می‌کند. سی‌تی‌اسکن‌ها می‌توانند به راحتی ماده خاکستری و ماده سفید را از هم تشخیص دهند، بطن‌ها را به خوبی از هم متمایز کنند و بسیاری از ساختارهای دیگر مغز را با وضوح مکانی چند میلی‌متر نشان دهند. بنابراین، ساختارهای آناتومیکی اصلی را می‌توان با اطمینان نسبی شناسایی کرد (شکل 1.19B) و ضایعات را می‌توان در صورتی که در محدوده وضوح سی‌تی‌اسکن (چند میلی‌متر با تکنیک‌های جدیدتر) باشند، تشخیص داد. نکته مهم این است که ضایعات مغزی که در روش‌های استاندارد اشعه ایکس قابل مشاهده نیستند، می‌توانند با استفاده از سی‌تی‌اسکن تشخیص داده شوند. به عنوان مثال، ضایعات متاستاتیک مربوط به بدخیمی‌های انتهایی را می‌توان با دقت نسبتاً بالایی تعیین محل کرد و می‌توان آنها را با از دست دادن عملکرد و همچنین با پاسخ بعدی به درمان‌ها به طور قطعی‌تری مرتبط کرد (شکل 1.19C). سی‌تی‌اسکن همچنان یک ابزار تشخیصی ارزشمند است. با این حال، استفاده از آن در تحقیقات بنیادی مغز بر روی افراد سالم به دلیل خطرات قرار گرفتن در معرض اشعه غیرضروری و وضوح نسبتاً پایین ساختار مغز محدود است.

FIGURE 1.19    Computerized axial tomography. (A) In computerized tomography (CT), the X-ray source and detector are moved around the individual’s head. (B) Horizontal CT section of a typical adult brain. (C) CT scan of an individual with multiple sites of a metastatic brain tumor (white spots throughout the cor-tical gray and white matter). CT scans are very useful in detecting brain lesions where the damage has a different tissue density than the normal brain tissue. (B © Puwadol Jaturawutthichai/ Alamy Stock Photo; C from Khairy et al., 2015.)

شکل ۱.۱۹ توموگرافی محوری کامپیوتری. (الف) در توموگرافی کامپیوتری (سی‌تی)، منبع اشعه ایکس و آشکارساز در اطراف سر فرد حرکت می‌کنند. (ب) برش افقی سی‌تی از مغز یک فرد بالغ معمولی. (ج) سی‌تی اسکن از فردی با چندین محل تومور مغزی متاستاتیک (لکه‌های سفید در سراسر ماده خاکستری و سفید قشر مغز). سی‌تی اسکن‌ها در تشخیص ضایعات مغزی که در آن‌ها آسیب تراکم بافتی متفاوتی نسبت به بافت طبیعی مغز دارد، بسیار مفید هستند. (عکس از Puwadol Jaturawutthichai/ Alamy؛ عکس از Khairy و همکاران، 2015.)

Magnetic Resonance Imaging

Brain imaging took a huge step forward in the 1980s with the development of magnetic resonance imaging (MRI). Unlike CT, MRI is based on the physics of atomic motion. The nuclei of some atoms act as spinning magnets. If placed in a strong magnetic field, these atoms will line up with the field and spin at a frequency that is dependent on the field strength. If a brief radiofrequency pulse tuned to the atoms’ spinning frequency is applied, the atoms are knocked out of alignment with the field and subsequently emit energy in an oscillatory fashion as they gradually realign themselves with the field. The strength of the emitted signal depends on how many atomic nuclei are affected by this process.

تصویربرداری تشدید مغناطیسی

تصویربرداری مغز در دهه ۱۹۸۰ با توسعه تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) گام بزرگی به جلو برداشت. برخلاف سی‌تی‌اسکن، MRI مبتنی بر فیزیک حرکت اتمی است. هسته برخی از اتم‌ها به عنوان آهنرباهای چرخان عمل می‌کنند. اگر در یک میدان مغناطیسی قوی قرار گیرند، این اتم‌ها با میدان همسو می‌شوند و با فرکانسی که به قدرت میدان وابسته است، می‌چرخند. اگر یک پالس کوتاه فرکانس رادیویی تنظیم شده با فرکانس چرخش اتم‌ها اعمال شود، اتم‌ها از هم‌ترازی با میدان خارج می‌شوند و متعاقباً با هم‌ترازی تدریجی خود با میدان، به صورت نوسانی انرژی ساطع می‌کنند. قدرت سیگنال ساطع شده به تعداد هسته‌های اتمی تحت تأثیر این فرآیند بستگی دارد.

In MRI, the magnetic field is distorted slightly by imposing magnetic gradients along three different spatial axes so that only nuclei at certain locations are tuned to the detector’s frequency at any given time. Almost all MRI scanners use detectors tuned to the radio frequencies of spinning hydrogen nuclei in water molecules, creating images based on the distribution of water in different tissues (Figure 1.20A). Careful manipulation of magnetic field gradients and radiofrequency pulses makes it possible to construct extraordinarily detailed spatial images of the brain at any location and orientation, with millimeter resolution (Figure 1.20B,C; see also Figure 1.1C).

در MRI، میدان مغناطیسی با اعمال گرادیان‌های مغناطیسی در امتداد سه محور فضایی مختلف، کمی تحریف می‌شود، به طوری که در هر زمان معین، فقط هسته‌های موجود در مکان‌های خاص با فرکانس آشکارساز تنظیم می‌شوند. تقریباً همه اسکنرهای MRI از آشکارسازهایی استفاده می‌کنند که با فرکانس‌های رادیویی هسته‌های هیدروژن در حال چرخش در مولکول‌های آب تنظیم شده‌اند و تصاویری را بر اساس توزیع آب در بافت‌های مختلف ایجاد می‌کنند (شکل 1.20A). دستکاری دقیق گرادیان‌های میدان مغناطیسی و پالس‌های فرکانس رادیویی، امکان ساخت تصاویر فضایی فوق‌العاده دقیقی از مغز در هر مکان و جهتی را با وضوح میلی‌متری فراهم می‌کند (شکل 1.20B،C؛ همچنین به شکل 1.1C مراجعه کنید).

FIGURE 1.20 Magnetic resonance imaging. (A) The MRI scanner has a portal for the individual’s head (or other region of the body to be imaged). A magnetic coil is placed around the head to activate and record magnetic resonance signal. Virtual reality goggles or earphones can be used to present visual or auditory stimuli. (B,C) MRI images obtained with two different pulse sequences. In (B), the pulse sequence yields that record the white matter of the cerebral cortex as white and the gray matter as gray. In (C0, the pulse sequennce shows the cortical gray matter as a lighter gray with a white boundary at the external surface, and white matter is seen as a darker gray. (B,C from Seiger et al., 2015.)

شکل ۱.۲۰ تصویربرداری تشدید مغناطیسی. (الف) اسکنر MRI دارای دریچه‌ای برای سر فرد (یا ناحیه دیگری از بدن که باید تصویربرداری شود) است. یک سیم‌پیچ مغناطیسی در اطراف سر قرار می‌گیرد تا سیگنال تشدید مغناطیسی را فعال و ثبت کند. عینک‌های واقعیت مجازی یا هدفون‌ها می‌توانند برای ارائه محرک‌های بصری یا شنیداری استفاده شوند. (ب، ج) تصاویر MRI که با دو توالی پالس مختلف به دست آمده‌اند. در (ب)، توالی پالس نشان می‌دهد که ماده سفید قشر مغز به رنگ سفید و ماده خاکستری به رنگ خاکستری ثبت می‌شود. در (ج0)، توالی پالس ماده خاکستری قشر مغز را به رنگ خاکستری روشن‌تر با مرز سفید در سطح خارجی نشان می‌دهد و ماده سفید به رنگ خاکستری تیره‌تر دیده می‌شود. (ب، ج از سیگر و همکاران، 2015.)

Safety (there is no high-energy radiation), noninvasiveness (no dyes are injected), and versatility (applicable to individuals in a variety of conditions) have made MRI the technique of choice for imaging brain structure in most applications. The strong magnetic field and radiofrequency pulses used in scanning are harmless (although ferromagnetic objects in or near the scanner are a safety concern). Moreover, MRI enables a suite of imaging modalities; by changing the scanning parameters, images based on a wide variety of different contrast mechanisms can be generated. For example, conventional MRI takes advantage of the fact that hydrogen in different types of tissue (e.g., gray matter, white matter, cerebrospinal fluid) has slightly different realignment rates, meaning that soft tissue contrast can be manipulated by adjusting the time at which the realigning hydrogen signal is measured. This results in remarkably detailed images that show structural features of the human brain and, for several important clinical conditions, the presence of pathophysiological processes. Another advantage is that, like CT scans but with far better resolution, the MRI data from each individual represent the equivalent of a “whole brain”: Software has been developed so that from one detailed scan, it is possible to create detailed views in all the cardinal planes of section for the brain (see Appendix Figure A1), as well as three-dimensional renderings of volumes, such as those of the cortical surface or the intracerebral ventricles.

ایمنی (عدم وجود تابش پرانرژی)، غیرتهاجمی بودن (عدم تزریق رنگ) و تطبیق‌پذیری (قابل استفاده برای افراد در شرایط مختلف) MRI را به تکنیک انتخابی برای تصویربرداری از ساختار مغز در اکثر کاربردها تبدیل کرده است. میدان مغناطیسی قوی و پالس‌های فرکانس رادیویی مورد استفاده در اسکن بی‌ضرر هستند (اگرچه اشیاء فرومغناطیسی در داخل یا نزدیکی اسکنر یک نگرانی ایمنی هستند). علاوه بر این، MRI مجموعه‌ای از روش‌های تصویربرداری را امکان‌پذیر می‌کند؛ با تغییر پارامترهای اسکن، می‌توان تصاویری مبتنی بر طیف گسترده‌ای از مکانیسم‌های کنتراست مختلف تولید کرد. به عنوان مثال، MRI معمولی از این واقعیت بهره می‌برد که هیدروژن در انواع مختلف بافت (مانند ماده خاکستری، ماده سفید، مایع مغزی نخاعی) نرخ‌های تنظیم مجدد کمی متفاوتی دارد، به این معنی که می‌توان کنتراست بافت نرم را با تنظیم زمانی که سیگنال تنظیم مجدد هیدروژن اندازه‌گیری می‌شود، دستکاری کرد. این منجر به تصاویر بسیار دقیقی می‌شود که ویژگی‌های ساختاری مغز انسان و برای چندین بیماری بالینی مهم، وجود فرآیندهای پاتوفیزیولوژیک را نشان می‌دهند. مزیت دیگر این است که، مانند سی‌تی‌اسکن اما با وضوح بسیار بهتر، داده‌های MRI از هر فرد معادل یک «کل مغز» را نشان می‌دهد: نرم‌افزاری توسعه داده شده است که از یک اسکن دقیق، می‌توان نماهای دقیقی را در تمام صفحات اصلی برش برای مغز ایجاد کرد (به شکل پیوست A1 مراجعه کنید)، و همچنین می‌توان تصاویر سه‌بعدی از حجم‌ها، مانند سطح قشر مغز یا بطن‌های داخل مغزی، ارائه داد.

In addition, MRI can be used to detect changes in metabolic intermediates that may be related to ongoing neurotransmission. This application takes advantage of the well-established capacity of magnetic resonance methods (known as nuclear magnetic resonance, or NMR, in chemistry) to detect different organic molecules based on the spectra of their atomic properties. When this approach is used in human brain imaging, metabolites of excitatory amino acid neurotransmitters (glutamate) or inhibitory neurotransmitters (g-aminobutyrate, or GABA; glycine) can be detected and their concentration and distribution mapped. The most commonly imaged metabolic intermediate is N-acetyl aspartate (NAA), which is thought to be primarily an indicator of glutamatergic transmission in the brain. Based on additional imaging routines (using differing field strengths and times), potential metabolites of GABA and glycine can be detected. Such approaches suggest that potential differences in neurotransmitter activity might be detected in brains of control or clinically compromised individuals. Moreover, this approach can give insight into the balance of excitatory and inhibitory activity needed for the performance of various behaviors.

علاوه بر این، می‌توان از MRI ​​برای تشخیص تغییرات در واسطه‌های متابولیکی که ممکن است مربوط به انتقال عصبی مداوم باشند، استفاده کرد. این کاربرد از ظرفیت تثبیت‌شده روش‌های رزونانس مغناطیسی (که در شیمی به عنوان رزونانس مغناطیسی هسته‌ای یا NMR شناخته می‌شود) برای تشخیص مولکول‌های آلی مختلف بر اساس طیف خواص اتمی آنها بهره می‌برد. هنگامی که این رویکرد در تصویربرداری مغز انسان استفاده می‌شود، متابولیت‌های انتقال‌دهنده‌های عصبی اسید آمینه تحریکی (گلوتامات) یا انتقال‌دهنده‌های عصبی مهاری (g-آمینوبوتیرات یا GABA؛ گلیسین) را می‌توان شناسایی کرد و غلظت و توزیع آنها را نقشه‌برداری کرد. رایج‌ترین واسطه متابولیکی تصویربرداری شده، N-استیل آسپارتات (NAA) است که تصور می‌شود در درجه اول شاخص انتقال گلوتاماترژیک در مغز باشد. بر اساس روش‌های تصویربرداری اضافی (با استفاده از قدرت و زمان‌های مختلف میدان)، متابولیت‌های بالقوه GABA و گلیسین را می‌توان تشخیص داد. چنین رویکردهایی نشان می‌دهد که تفاوت‌های بالقوه در فعالیت انتقال‌دهنده‌های عصبی ممکن است در مغز افراد کنترل یا افراد دارای اختلال بالینی تشخیص داده شود. علاوه بر این، این رویکرد می‌تواند بینشی در مورد تعادل فعالیت تحریکی و مهاری مورد نیاز برای انجام رفتارهای مختلف ارائه دهد.

The alignment of the magnetic fields of water molecules in axon tracts also makes it possible to visualize axon pathways using a variant of MRI referred to as diffusion tensor imaging (DTI) (see the image that opens this chapter). DTI can establish differences in axon pathway connectivity, making it possible to study individuals with genetic disorders that result in major alterations of axon projections (see Clinical Applications, Chapter 23). Additional settings can generate images in which gray matter and white matter are relatively invisible but the brain vasculature stands out in sharp detail. Thus, variations of MRI can clearly and safely visualize human neuroanatomy, including cerebral cortical regions, some subcortical structures, and axon tracts.

هم‌ترازی میدان‌های مغناطیسی مولکول‌های آب در مسیرهای آکسونی، امکان تجسم مسیرهای آکسونی را با استفاده از نوعی از MRI ​​که به عنوان تصویربرداری تانسور انتشار (DTI) شناخته می‌شود، فراهم می‌کند (به تصویری که این فصل را آغاز می‌کند مراجعه کنید). DTI می‌تواند تفاوت‌هایی را در اتصال مسیرهای آکسونی ایجاد کند و مطالعه افراد مبتلا به اختلالات ژنتیکی که منجر به تغییرات عمده در برآمدگی‌های آکسونی می‌شوند را ممکن سازد (به کاربردهای بالینی، فصل ۲۳ مراجعه کنید). تنظیمات اضافی می‌توانند تصاویری ایجاد کنند که در آن‌ها ماده خاکستری و ماده سفید نسبتاً نامرئی هستند، اما عروق مغز با جزئیات دقیق مشخص هستند. بنابراین، انواع MRI می‌توانند به وضوح و با اطمینان، نوروآناتومی انسان، از جمله نواحی قشر مغز، برخی از ساختارهای زیرقشری و مسیرهای آکسونی را تجسم کنند.

Functional Brain Imaging

Imaging specific functions in the brain has become possible with the development of techniques for detecting local changes in cerebral metabolism or blood flow. To conserve energy, the brain regulates its blood flow such that active neurons with relatively high metabolic demands receive more oxygen and nutrients than do relatively inactive neurons. Detecting and mapping these local changes in cerebral blood flow form the basis for four functional brain-imaging techniques: positron emission tomography (PET), single-photon emission computerized tomography (SPECT), functional magnetic resonance imaging (fMRI), and magnetoencephalography (MEG). PET and SPECT are less commonly chosen for either research or clinical applications due to the necessity of exposure to radiolabeled compounds (see below). fMRI has all of the advantages of safety enumerated for structural MRI imaging.MEG has excellent temporal resolution, allowing rapid acquisition of functional changes. Its limited spatial resolution, however, limits its utility in many applications. Thus, fMRI has emerged as the favored approach in most circumstances.

تصویربرداری عملکردی مغز

تصویربرداری از عملکردهای خاص مغز با توسعه تکنیک‌هایی برای تشخیص تغییرات موضعی در متابولیسم مغزی یا جریان خون امکان‌پذیر شده است. برای صرفه‌جویی در انرژی، مغز جریان خون خود را طوری تنظیم می‌کند که نورون‌های فعال با نیازهای متابولیکی نسبتاً بالا، اکسیژن و مواد مغذی بیشتری نسبت به نورون‌های نسبتاً غیرفعال دریافت کنند. تشخیص و نقشه‌برداری از این تغییرات موضعی در جریان خون مغزی، اساس چهار تکنیک تصویربرداری عملکردی مغز را تشکیل می‌دهد: توموگرافی انتشار پوزیترون (PET)، توموگرافی کامپیوتری انتشار تک فوتون (SPECT)، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی (fMRI) و مگنتوانسفالوگرافی (MEG). PET و SPECT به دلیل لزوم قرار گرفتن در معرض ترکیبات نشاندار شده با رادیو اکتیو (به زیر مراجعه کنید)، کمتر برای تحقیقات یا کاربردهای بالینی انتخاب می‌شوند. fMRI تمام مزایای ایمنی برشمرده شده برای تصویربرداری ساختاری MRI را دارد. MEG وضوح زمانی عالی دارد و امکان دستیابی سریع به تغییرات عملکردی را فراهم می‌کند. با این حال، وضوح مکانی محدود آن، کاربرد آن را در بسیاری از کاربردها محدود می‌کند. بنابراین، fMRI در اکثر شرایط به عنوان رویکرد مطلوب ظهور کرده است.

In PET scanning, unstable positron-emitting isotopes are incorporated into different reagents (including water, precursor molecules of specific neurotransmitters, or glucose) and injected into the bloodstream. Labeled oxygen and glucose quickly accumulate in more metabolically active areas. As the unstable isotope decays, it emits two positrons travelling in opposite directions. Gamma ray detectors placed around the head register a “hit” only when two detectors 180 degrees apart react simultaneously. Images of tissue isotope density can then be generated in much the way CT images are calculated, showing the location of active regions with a spatial resolution of about 4 mm (see Figures 33.6 and 33.7). Depending on the probe injected, PET imaging can be used to visualize activity-dependent changes in blood flow, tissue metabolism, or biochemical activity. SPECT is similar to PET in that it involves injection or inhalation of radiolabeled compound (for example, 133Xe or 123I-labeled iodoamphetamine), which produces photons that are detected by a gamma camera moving rapidly around the head.

در اسکن PET، ایزوتوپ‌های ناپایدار ساطع‌کننده پوزیترون در معرف‌های مختلف (از جمله آب، مولکول‌های پیش‌ساز انتقال‌دهنده‌های عصبی خاص یا گلوکز) گنجانده شده و به جریان خون تزریق می‌شوند. اکسیژن و گلوکز نشاندار شده به سرعت در نواحی فعال‌تر متابولیکی تجمع می‌یابند. با واپاشی ایزوتوپ ناپایدار، دو پوزیترون در جهت‌های مخالف منتشر می‌کنند. آشکارسازهای پرتو گاما که در اطراف سر قرار گرفته‌اند، تنها زمانی یک “ضربه” را ثبت می‌کنند که دو آشکارساز با فاصله ۱۸۰ درجه از هم به طور همزمان واکنش نشان دهند. سپس می‌توان تصاویر چگالی ایزوتوپ بافت را تقریباً به روشی که تصاویر CT محاسبه می‌شوند، تولید کرد و محل نواحی فعال را با وضوح مکانی حدود ۴ میلی‌متر نشان داد (شکل‌های ۳۳.۶ و ۳۳.۷ را ببینید). بسته به پروب تزریق شده، می‌توان از تصویربرداری PET برای تجسم تغییرات وابسته به فعالیت در جریان خون، متابولیسم بافت یا فعالیت بیوشیمیایی استفاده کرد. SPECT از این نظر شبیه PET است که شامل تزریق یا استنشاق ترکیب نشاندار شده با رادیودارو (به عنوان مثال، یدوآمفتامین نشاندار شده با 133Xe یا 123I) است که فوتون‌هایی تولید می‌کند که توسط یک دوربین گاما که به سرعت در اطراف سر حرکت می‌کند، شناسایی می‌شوند.

fMRI offers the least invasive, most cost-effective approach for visualizing brain function based on local metabolism.fMRI relies on the fact that hemoglobin in blood slightly distorts the magnetic resonance properties of hydrogen nuclei in its vicinity, and the amount of magnetic distortion changes depending on whether the hemoglobin has oxygen bound to it. When a brain area is activated by a specific task, it begins to use more oxygen, and within seconds the brain microvasculature responds by increasing the flow of oxygen-rich blood to the active area. These changes in the concentration of oxygen and blood flow lead to localized blood oxygenation level– dependent (BOLD) changes in the magnetic resonance signal. Such fluctuations are detected using statistical image-processing techniques to produce maps of active brain regions (Figure 1.21). Because fMRI uses signals intrinsic in the brain, tracer injections are not necessary, and repeated observations can be made on the same individual—a major advantage over imaging methods such as PET. The spatial resolution (2 to 3 mm) and temporal resolution (a few seconds) of fMRI are superior to those of PET and SPECT, and can be combined with structural images generated by MRI using computational and statistical methods. fMRI has thus emerged as the technology of choice for functional brain imaging. It dominates the clinical as well as the cognitive science literature studying the functional basis of complex behaviors. The necessity of averaging fMRI signals over seconds, plus the statistical assumptions necessary to fit highly variable individual brains into standardized neuroanatomical templates, imposes some significant limitations, but these have not reduced the popularity of fMRI.

fMRI کم تهاجمی‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین رویکرد را برای تجسم عملکرد مغز بر اساس متابولیسم موضعی ارائه می‌دهد. fMRI بر این واقعیت متکی است که هموگلوبین موجود در خون، خواص رزونانس مغناطیسی هسته‌های هیدروژن در مجاورت خود را کمی تحریف می‌کند و میزان تحریف مغناطیسی بسته به اینکه آیا هموگلوبین اکسیژن متصل به آن را دارد یا خیر، تغییر می‌کند. هنگامی که یک ناحیه مغز توسط یک کار خاص فعال می‌شود، شروع به استفاده از اکسیژن بیشتری می‌کند و در عرض چند ثانیه، ریز عروق مغز با افزایش جریان خون غنی از اکسیژن به ناحیه فعال پاسخ می‌دهد. این تغییرات در غلظت اکسیژن و جریان خون منجر به تغییرات وابسته به سطح اکسیژن خون (BOLD) موضعی در سیگنال رزونانس مغناطیسی می‌شود. چنین نوساناتی با استفاده از تکنیک‌های پردازش تصویر آماری برای تولید نقشه‌هایی از مناطق فعال مغز شناسایی می‌شوند (شکل 1.21). از آنجا که fMRI از سیگنال‌های ذاتی مغز استفاده می‌کند، تزریق ردیاب ضروری نیست و می‌توان مشاهدات مکرر را روی همان فرد انجام داد – یک مزیت عمده نسبت به روش‌های تصویربرداری مانند PET. وضوح مکانی (۲ تا ۳ میلی‌متر) و وضوح زمانی (چند ثانیه) fMRI نسبت به PET و SPECT برتر است و می‌تواند با تصاویر ساختاری تولید شده توسط MRI با استفاده از روش‌های محاسباتی و آماری ترکیب شود. بنابراین، fMRI به عنوان فناوری منتخب برای تصویربرداری عملکردی مغز ظهور کرده است. این فناوری بر ادبیات بالینی و همچنین علوم شناختی که مبنای عملکردی رفتارهای پیچیده را مطالعه می‌کنند، تسلط دارد. لزوم میانگین‌گیری سیگنال‌های fMRI در طول ثانیه‌ها، به علاوه فرضیات آماری لازم برای قرار دادن مغزهای بسیار متغیر افراد در قالب‌های نوروآناتومیکی استاندارد، محدودیت‌های قابل توجهی را اعمال می‌کند، اما این محدودیت‌ها از محبوبیت fMRI نکاسته است.

FIGURE 1.21 fMRI of a patient’s brain that harbored a right frontal lobe glioma (gray area). When asked to move the left hand, greater activity was observed within the right motor and sensorimotor cortices compared to the resting state. Since the activity was not close to the tumor, the surgeon could operate with assurance that the motor control of the hand would not be affected. Red-to-yellow indicates increasing relative strength of brain activity. (From Goodyear et al., 2014.)

شکل ۱.۲۱ fMRI از مغز بیماری که دارای گلیومای لوب پیشانی راست (ناحیه خاکستری) بود. وقتی از او خواسته شد دست چپش را حرکت دهد، فعالیت بیشتری در قشر حرکتی و حسی-حرکتی راست در مقایسه با حالت استراحت مشاهده شد. از آنجایی که فعالیت نزدیک به تومور نبود، جراح می‌توانست با اطمینان از اینکه کنترل حرکتی دست تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد، عمل کند. قرمز به زرد نشان دهنده افزایش نسبی قدرت فعالیت مغز است. (از Goodyear و همکاران، 2014.)

MEG provides a way of localizing brain function with better temporal resolution than fMRI. Thus, MEG is sometimes used to map changes in brain function with millisecond resolution rather than the lower temporal resolution of seconds afforded by fMRI. MEG, as its name suggests, records the magnetic consequences of brain electrical activity rather than the electrical signals themselves. Thus, unlike its close relative EEG, MEG detects independent sources of current flow, without reference to other currents. The magnetic signals that MEG recordings detect are quite local, and there is fairly good spatial resolution (a few mm) of the signal origin; thus, one can detect dynamic electrical activity in the brain with temporal resolution that approximates the key events in neuronal electrical signaling (i.e., action potentials and synaptic potentials) and can record the location of the source of that activity. For MEG recording, an array of individual detector devices called SQUIDs (superconducting quantum interference devices) is arranged as a helmet and fitted onto the individual. The individual is then placed in a biomagnetometer scanner that amplifies the signals detected by the SQUID (Figure 1.22).

MEG روشی برای مکان‌یابی عملکرد مغز با وضوح زمانی بهتری نسبت به fMRI ارائه می‌دهد. بنابراین، MEG گاهی اوقات برای نقشه‌برداری از تغییرات عملکرد مغز با وضوح میلی‌ثانیه‌ای به جای وضوح زمانی پایین‌تر ثانیه‌ای که fMRI ارائه می‌دهد، استفاده می‌شود. MEG، همانطور که از نامش پیداست، پیامدهای مغناطیسی فعالیت الکتریکی مغز را به جای خود سیگنال‌های الکتریکی ثبت می‌کند. بنابراین، برخلاف EEG که خویشاوند نزدیک آن است، MEG منابع مستقل جریان جریان را بدون ارجاع به جریان‌های دیگر تشخیص می‌دهد. سیگنال‌های مغناطیسی که ضبط‌های MEG تشخیص می‌دهند کاملاً محلی هستند و وضوح مکانی نسبتاً خوبی (چند میلی‌متر) از مبدا سیگنال وجود دارد. بنابراین، می‌توان فعالیت الکتریکی پویا را در مغز با وضوح زمانی که رویدادهای کلیدی در سیگنال‌دهی الکتریکی عصبی (یعنی پتانسیل‌های عمل و پتانسیل‌های سیناپسی) را تقریب می‌زند، تشخیص داد و می‌توان مکان منبع آن فعالیت را ثبت کرد. برای ثبت MEG، مجموعه‌ای از دستگاه‌های آشکارساز منفرد به نام SQUID (دستگاه‌های تداخل کوانتومی ابررسانا) به صورت کلاه ایمنی چیده شده و بر روی فرد نصب می‌شود. سپس فرد در یک اسکنر بیومغناطیس‌سنج قرار می‌گیرد که سیگنال‌های شناسایی شده توسط SQUID را تقویت می‌کند (شکل 1.22).

FIGURE 1.22 Magnetoencephalography (MEG) provides greater temporal resolution with useful spatial resolution. The individual is fitted with a helmet that includes several magnetic detectors (a SQUID array) and then is placed in a biomagnetometer (the large cylindrical structure) that can amplify the small local changes in magnetic field orientation or strength that indicate fast temporal current flow changes in ensembles of neurons. MEG, like MRI and fMRI, is noninvasive.The temporal resolution of MEG permits millisecond resolution of electrical activity in the human brain before, during, and after performance of a variety of tasks (displayed in color over a structural MRI of the same brain that has been “inflated” to reveal cortex folded into sulci and fissures). In this case, a digit was moved in response to a specific sensory cue. There was some “anticipatory” activity in the region of the somatosensory as well as motor cortices where the digit was represented. As the movement began, this baseline activity increased so that a wider region of both the somatosensory and motor cortices was activated. As the movement proceeded, the activity increased over the time of performance. (A courtesy of National Institute of Mental Health, National Institutes of Health, Department of Health and Human Services; B courtesy of Judith Schaechter, PhD, MGH Martinos Center for Biomedical Imaging.)

شکل ۱.۲۲ مگنتوانسفالوگرافی (MEG) وضوح زمانی بیشتری را با وضوح مکانی مفید فراهم می‌کند. کلاه ایمنی به فرد متصل می‌شود که شامل چندین آشکارساز مغناطیسی (یک آرایه SQUID) است و سپس در یک بیومغناطیس‌سنج (ساختار استوانه‌ای بزرگ) قرار می‌گیرد که می‌تواند تغییرات کوچک موضعی در جهت یا قدرت میدان مغناطیسی را که نشان دهنده تغییرات سریع جریان زمانی در گروه‌های نورونی است، تقویت کند. MEG، مانند MRI و fMRI، غیرتهاجمی است. وضوح زمانی MEG امکان وضوح میلی‌ثانیه‌ای از فعالیت الکتریکی در مغز انسان را قبل، حین و بعد از انجام وظایف مختلف فراهم می‌کند (به صورت رنگی بر روی MRI ساختاری همان مغز که برای نشان دادن قشر چین‌خورده در شیارها و شکاف‌ها “متورم” شده است، نمایش داده می‌شود). در این مورد، یک انگشت در پاسخ به یک نشانه حسی خاص حرکت داده شد. نوعی فعالیت “پیش‌بینی” در ناحیه قشر حسی-پیکری و همچنین قشر حرکتی که انگشت در آن نمایش داده شده بود، وجود داشت. با شروع حرکت، این فعالیت پایه افزایش یافت به طوری که ناحیه وسیع‌تری از هر دو قشر حسی-پیکری و حرکتی فعال شد. با ادامه حرکت، فعالیت در طول زمان اجرا افزایش یافت. (با تقدیر از موسسه ملی سلامت روان، موسسات ملی بهداشت، وزارت بهداشت و خدمات انسانی؛ با تقدیر از جودیت شچتر، دکترا، مرکز تصویربرداری زیست پزشکی MGH مارتینوس.)

These signals, like EEG signals, provide a map of current sources across the brain, using reference points (usually the ears and nose) to create a three-dimensional space. Given its millisecond (or even faster) temporal resolution combined with its spatial resolution, MEG can be used to evaluate local activity changes over time in individuals performing a variety of tasks. This allows for comparison of baseline activity before task initiation, changes during task performance, and activity after task completion (see Figure 1.22). In addition, MEG can be used to map the temporal characteristics as well as the brain localization of epileptic foci, reducing the need for intrasurgical brain surface electrode mapping. Even though MEG has reasonable spatial resolution, MEG maps alone often lack sufficient anatomical detail for some applications. Thus, MEG is often combined with structural MRI (see above), a combination referred to as magnetic source imaging, or MSI.

این سیگنال‌ها، مانند سیگنال‌های EEG، نقشه‌ای از منابع جریان در سراسر مغز را ارائه می‌دهند و از نقاط مرجع (معمولاً گوش‌ها و بینی) برای ایجاد یک فضای سه‌بعدی استفاده می‌کنند. با توجه به وضوح زمانی میلی‌ثانیه‌ای (یا حتی سریع‌تر) آن در ترکیب با وضوح مکانی، می‌توان از MEG برای ارزیابی تغییرات فعالیت موضعی در طول زمان در افرادی که وظایف مختلفی را انجام می‌دهند، استفاده کرد. این امر امکان مقایسه فعالیت پایه قبل از شروع کار، تغییرات در حین انجام کار و فعالیت پس از اتمام کار را فراهم می‌کند (شکل 1.22 را ببینید). علاوه بر این، MEG می‌تواند برای نقشه‌برداری از ویژگی‌های زمانی و همچنین محلی‌سازی مغز کانون‌های صرع استفاده شود و نیاز به نقشه‌برداری الکترود سطح مغز در حین جراحی را کاهش دهد. اگرچه MEG وضوح مکانی معقولی دارد، نقشه‌های MEG به تنهایی اغلب فاقد جزئیات آناتومیکی کافی برای برخی از کاربردها هستند. بنابراین، MEG اغلب با MRI ساختاری (به بالا مراجعه کنید) ترکیب می‌شود، ترکیبی که به عنوان تصویربرداری منبع مغناطیسی یا MSI شناخته می‌شود.

In sum, the use of modern structural and functional imaging methods has revolutionized human neuroscience. It is now possible to obtain images of the developing brain as it grows and changes, and of the living brain in action, assessing brain activity both in typical individuals and in individuals with neurological disorders.

در مجموع، استفاده از روش‌های تصویربرداری ساختاری و عملکردی مدرن، علوم اعصاب انسان را متحول کرده است. اکنون می‌توان تصاویری از مغز در حال رشد و تغییر، و مغز زنده در حال فعالیت، به دست آورد و فعالیت مغز را هم در افراد معمولی و هم در افراد مبتلا به اختلالات عصبی ارزیابی کرد.

Summary

The brain can be studied by methods ranging from genetics and molecular biology to behavioral testing and non-invasive imaging in healthy and neurologically compromised humans. Such studies have created ever-increasing knowledge about the organization of the nervous system. Many of the most notable successes in modern neuroscience have come from understanding nerve cells as the structural and functional units of the nervous system. The organization of neurons and glia into neural circuits provides the substrate for processing of sensory, motor, and cognitive information. The physiological characterization of the neurons and glia in such circuits, as well as more detailed analysis of the electrical properties of individual neurons, recorded with electrodes placed near or inserted inside the cell, provide insight into the dynamic nature of information processing, sensory maps, and the overall function of neural systems. Minimally invasive and non-invasive imaging methods can be used in humans with or without brain damage or disease. These methods can help integrate observations from animal models and human post-mortem analysis with structure and function in the living human brain. Among the goals that remain are understanding how basic molecular genetic phenomena are linked to cellular, circuit, and system functions; understanding how these processes go awry in neurological and psychiatric diseases; and understanding the especially complex functions of the brain that make us human.

خلاصه

مغز را می‌توان با روش‌هایی از ژنتیک و زیست‌شناسی مولکولی گرفته تا آزمایش رفتاری و تصویربرداری غیرتهاجمی در انسان‌های سالم و دارای مشکلات عصبی مورد مطالعه قرار داد. چنین مطالعاتی دانش روزافزونی در مورد سازماندهی سیستم عصبی ایجاد کرده‌اند. بسیاری از قابل توجه‌ترین موفقیت‌ها در علوم اعصاب مدرن از درک سلول‌های عصبی به عنوان واحدهای ساختاری و عملکردی سیستم عصبی حاصل شده است. سازماندهی نورون‌ها و گلیا در مدارهای عصبی، بستر پردازش اطلاعات حسی، حرکتی و شناختی را فراهم می‌کند. توصیف فیزیولوژیکی نورون‌ها و گلیا در چنین مدارهایی، و همچنین تجزیه و تحلیل دقیق‌تر خواص الکتریکی نورون‌های منفرد، که با الکترودهای قرار داده شده در نزدیکی یا داخل سلول ثبت می‌شوند، بینشی در مورد ماهیت پویای پردازش اطلاعات، نقشه‌های حسی و عملکرد کلی سیستم‌های عصبی ارائه می‌دهند. روش‌های تصویربرداری کم تهاجمی و غیرتهاجمی را می‌توان در انسان‌های دارای آسیب یا بیماری مغزی یا بدون آن استفاده کرد. این روش‌ها می‌توانند به ادغام مشاهدات از مدل‌های حیوانی و تجزیه و تحلیل پس از مرگ انسان با ساختار و عملکرد در مغز انسان زنده کمک کنند. از جمله اهدافی که باقی مانده‌اند، درک چگونگی ارتباط پدیده‌های ژنتیکی مولکولی اساسی با عملکردهای سلولی، مداری و سیستمی است. درک چگونگی اختلال در این فرآیندها در بیماری‌های عصبی و روانی؛ و درک عملکردهای پیچیده مغز که ما را به انسان تبدیل می‌کند.

ADDITIONAL READING