Разное

Функциональные снимки поясничного отдела позвоночника: Функциональный рентген позвоночника — рентген позвоночника с функциональными пробами у метро Славянский бульвар

09.01.1973

Содержание

ᐉ Рентген поясничного отдела позвоночника: как делают, что показывает

Очень часто нас мучают боли в пояснице. Наклонимся как-то не так, поносим тяжести и т.п и вот уже не можем разогнуться, страдаем от боли. Или же боль может возникнуть без видимой причины. Так как в области поясницы находится много внутренних органов (почки, кишечник и т.п.) то первым делом нужно выяснить причину появления болей. С такими жалобами пациент должен обращаться к врачу-невропатологу. Для постановки диагноза, врач назначает обследование. В основном, это рентгенография поясничного отдела позвоночника или МРТ того же отдела. Если в позвоночнике проблема обнаружена не будет, то пациент будет направлен на обследование к специалисту в области внутренних органов.

Изображение пояснично-крестцового  отдела позвоночника

Поясничный отдел позвоночника (ПОП) – это часть позвоночного столба, состоящий из 5 позвонков. V позвонок соединён с крестцом, к которому крепятся тазовые кости.

Показания

С чем обращается пациент к врачу?

Чаще всего, это неврологические симптомы:

  • болевые ощущения в спине, ягодицах, тазобедренных суставах
  • затруднённость движения в пояснице
  • онемение, холод, боли в нижних конечностях

Вертеброневрологические (см. статью) состояния:

  • искривление позвоночника (врождённое или приобретённое)
  • изменения в осанке

Травматическая природа:

  • боли в результате травмы
  • повреждения позвоночника и тел позвонков

Рентген поясничного отдела позвоночника показан в любом из этих случаев.

Противопоказания и ограничения

Как и любая другая процедура, связанная с ионизирующим излучением, рентгенологическое исследование поясничного отдела нежелательно проводить без назначения врача. Пучок рентгеновского излучения идёт на область поясницы, в которой сосредоточены важные внутренние органы. И, хотя само воздействие ионизирующего излучения длится доли секунды, неоправданно частое проведение рентгена поясничного отдела теоретически может негативно сказаться на здоровье пациента. Категорически запрещается без жизненных показателей проводить данное обследование беременным женщинам.

Подготовка к исследованию

В брюшной полости находится кишечник. При рентгене поясничного отдела, содержимое кишечника может наложиться на картинку позвонков. Клиника Меддиагностика располагает новейшим цифровым рентген-аппаратом, способным сделать качественный снимок поясничного отдела даже без подготовки, но в идеале, особенно людям с избыточным весом, перед тем как делать рентген поясничного отдела позвоночника стоит провести очищение кишечника.

Накануне исследования, необходима очистка кишечника с помощью слабительного или клизмы. Делать рентген поясничного отдела лучше с утра, предварительно легко позавтракав. Не рекомендовано проводить обследование натощак, по причине появления в кишечнике газов, которые накладываются на изображение позвоночника. Желателен лёгкий завтрак, в состав которого не должны входить хлеб, капуста, бобовые.

Что показывает

Рентгенография поясничного отдела позвоночника – это исследование, направленное на изучение состояния тел позвонков, их стояние относительно друг друга и к тазовым костям.

Рентгенолог оценивает визуальную картинку:

  1. тел позвонков (наличие/отсутствие патологии)
  2. высоту тел позвонков
  3. изменения в костной структуре позвонков
  4. контуры позвоночного столба (наличие/отсутствие деформации)
  5. дополнительные тени, костные разрастания на телах позвонков

Как проводится исследование

Рентгенография поясничного отдела позвоночника достаточно простое исследование, как для пациента, так и для рентгенолога. Единственным неудобством в процессе может стать болевой синдром у пациента.

Рентген поясничного отдела производится в 2-ух проекциях (прямой и боковой).

Сама процедура проходит в несколько этапов:

Для прямой проекции:

  1. 1пациент снимает верхнюю одежду и обувь.
  2. пациент должен лечь на процедурный стол на спину (в этом случае он может испытывать боль, так как стол твёрдый и находится достаточно высоко над полом, и пациенту не очень удобно ложиться на него)
  3. рентгенолог центрирует излучатель рентген-аппарата на поясничный отдел, максимально уменьшив поле облучения. Грудь, щитовидка и органы малого таза закрываются средствами защиты.
  4. производится рентгенограмма в прямой проекции.

Для боковой:

  1. рентгенолог просит пациента повернуться на бок. Какой именно бок – особого значения не имеет.
  2. Руки отводятся от интересующей области, ноги сводятся вместе и сгибаются в коленях. Трубка центрируется на область поясничного отдела, прилегающие места закрываются защитой.
  3. рентгенолог производит снимок.

После этого пациент может вставать и одеваться. После того, как изображение, полученное в результате рентгена поясничного отдела, будет обработано, врач-рентгенолог сделает заключение. Пациент получает на руки плёнку (или компакт-диск) с изображением и описание исследования. Всё это происходит с минимальной затратой времени.

Также врач может назначить рентгенографию поясничного отдела позвоночника с функциональными пробами. Это исследование проводится по тому же принципу и для тех же целей, что и (см. Рентген шейного отдела позвоночника с функциональными пробами). Разве что меняется область исследования.

Посмотреть цена на рентген поясничного отдела позвоночника

Записаться на приём Как проехать

Рентгенография поясничного отдела позвоночника с функциональными пробами

Рентгенография поясничного отдела с функциональными пробами является информативным и безопасным обследованием. Дает возможность визуализировать структуры позвоночника, оценить расстояние между позвоночными дисками, изучить подвижность отдельных сегментов.

Показания

Исследование назначается в травматологии, ортопедии и неврологии для диагностики врожденных аномалий, патологических деформаций и невропатологий. Показаниями к проведению являются:

  • болевой синдром;
  • ограничение двигательной функции;
  • подозрения на грыжу Шморля, протрузию, опухолевые процессы;
  • травмы и врожденные аномалии;
  • патологический изгиб;
  • потеря чувствительности нижних конечностей.

Рентгенограмма позволяет выявить локализацию воспалительного процесса или травматического поражения, первичные опухоли и метастазы. В зависимости от характера патологии выявляется изменение формы и размеров позвонков, стадии развития дегенеративных изменений, нарушение целостности различных структур, в т. ч. межпозвоночных дисков.

Методика проведения

Стандартное исследование осуществляется в прямой и боковой проекции, для более четкой визуализации структур позвоночника пациент размещается лежа на спине с согнутыми в коленях ногами. В этом положении поясничный отдел максимально выпрямлен и прижат к кассете. При патологическом поясничном лордозе (изгиб кпереди) снимок в прямой проекции выполняют в положении лежа на животе. Иногда возникает необходимость в использовании правой/левой, передней/задней косых проекций.

Снимки поясничного отдела с функциональными пробами выполняют для оценки подвижности исследуемой зоны и возможных смещений позвонков. Процедура не доставляет пациенту неудобств, обычно рентгенолог просит наклониться вправо-влево в прямой проекции, согнуть или разогнуть поясничный отдел в боковой проекции. Больным с ограниченной подвижностью, исследование выполняют по специальной методике на мобильных аппаратах.

Подготовка к рентгенографии поясничного отдела

Наличие в кишечнике каловых масс и избыточное скопление газа не позволяют рентгенологу получить достоверную картину, поэтому, несмотря на простоту, исследование требует специальной подготовки.

  1. За три дня до мероприятия рекомендуется исключить из рациона продукты, вызывающие метеоризм: бобовые, газированные напитки, капусту и черный хлеб.
  2. Для лучшего усвоения пищи показан прием ферментативных препаратов (Мезим, Юниэнзим, Панкреатин) согласно инструкции.
  3. Процедура выполняется натощак; накануне рекомендуется принять слабительные средства и провести очистительную клизму.

Рентгенологическое исследование не рекомендовано беременным женщинам, что обусловлено высокой чувствительностью плода к тератогенному воздействию ионизирующего излучения.

Функциональная рентгенография пояснично-крестцового отдела позвоночника

В медицинской диагностике одно из ведущих мест занимают лучевые методы исследования, в число которых входит рентген.

Рентген – одно из самых простых и экономичных исследований, позволяющее исследовать тело пациента в нескольких проекциях, а также точно оценить функциональные особенности исследуемого органа.

Из-за длительной сидячей работы часто происходят искривления позвоночника и другие деформации. Если вы испытываете постоянную боль в спине, обратитесь на приём к врачу. При наличии показаний придётся пройти исследование.

Когда назначают рентгенограмму пояснично-крестцового отдела позвоночника?

  • подозрение на деформацию костных тканей позвоночного столба

  • жалобы пациента на боль в области крестца и поясницы

  • тремор

  • искривление позвоночника

  • онемение или покалывание в ногах

  • подозрение развития ревматологических болезней

  • онкологические процессы в костных тканях позвоночника

  • травматические повреждения позвонков

  • дегенеративные изменения в поясничном отделе позвоночника

  • судороги мышц нижних конечностей

  • врождённые патологии позвоночника

Что показывает рентген?

  • патологический изгиб позвоночника

  • износ костей и хрящей

  • сужение позвоночника

  • заболевания инфекционного характера

  • опухоли

  • смещение позвонков

  • деформацию суставов

Как правильно подготовиться к рентгену пояснично-крестцового отдела позвоночника?

Чтобы исследование показало достоверную информацию, необходимо заранее подготовиться перед походом в диагностический кабинет.

Повышенное газообразование и вздутие живота может исказить результаты рентгена. Поэтому для подготовки нужно придерживаться специальной диеты в течение нескольких дней. За 3 дня до проведения обследования нельзя употреблять в пищу бобовые, капусту, сырые овощи и фрукты, ржаной хлеб, газированные напитки. Нельзя пить алкоголь и стоит воздержаться от курения.

После последнего ужина кишечник необходимо очистить. Можно сделать очистительную клизму или принять любой слабительный препарат.

Рентген поясницы в медицинской клинике «Медюнион»

В клинике установлен новейший цифровой диагностический аппарат, который оснащен устройством для цифровой обработки рентгеновского изображения. Оно выводится на монитор и предоставляет врачу возможность оценить средний уровень плотности тени и суммарный диапазон между светлой и темной частями изображения.

После проведения процедуры изображение в распечатанном виде выдается на руки пациенту, а в оцифрованном сохраняется в архиве клиники. При необходимости оно может быть поднято – для наблюдения состояния пациента в динамике. Но самое главное, что при использовании цифрового рентген-аппарата, пациент подвергается намного меньшей лучевой нагрузке, чем при использовании аналогового.

Записаться на диагностику в клинику «Медюнион» можно, позвонив по телефону +7(391) 201-03-03 или заполнив онлайн-форму на сайте.


Рентгенологическое отделение • Госпиталь ветеранов войн

  •          Контактная информация:
  •     Телефон (3842) 58-13-04 — рентгенологический кабинет 
        Режим работы:
  • Рентгенологический кабинет стационара с 08:00 до 09:00.
  • Рентгенологический кабинет поликлиники с 08:00 до 18:00.
  • Кабинет остеоденситометриии с 09:00 до 14:00 прием пациентов, с 08:00 до 09:00 ежедневная калибровка аппарата
  • Прием заведующего отделением с 08:00 до 14:00

  • В 2017 ГОДУ В ОТДЕЛЕНИИ УСТАНОВЛЕН КОСТНЫЙ ДЕНСИТОМЕТР «Prodigy Primo» для диагностики остеопороза  (читать подробнее о методе)
  • РЕНТГЕНОДЕНСИТОМЕТРИЯ ПОЯСНИЧНОГО ОТДЕЛА ПОЗВОНОЧНИКА И РЕНТГЕНОДЕНСИТОМЕТРИЯ ПРОКСИМАЛЬНОГО ОТДЕЛА БЕДРЕННОЙ КОСТИ
  • ИССЛЕДОВАНИЕ  В ОБЯЗАТЕЛЬНОМ ПОРЯДКЕ ПРОВОДИТСЯ В 2-Х ОБЛАСТЯХ!
  • ТЕЛЕФОН ДЛЯ ИНФОРМАЦИИ И ЗАПИСИ — 8(384-2) 581-304 


Рентгенологическое отделение располагается на 1, 2 этажах здания.

Функционально состоит из трех кабинетов:

  • Рентгенологический кабинет стационара, в котором установлен рентгенологический аппарат для проведения рентгеноскопии ЖКТ КРД ОКО производства Электрон г. Санкт-Петербург
  • Рентгенологический кабинет поликлиники, в котором установлен аппарат ПСШ (поворотный стол штатив) Appelem DX-90 (Франция) на два рабочих места
  • Специализированный кабинет остеоденситометрии, оснащенный современным стационарным костным денситометром Prodigy Primo

Отделение создано для оказания квалифицированной рентген — диагностической помощи населению г. Кемерово и Кемеровской области, оснащено современным оборудованием, том числе проявочными автоматами, что обеспечивает повышение качества рентгенограмм и ускорение процесса обработки снимков 

  • Работа проводится с пациентами, как стационара, так и поликлиники:
  • Контингентом особого внимания
  • Прикрепленным по ОМС и ДМС населением
  • Оказывает платные услуги не прикрепленным пациентам (сверх территориальной программы государственных гарантий)  

ПРОВОДИМЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
  • Рентгенография органов грудной клетки в одной проекции
  • Рентгенография органов грудной клетки в двух проекциях
  • Рентгенография шеи по Земцову
  • Рентгеноскопия пищевода, желудка, 12-перстной кишки
  • Рентгенография брюшной полости
  • Ирригоскопия классическая, методом первичного двойного контрастирования
  • Пассаж бариевой взвеси по тонкой, толстой кишке
  • Рентгенография черепа в двух проекциях
  • Рентгенография турецкого седла, внутри ротовой снимок 1-го шейного позвонка
  • Аксиальный снимок черепа
  • Рентгенография височных костей в специальной укладке( по Шуллеру, Майеру, Стенверсу)
  • Рентгенография придаточных пазух носа
  • Гайморография
  • Рентгенография плеча, бедра, голени, костей таза
  • Рентгенография локтевого, плечевого, голеностопного, лучезапястного суставов
  • Рентгенография коленного сустава, стопы, предплечья, кисти
  • Функциональные снимки стоп с морфометрией
  • Рентгенография шейного отдела позвоночника в двух проекциях
  • Рентгенография шейного отдела позвоночника с функциональными пробами
  • Рентгенография шейного отдела позвоночника с функциональными пробами + косые снимки
  • Рентгенография грудного отдела позвоночника в двух проекциях
  • Рентгенография грудного отдела позвоночника в двух проекциях стоя с морфометрией
  • Рентгенография поясничного отдела позвоночника + прицельный снимок L5-S1
  • Рентгенография поясничного отдела позвоночника с функциональными пробами
  • Рентгенография крестца, копчика
  • Рентгенография крестцово-подвздошных сочленений
  • Фистулография любого органа
  • Линейная томография любого органа
  • Двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия (остеоденситометрия) 
    • ПРАВИЛА ПОДГОТОВКИ К РЕНТГЕНОЛОГИЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ 
    • ИРРИГОСКОПИЯ

       

      За 1 — 2 суток до исследования из питания пациента исключают продукты, вызывающие газообразование: хлеб, молоко, бобовые, яблоки, виноград. При метеоризме 3 раза в сутки дают настой ромашки или по 2 — 3 таблетки активированного угля. Пакет «Фортранс» растворяют в 1 литре кипяченой воды или минеральной воде без газа. Подготовка включает прием 3 пакетиков (соответственно растворенных в 3 литрах воды).Принимают однократно вечером, накануне исследования начиная с 16 часов по 1 литру препарата в течение 1 час (каждые 15 минут по 250мл). Утром перед исследованием легкий завтрак.

       

    • РЕНТГЕНОСКОПИЯ ЖЕЛУДКА И ДВЕНАДЦАТИПЕРСТНОЙ КИШКИ

       

       Исследование проводится на голодный желудок.

       

    •  ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЯСНИЧНОГО ОТДЕЛА ПОЗВОНОЧНИКА, КОСТЕЙ ТАЗА, КРЕСТЦА И КОПЧИКА + В\В УРОГРАФИИ

       

      За 1 — 2 суток до исследования из питания пациента исключают продукты,вызывающие газообразование: хлеб, молоко, бобовые, яблоки, виноград. При метеоризме 3 раза в сутки дают настой ромашки или по 2 — 3 таблетки активированного угля. Утром перед исследованием легкий завтрак. 

       

       
    • ОБЩИЕ ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ
  • Проведение массовых профилактических рентгеноскопических и флюорографических исследований детям
  • Флюорографию молочных желез у женщин
  • Рентгеноскопию различных органов с профилактической целью
  • Проведение рентгенологических исследований беременным женщинам и кормящим матерям без строгих клинических показаний
  • Аллергическая реакция на йод содержащие препараты ( при проведении в/в урографии)
  • Противопоказания к проведению остеоденситометриии
  • Беременность
  • Эпилепсия с частыми судорожными припадками
  • Истерия, психозы
  • Возраст менее 2 лет и более 80 лет 

Уважаемые пациенты, во время пребывания в рентгенологическом отделении, пожалуйста, отключайте мобильные телефоны и соблюдайте тишину!  

  • Для получения наилучших результатов обследования строго соблюдайте рекомендации по подготовке к исследованиям!
  • Учитывайте противопоказания к проведению процедур! 
  • Многократное лучевое обследование опасно для здоровья! 

Прейскурант на платные медицинские услуги сверх программы государственных гарантий 

 

 

Рентген поясничного отдела позвоночника (поясницы)

directions

С болевыми ощущениями в области поясницы сталкивался практически каждый человек. Сидячий образ жизни, особенно у офисных работников, водителей и других специалистов, проводящих много времени в сидячем положении, чрезмерные физические нагрузки, неправильное выполнение физических упражнений и другие негативные факторы способствуют возникновению болей в области поясницы, но не являются исчерпывающими причинами возникновения недугов. Если дискомфорт в области поясницы начинает Вас мучить, боли становятся сильными и регулярными и длятся более 3 месяцев – это явный сигнал обратиться за помощью к врачу. Ведь очень часто боли в спине, особенно в поясничном отделе, могут говорить о проблемах не только позвоночника, но и почек и других органов, расположенных рядом. Выявить причину недуга, поставить правильный диагноз, назначить эффективное лечение компетентен только врач. Чаще всего в случае длительных болезненных ощущений в области поясничного отдела позвоночника Вам предложат рентгенологическое исследование поясницы.


Врачи-специалисты

Рентгенолаборант

Рентгенолаборант

В настоящее время на сайте ведутся работы по изменению прайс-листа, актуальную информацию уточняйте по тел: 640-55-25 или оставьте заявку, с Вами свяжется оператор.

Цены на услуги

  • Рентгенография пояснично-крестцового отдела позвоночника в боковой проекции 900a
  • Рентгенография пояснично-крестцового отдела позвоночника в прямой проекции 900a
  • Рентгенография пояснично-крестцового отдела позвоночника в условиях выполнения функциональных проб 2650a

Информация и цены, представленные на сайте, являются справочными и не являются публичной офертой.

Наши клиники в Санкт-Петербурге

Медицентр Юго-Запад
Пр.Маршала Жукова 28к2
Кировский район
  • Автово
  • Проспект Ветеранов
  • Ленинский проспект

Получить подробную информацию и записаться на прием Вы можете по телефону +7 (812) 640-55-25

Рентгенография поясничного отдела позвоночника на сегодняшний день, когда рентгенодиагностическая аппаратура имеется практически в каждой поликлинике и медицинском центре, является одним из самых востребованных, быстрых и простых способов диагностического исследования.

Если Вы ищите в Петербурге клинику с хорошей и безопасной рентгенологической аппаратурой, то в сети многопрофильных клиник «Медицентр» Вы можете сделать рентгенологическое исследование поясничного отдела позвоночника. Травматологическое отделение «Медицентра» принимает пациентов без выходных и праздничных дней. Отделение оборудовано высокотехнологичной рентгенологической аппаратурой итальянского производства Clinomat, позволяющей быстро, качественно, эффективно делать рентген — снимки различных областей тела, а полученные результаты исследования изучать в различных режимах обработки. Квалифицированные врачи — хирурги, травматологи, неврологи, ортопеды и другие специалисты «Медицентра» окажут Вам первую помощь при травмах, проведут тщательный осмотр, необходимые обследования и назначат курс лечения и восстановления.

Что показывает рентгенография поясничного отдела позвоночника

С помощью рентгенологического исследования поясничного отдела позвоночника можно оценить состояние костной ткани позвонков, увидеть наличие жидкости, изменения межпозвоночных дисков, опухолевые процессы и другие новообразования, травмы, паракостальные изменения и т.д.

Показания к проведению рентгенологического исследования поясничного отдела

Конечно, далеко не все жалобы пациента на боль в пояснице требуют рентгена поясничного отдела позвоночника. Но существуют симптомы и подозрения на определенные недуги, при которых показан рентген поясницы:

  • длительные боли в области спины, поясницы, конечностей;
  • грыжевые образования;
  • новообразования, протрузии;
  • опухолевые процессы;
  • чувство онемения конечностей;
  • грыжи Шморля;
  • травмы различного характера;
  • родовые травмы;
  • врожденные аномалии;
  • искривления позвоночника;
  • двигательные расстройства;
  • предоперационный контроль;
  • контроль эффективности лечения и т.д.

Противопоказания к рентгенологическому исследованию поясничного отдела позвоночника

Несмотря на простоту и информативность данного диагностического метода, существуют и противопоказания к рентгену поясницы:

  • беременность;
  • критическое состояние пациента;
  • некоторые психические и неврологические заболевания;

В любом случае направление на рентгенографию дает врач, которому, если нет видимых признаков вышеуказанных состояний, необходимо сообщить о возможных предпосылках к отказу от рентгена.

Подготовка к рентгенографии поясничного отдела позвоночника

Для того, чтобы обследование было эффективным, а рентгеновский снимок точным, необходимо перед проведением рентгенографии соблюдать определенные рекомендации. За несколько дней до рентгена поясничного отдела позвоночника важно соблюдать диету. Из рациона следует исключить продукты и напитки, вызывающие повышенное газообразование (некоторые овощи, фрукты, хлеб, газированные напитки и т.д.). Вечером накануне обследование нужно сделать очистительную клизму и повторить ее утром перед рентгенографией поясничного отдела.

Проведение рентгенологического исследования поясничного отдела позвоночника

В основном рентгенография поясницы делается в положении лежа с согнутыми ногами в двух проекция – прямо задней и боковой. Иногда требуется косая проекция.

Главное во время рентгенографии оставаться некоторое время без движения. Обследование занимает от 5-15 минут и совершенно безболезненно.

1176,871,817,737,1299,832

Иванова Ольга Сергеевна 18.12.2020 23:15
medi-center.ru

Огромная благодарность Шаговой Любови Сергеевне! Три недели не могла решить свою проблему со здоровьем, но тут, по совету знакомой, записалась к Любовь Сергеевне, и это любовь с первого взгляда! И все лечение очень помогло, и сама врач очень помогла. Очень приветливая и вежливая доктор!

Гришин Сергей Андреевич 19.10.2020 18:16
medi-center.ru

Наблюдались с Covid всей семьей в Меди-центре на Охтинской. От всех нас огромный привет и благодарность Дерешовскому Александру Сергеевичу и Алетдинову Жану Вячеславовичу. Эти бесстрашные сталкеры ежедневно ходят в запретные зоны брать мазки, обследовать и назначать лечение, успокаивать и консультировать больных, оказывать им психологическую помощь. Приятно было увидеть Александра Сергеевича в должности врача, поздравляем с окончанием академии!

Добры день всем, хочу выразить благодарность врачу-неврологу Братановой Ирине Валерьевне. На прием пришел с параличом лицевого нерва, левая сторона лица была практически парализована. Как оказалось, иглорефлексотерапия вполне успешно лечит такие болезни, спустя пару сеансов были заметны изменения в лучшую сторону, а на 8-9-м все пришло в норму, считаю это не только своей заслугой, но и врача :). Цены на ИРТ по району кстати довольно умеренные, а клиника на ул.Поликарпова 6 произвела хорошее впечатление.

Хочу выразить большую благодарность клинике на аллее Поликарпова 6к2, всегда вежливые, доброжелательные девушки на ресепшн. Помогли удобно состыковать время приёма врачей. А также отдельно поблагодарить замечательнейшего доктора Гиндрюк Василия Васильевича за профессионализм, заботу и внимание! Наблюдаться у него одно удовольствие!!!

Все понравилось. Врач у которого я была, ответственно отнёсся к моему вопросу.

Здравствуйте. Сегодня делала ЭЭГ и ЭХО . Была приятно удивлена работой центра. Все четко по времени. Оба врача ооочень внимательные и доброжелательные. Все ясно объяснили. Спасибо им за это. И что не мало важно — ни каких услуг не навязывали. Большая благодарность. Очень рекомендую данный центр.

Рентгенография в Химках: цены, запись к врачу

Рентген в Химках

В медицинском центре «Гиппократ» наши пациенты могут пройти рентгенологическое исследование. В клинике представлен современный цифровой аппарат. Рентгеновская трубка марки Siemens ( Германия). Рентген можно сделать как взрослым, так и детям. Если Вы обратились на прием к специалисту, и он направил вас на рентген, не нужно искать его где-то. Для вашего максимального удобства всегда можно пройти рентгенологическое исследование у нас.

Рентген – это один из наиболее достоверных методов диагностики.

Цифровой рентген — новейшая разработка в области исследования органов и тканей для взрослых и детей. Один из наиболее достоверных методов диагностики. Врачи-рентгенологи отделения с большим опытом работы более 10 лет. Обычный рентген, в отличие от цифрового, до сих пор практикуется почти во всех медицинских учреждениях, однако у него есть и свои недостатки. Снимки могут потеряться, к тому же качество изображения часто не отвечает всем требованиям. Стандартное изображение на плёнке со временем теряет качество, тускнеет и царапается в отличие от цифрового аналога. Использование цифрового оборудования увеличило качество и информативность исследования.

Цифровые детекторы в 5 раз чувствительней фотопленки, обладают максимальной разрешающей способностью. Цифровой рентген аппарат позволяет увидеть детали размером 0,3–2 мм.

На компьютере можно выделить, увеличить максимум в 4 раза и детально обследовать интересующий фрагмент изображения.

Лучевая нагрузка на пациента при цифровой рентгенографии снижается в 9–10 раз. Если пленочный аппарат при обычной флюорографии требует дозы в 0,3 милизиверт, то для цифрового исследования достаточно 0,03 мЗв.

Время обработки результатов не превышает 10 минут.

Преимуществами нашего рентгена являются:

  • Минимальная лучевая нагрузка на пациента
  • Высокое качество и разрешение снимков
  • Возможна запись на электронный носитель
  • Индивидуальные программы для детей
  • Получение снимка в течение 10 минут
  • Нет необходимости использовать пленку

Цифровая рентгенография не имеет противопоказаний, при острой необходимости проводится в период беременности и детям младшего возраста. Рентгенологические волны не обладают свойством накопления в организме.

Наименование услуги Цена
Запись рентгенологического снимка на диск CD ROM 450
Печать дубликата рентгенологического снимка 450
Рентгенография скуловой кости (2 проекции) 1650
Рентгенография всего черепа, в одной или более проекциях (боковая проекция) 1750
Рентгенография всего черепа, в одной или более проекциях (2 проекции) 2200
Рентгенография первого и второго шейного позвонка (через открытый рот) 1600
Рентгенография шейного отдела позвоночника (2 проекции) 2000
Рентгенография грудного отдела позвоночника (2 проекции) 2000
Рентгенография поясничного отдела позвоночника (2 проекции) 2100
Рентгенография поясничного и крестцового отдела позвоночника (2 проекции) 2550
Рентгенография крестца (2 проекции) 2200
Рентгенография позвоночника с функциональными пробами (шейный отдел) (2 снимка) 2550
Рентгенография позвоночника с функциональными пробами (поясничный отдел) (2 снимка) 2550
Рентгенография ключицы 1650
Рентгенография ребер 1750
Рентгенография грудины 1750
Рентгенография лопатки 1500
Рентгенография плечевой кости (2 проекции) 2100
Рентгенография локтевой кости и лучевой кости (костей предплечья) (2 проекции) 2100
Рентгенография кисти (1 проекция) 1400
Рентгенография кисти (2 проекции) 2000
Рентгенография фаланг пальцев кисти (1 палец — 2 проекции) 950
Рентгенография таза 2000
Рентгенография бедренной кости (2 проекции) 2100
Рентгенография большой берцовой и малой берцовой костей (костей голени) (2 проекции) 2100
Рентгенография пяточной кости (1 проекция) 1400
Рентгенография пяточной кости (2 проекции) 1750
Рентгенография стопы в одной проекции (1 проекция) 1750
Рентгенография стопы в двух проекциях (2 проекции) 2100
Рентгенография стопы с функциональной нагрузкой (для исследования поперечного плоскостопия) (1 снимок) 1850
Рентгенография стопы с функциональной нагрузкой (2 стопы) 2300
Рентгенография фаланг пальцев ноги (1 палец — 2 проекции) 1050
Рентгенография костей лицевого скелета (костей носа) (2 проекции) 1650
Рентгенография височно-нижнечелюстного сустава (2 проекции) 2000
Рентгенография локтевого сустава (1 проекция) 1750
Рентгенография локтевого сустава (2 проекции) 2100
Рентгенография лучезапястного сустава (1 проекция) 1750
Рентгенография лучезапястного сустава (2 проекции) 2100
Рентгенография коленного сустава (1 проекция) 1750
Рентгенография коленного сустава (2 проекции) 2100
Рентгенография плечевого сустава (1 проекция) 1750
Рентгенография плечевого сустава (2 проекции) 2100
Рентгенография тазобедренного сустава (1 проекция) 1750
Рентгенография тазобедренного сустава (2 проекции) 2100
Рентгенография голеностопного сустава (1 проекция) 1750
Рентгенография голеностопного сустава (2 проекции) 2100
Рентгенография нижней челюсти в боковой проекции, прямой или аксиальной (2 проекции) 2000
Рентгенография носоглотки (боковая проекция) 1650
Рентгенография придаточных пазух носа (1 проекция) 1400
Рентгенография придаточных пазух носа (2 проекции) 2000
Рентгенография органов грудной клетки (обзорная/прямая/боковая проекция, 1 проекция) 1400
Рентгенография органов грудной клетки (2 проекции) 2000
Рентгенография органов грудной клетки (3 проекции) 2300
Рентгенография глазницы (2 проекции) 1650
Рентгенография почек и мочевыводящих путей 2300
Ретроградная пиелография 4950
Ретроградная уретеропиелография 5550
Обзорная урография (рентгенография мочевыделительной системы) 1750
Обзорная рентгенография органов брюшной полости 1750
Комплесная компьютерная томография челюсти и придаточных пазух носа 4400
Компьютерная томография кости (костей носа) 4500
Компьютерная томография челюстно-лицевой области (2-4 рядом стоящих зубов) 1850
Компьютерная томография челюстно-лицевой области (верхней или нижней челюсти) 3450
Компьютерная томография придаточных пазух носа 4500
Ортопантомография 1500

Рентгенологическое отделение — Медицинский центр «Надежда» им. А.С. Аронович».

Внутривенная урография (обзорная, 7,14,21)4 500
Восходящая уретрография4 500
Гистеросальпингография(ГСГ-без снимков)9 500
Распечатка на рентгеновской пленке ( большой формат)500
Распечатка на рентгеновской пленке ( маленький формат)300
Рентгенография тазобедренного сустава в 1 проекции1 200
Рентгенография тазобедренного, коленного, плечевого, локтевого, лучезапястного, голеностопного суставов в 2-х проекциях1 600
Ретроградная уретрография4 500
Фистулография (контрастирование свищевого хода) глубокая1 800
Фистулография (контрастирование свищевого хода) поверхностная1 400
Цистография антеградная2 500
Рентгенография височной кости по Шюллеру или Майеру (4 снимка)1 900
Рентгенография глазниц или скуловых костей, костей носа в 2-х проекциях1 500
Рентгенография нижней челюсти в 2-х проекциях, височно-нижнечелюстного сустава1 500
Рентгенография носоглотки — боковая проекция (1 снимок)1 300
Рентгенография придаточных пазух носа в 1-й проекции (1 снимок)1 100
Рентгенография черепа в 2 проекциях1 500
Рентгенография черепа с проекцией турецкого седла1 100
Рентгенография бедра или голени или плеча или предплечья в 2-х проекциях1 100
Рентгенография лучезапястного сустава в 3-х проекциях1 900
Рентгенография пальца кисти, стопы в 2-х проекциях800
Рентгенография пяточной кости в боковой проекции700
Рентгенография стоп (на поперечное плоскостопие) с функциональной нагрузкой (1 снимок)1 200
Рентгенография стоп (на продольное плоскостопие) с функциональной нагрузкой (2 снимка)1 400
Рентгенография стопы или кисти, пяточной кости в 2-х проекциях1 200
Рентгенография  органов грудной полости обзорная1 100
Рентгенография брюшной полости (обзорная)1 500
Рентгенография ключицы, лопатки, грудины1 100
Рентгенография мочевыделительной системы (обзорная)1 100
Рентгенография органов грудной полости в 2-х проекциях1 600
Рентгенография органов грудной полости в боковой проекции1 000
Рентгенография ребер (2 снимка)1 300
Функциональные снимки поясничного отдела позвоночника (2 снимка по 2 проекции)1 900
Функциональные снимки шейного отдела позвоночника (2 снимка по 2 проекции)1 900
Рентгенография 1-го шейного позвонка через открытый рот600
Рентгенография грудного отдела позвоночника (2 снимка)1 500
Рентгенография костей таза1 600
Рентгенография крестцово-копчикового сочленения1 500
Рентгенография поясничного отдела позвоночника в 2-х проекциях1 500
Рентгенография шейного отдела позвоночника в 2 проекциях1 300

Возможные клинические применения функциональной МРТ позвоночника

Curr Pain Headache Rep. Автор рукописи; доступно в PMC 2010 3 августа.

Опубликован в окончательной отредактированной форме как:

PMCID: PMC21

NIHMSID: NIHMS222110

Автор, ответственный за переписку: Шон Макки, MD, PhD, Стэнфордский университет, 780 Welch Road, # 208 Альто, Калифорния 94304, США. [email protected] См. другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.

Abstract

Функциональная МРТ (фМРТ) спинного мозга — это неинвазивный метод получения информации о функции нейронов спинного мозга.В этой статье представлен краткий обзор последних достижений в области фМРТ спинного мозга и описаны возможные применения, а также ограничения, которые необходимо преодолеть, для использования фМРТ спинного мозга в клинике. Этот метод в настоящее время используется в исследовательских целях, но существует значительный потенциал для того, чтобы спинномозговая фМРТ могла стать важным клиническим инструментом.

Введение

Функциональная МРТ (фМРТ) нейрональной функции в головном мозге — недавнее дополнение к миру диагностической визуализации.Это приложение быстро стало широко используемым инструментом в медицинских и исследовательских областях для визуализации активности мозга с тех пор, как Ogawa et al. [1]. ФМРТ спинного мозга (спинномозговая фМРТ) — это неинвазивный инструмент, который можно использовать для исследования нейрональной активности и получения важной информации о функции спинного мозга. Применение фМРТ к спинному мозгу требует определенной модификации стандартной методологии фМРТ головного мозга, но применима теория традиционной фМРТ головного мозга.Прежде чем метод станет оптимальным для клинических целей, требуется дополнительная работа. В этой статье кратко рассматриваются последние разработки в области фМРТ спинного мозга и обсуждаются возможности и потенциальные применения использования фМРТ спинного мозга в клинике.

Обсуждение

ФМРТ спинного мозга выявляет функцию нейронов косвенно по изменениям кровотока и уровня кислорода в крови, происходящим вблизи метаболически активного серого вещества. В зависимости от параметров сканирования изменение сигнала возникает частично из-за контраста, зависящего от уровня кислорода в крови, на основе метаболической активности, которая происходит в активных нейрональных тканях [1], и частично из-за усиления сигнала от контрастирования внесосудистых протонов воды (SEEP). в результате увеличения содержания воды в активных нервных тканях [2,3 •].Предполагается, что этот механизм связан с набуханием нейронов и / или глиальными клетками, которые возникают в местах нейрональной активности. Кроме того, было показано, что усиление кровотока к активным тканям сопровождается повышенным внутрисосудистым давлением и повышенной продукцией внеклеточной жидкости в местах нейрональной активности. Итоговым эффектом является локальное увеличение содержания воды вблизи активных нервных тканей, вызывающее более высокую интенсивность сигнала магнитного резонанса. Таким образом, спинномозговая фМРТ определяет активность нейронов в сером веществе спинного мозга, что позволяет картировать ответы спинного мозга на сенсорную и двигательную стимуляцию.

Применение фМРТ в спинном мозге является логическим продолжением его использования в головном мозге, но развивается медленно из-за множества проблем, связанных с этим методом. Эти проблемы, а также шаги, предпринятые для их решения, обсуждаются в следующем тексте. Несмотря на проблемы, несколько групп исследуют фМРТ позвоночника. Опубликованные работы показали многообещающие результаты, с положительным акцентом на преодоление трудностей с получением фМРТ спинного мозга [4–8]. Использование фМРТ для исследования активности спинного мозга идеально, потому что спинной мозг, находящийся в пределах позвоночного столба, в противном случае можно оценить только методами физического обследования или инвазивными методами.

Развитие метода спинномозговой фМРТ неуклонно растет с тех пор, как Yoshizawa et al. Впервые описали его как выполнимый. в 1996 г. [9]. В последнее десятилетие было опубликовано больше работ, касающихся спинномозговой фМРТ, как на людях [4–6,9–13,14, 15–24], так и на исследованиях на животных [25–30]. Относительно небольшое количество публикаций в этой области, вероятно, отражает сложность получения функциональных изображений спинного мозга. Однако доступная литература показала, что фМРТ спинного мозга является надежным инструментом для оценки нейрональной функции спинного мозга, и в настоящее время она используется в исследовательских целях.К настоящему времени исследования показали, что клиническое использование спинномозговой фМРТ возможно.

ФМРТ спинного мозга фокусировалась на визуализации шейного и поясничного отделов спинного мозга во время сенсорной и моторной стимуляции рук [4,5,11], сенсорной стимуляции голени [12] и во время выполнения моторной задачи нижних конечностей. нога [17]. Доказательства того, что наблюдаемые изменения сигнала связаны с нейрональной активностью, обеспечивается соответствием между паттернами активности и установленной нейроанатомией. В раннем исследовании, включающем двигательную задачу и сенсорную стимуляцию руки, спинномозговая фМРТ оказалась надежной в отображении латеральности и распространения активности в спинном мозге [4].Последующие исследования спинномозговой фМРТ показали, что стимуляция определенных дерматомов отображается на соответствующие сегменты спинного мозга [11], а различные типы сенсорной стимуляции — на аналогичные области серого вещества [12]. Mackey et al. [6] продемонстрировали способность отображать активацию дорсального рога к тепловым ноцицептивным стимулам с разрешением, достаточным для дифференциации поверхностных и глубоких структур дорсального рога. Достигнута соответствующая соматотопическая картина активации шейного отдела спинного мозга на тепловые и холодовые раздражители.Было обнаружено, что изменения интенсивности сигнала в поясничном отделе спинного мозга зависят от температуры холодовой стимуляции и показали заметные различия между безвредной и вредной холодовой стимуляцией [12]. Изменения интенсивности сигнала, зарегистрированные при температуре 29 ° C, составили в среднем 2,6%, немного увеличились до 3,2% при 15 ° C, но резко увеличились до 7% при 10 ° C, температура, по сообщениям добровольцев, была неудобной или болезненной. Другое исследование аналогичным образом показало, что величина изменения интенсивности сигнала в спинном мозге зависит от силы стимула [15].Результаты показали, что спинномозговая фМРТ способна обнаруживать надежный нейрональный ответ на изометрическую двигательную задачу руки, а величина изменения сигнала пропорциональна силе, прикладываемой мышцей.

В клинической практике ФМРТ спинного мозга применялась для исследования поврежденного спинного мозга. Поясничный отдел спинного мозга был визуализирован во время ядовитой термической стимуляции дерматома L4 у добровольцев с полным и неполным повреждением спинного мозга [12,13]. Изменения интенсивности сигнала для травмированных групп были аналогичной величины и имели такую ​​же динамику, как и в здоровой группе.Однако области активности серого вещества были изменены. ФМРТ спинного мозга также использовалась для обнаружения нейрональной активности, вызванной пассивными и активными движениями нижних конечностей в областях каудальнее места повреждения у добровольцев с повреждением спинного мозга [31]. Активность была обнаружена у всех добровольцев независимо от степени травмы. Как при активном, так и при пассивном участии активность наблюдалась каудальнее места повреждения, хотя количество активных вокселей, обнаруженных при пассивном движении, было меньше, чем при выполнении задачи активного движения.Следовательно, спинномозговая фМРТ способна обнаруживать нейронный ответ в спинном мозге каудальнее места повреждения во время как активных, так и пассивных задач движения нижних конечностей, а также в ответ на вредный стимул, даже когда субъекты не могут чувствовать стимул. Таким образом, спинномозговая фМРТ полезна для выявления областей с нарушенной и сохраненной активностью у пациентов с травмой спинного мозга.

Возможные клинические применения

В настоящее время шкала оценки Американской ассоциации по травмам позвоночника (ASIA) [32] является стандартом для классификации повреждений спинного мозга.Это включает в себя серию обследований легким прикосновением и уколом булавкой, чтобы оценить, где у пациента сохранилось сенсорное восприятие. Чтобы определить сохранность двигательной функции, оценивается способность пациента двигать определенными ключевыми группами мышц. Этот метод физического обследования позволяет получить информацию о функции спинного мозга, но не раскрывает информацию о состоянии спинного мозга каудальнее места повреждения. Дальнейшая информация относительно состояния каудального отдела спинного мозга до уровня повреждения должна быть получена инвазивными методами или на основании рефлекторных действий.Электрофизиологические методы, такие как соматосенсорно-вызванный потенциал, Н-рефлекс или рефлексы растяжения, позволяют оценить остаточную функцию после травмы спинного мозга. Полезность этих методов ограничена неполным объемом информации, полученной с каждой мерой, так что для определения функции невязки требуется комбинация мер. Например, соматосенсорные вызванные потенциалы исследуют проводимость на больших участках тела, и на результаты могут влиять периферическое повреждение, повреждение нервных корешков или повреждение спинного мозга, при этом не обнаруживая, на каком участке пути произошло повреждение.Точно так же усиление рефлексов указывает на заболевание верхних мотонейронов, но не показывает степень повреждения, а также то, является ли повреждение полным или неполным. Хотя эти методы полезны для многих исследовательских приложений, они требуют специального оборудования и отнимают много времени. Следовательно, эти методы не используются в рутинной клинической практике. Таким образом, способность спинномозговой фМРТ определять активность нейронов ниже места повреждения у пациентов с травмой спинного мозга имеет большое значение для тех, кто оценивает травму, планирует стратегию лечения или контролирует восстановление функции во время и после лечения.

Хотя спинномозговая фМРТ еще не готова для рутинного клинического использования при исследовании повреждений спинного мозга, она, безусловно, пригодна для использования при оценке стратегий восстановления функций. Как уже говорилось, возможности других показателей, таких как соматосенсорные вызванные потенциалы или H-рефлекс, которые способны оценить остаточную функцию каудальнее травмы, ограничены, потому что они выявляют эффект, но не локализацию повреждения вдоль проводящего пути. Кроме того, эти методы инвазивны. Шкала оценки ASIA, хотя обычно используется для оценки и классификации повреждений и остаточной функции, не чувствительна к нейронным изменениям.Спинальная фМРТ станет более полезной по мере разработки стратегий вмешательства, поскольку она может обнаруживать различия в активности нейронов до и после лечения. ФМРТ позвоночника может стать важным инструментом для оценки эффективности вмешательств. В настоящее время оценочная шкала ASIA используется для отслеживания прогресса в исследовательских вмешательствах, и, как уже упоминалось, она не может обнаружить нейронные изменения. Точно так же спинномозговая фМРТ может служить для оценки эффектов фармакологического лечения на спинной мозг и функцию нервных корешков.Аналогичным образом, испытания лекарств от спастичности также могут принести большую пользу, опять же, потому что в настоящее время доступно мало неинвазивных методов, позволяющих объективно увидеть изменения в активности нейронов. Этот неинвазивный метод может показать, где функциональная активность возникает в ответ на стимул, независимо от способности пациента чувствовать стимул — функции, которой не хватает оценочной шкале ASIA. Следовательно, в случае повреждения спинного мозга, активность нейронов в спинном мозге как выше, так и ниже места повреждения можно отслеживать после первоначального повреждения для прогноза и принятия решений по стратегии восстановления функции, а также на протяжении всей реабилитации и в ответ на фармакологическое лечение.Можно разработать протокол, позволяющий проводить стандартную батарею тестов для оценки восходящей, нисходящей и рефлекторной активности.

ФМРТ использовалась для исследования ноцицептивной обработки и центральной сенсибилизации в головном мозге, чтобы лучше понять боль. Однако спинной мозг и ствол головного мозга также являются критическими центрами для ноцицептивной обработки перед посылкой сигналов в мозг и являются местами значительных функциональных нарушений при состояниях хронической боли. Известно, что хроническая невропатическая боль приводит к изменениям центральной нервной системы.ФМРТ спинного мозга можно использовать для изучения структурных и функциональных коррелятов боли и углубления нашего понимания механизмов ноцицептивной обработки, центральной сенсибилизации и хронической невропатической боли. Кроме того, нейронные механизмы, лежащие в основе модуляции боли вниманием, неизвестны, но данные предполагают участие нескольких уровней центральной нервной системы, включая спинной рог спинного мозга. Поражение дорсального рога еще не было показано в исследованиях функциональной нейровизуализации.Будущие исследования с использованием функциональной нейровизуализации в этой области оправданы и, вероятно, окажут значительное влияние на терапевтические вмешательства. Комбинированная визуализация спинного мозга, ствола головного мозга и головного мозга предоставит информацию о нейронной активности всей центральной нервной оси, продвинув научные знания о том, как возникают и поддерживаются клинические состояния хронической боли. Способность отображать спинной мозг в головной мозг, а также нисходящие модулирующие пути обратно в спинной мозг, позволит исследовать изменения пластичности, связанные с состояниями хронической боли, и даст возможность оценить изменения как в болезненном состоянии, так и в реакции на периферические боли. и лечение центрального действия.Таким образом, с помощью спинномозговой фМРТ станут доступны объективные средства оценки нервной функции у пациентов с хронической болью. ФМРТ спинного мозга может быть полезна для определения патогенеза многих состояний с хронической болью, хотя в настоящее время это не изучено. ФМРТ спинного мозга может выявить нейрональные аномалии, лежащие в основе нескольких болевых состояний, таких как синдром раздраженного кишечника, хроническая боль в пояснице или фибромиалгия. Возможно, что центральная сенсибилизация участвует во многих состояниях хронической боли, и существует большой потенциал для спинномозговой фМРТ, чтобы выявить лежащее в основе инициирование или поддержание этого состояния.

Считается, что цервикогенная головная боль, а также многие состояния, связанные с болью в голове и шее, частично связаны с дисфункцией обработки информации в месте схождения верхних шейных корешков на хвостовом ядре тройничного нерва. Его причина, симптомы и лучший курс лечения неизвестны, и спинномозговая фМРТ с комбинированной фМРТ ствола мозга может пролить свет на основную причину этого расстройства и дать представление о наилучшем лечении этого болезненного состояния.ФМРТ спинного мозга также может быть полезна при исследовании мигрени. Недавние исследования показали, что люди, страдающие мигренью, подвергаются повышенному риску субклинических поражений [33], что функциональные корковые изменения происходят у пациентов с мигренью, и что эти изменения могут быть вторичными по отношению к степени подкорковых структурных повреждений [34]. Было бы полезно понять, коррелирует ли мигрень с поражением центральной нервной системы и долгосрочным функциональным дефицитом. Этого можно достичь, определив частоту возникновения поражений у людей, страдающих мигренью, и оценив, имеют ли эти поражения долгосрочные функциональные последствия — задача, для которой фМРТ спинного мозга хорошо подходит.Более глубокое понимание патологии мигрени может помочь в разработке стратегий облегчения.

Хотя анатомическая МРТ позвоночника используется для выявления ряда специфических состояний спинного мозга, таких как мальформация Киари, дефект, вызывающий синдром Брауна-Секара или гидромиелию, функциональное изображение этих состояний было бы полезно для мониторинга эффектов повреждение или структурная аномалия физиологической реакции и последующие изменения нейрональной функции.Это может помочь дифференцировать нейродегенеративное расстройство, такое как спинная мышца, которое включает в себя разрыв сенсорных волокон, но имеет симптомы, которые включают слабость, потерю проприоцепции и снижение координации и рефлексов, в дополнение к сенсорным нарушениям и боли. Способность спинномозговой фМРТ фиксировать активность нейронов спинного отдела позвоночника поможет в диагностике, прогнозе и мониторинге таких болезненных состояний, как это. Как и во многих других состояниях, симптомы могут возникать не сразу после первоначального оскорбления, а могут проявляться постепенно со временем, в результате чего может быть не сразу понятно, с чего начинать расследование.Когда трудно определить причину симптомов, фМРТ спинного мозга может указать на области аномальной нейрональной функции или определить точку, в которой происходит нарушение. Например, фМРТ спинного мозга может определить, является ли это заболеванием верхнего двигательного нейрона, нарушением нижнего двигательного нейрона или и тем, и другим, как при боковом амиотрофическом склерозе. Аналогичным образом можно определить, работают ли нейроны нормально, но разрушение происходит в нервно-мышечном соединении или в самих мышечных волокнах, как при мышечных дистрофиях.МРТ используется для определения участков поражения при рассеянном склерозе, но использование спинномозговой фМРТ может помочь в отслеживании прогрессирования заболевания и прогноза. Функциональная характеристика заболевания может быть проведена с помощью спинномозговой МРТ. В случае поперечного миелита возникает воспаление сегмента спинного мозга, которое может вызвать повреждение миелина, тем самым нарушая нервную проводимость и нарушая нейронную связь. Преимущества функциональной визуализации для этих типов состояний очевидны.

Дооперационное картирование позволяет локализовать функцию кортикальной ткани рядом с областями, предназначенными для операции или резекции.Функциональные и анатомически различные области коры головного мозга у разных людей различаются. Использование фМРТ может идентифицировать области, связанные с определенными функциями, так что эти области можно нацеливать или избегать во время резекции. Этот метод является менее инвазивной альтернативой электрофизиологическому картированию коры головного мозга, обычно используемому для получения такого рода информации. Функциональная визуализация спинного мозга может быть полезна для диагностики и прогноза операции по декомпрессии нерва. Например, у пациентов с шейной или поясничной радикулопатией часто неясно, какой нервный корешок раздражен или поврежден.Ядовитая стимуляция пораженной области с одновременной фМРТ спинного мозга поможет локализовать конкретную пораженную область. В другом примере при диабетической невропатии уменьшение давления на туловище достигается за счет иссечения сужающей полосы или расширения костного канала для облегчения болевых симптомов. Что касается диабетической невропатии, на основании отчетов пациентов не всегда ясно, какие спинномозговые нервы задействованы, поскольку часто в возникновении симптоматики участвует несколько нервов. Таким же образом можно было бы помочь дренированию проблемных кист Тарлова, которые могут вызвать изменение чувствительности и нарушение двигательных способностей.Было бы важно идентифицировать и лечить любые кисты, сдавливающие нервные корешки, поскольку невылеченные кисты могут вызвать необратимые неврологические повреждения. Хирургическое вмешательство при сирингомиелии с возможными сенсорными, моторными и вегетативными нарушениями также может быть поддержано таким образом. В некоторых случаях трудноизлечимых болевых состояний перерыв корешков спинномозговых нервов может принести облегчение, и, опять же, это ситуация, в которой идентификация индивидуального распределения нейрональной активности будет иметь большое значение.С помощью спинномозговой фМРТ можно было бы лучше идентифицировать конкретные нервы, участвующие в определенных симптомах, а также желаемое сохраняющееся поведение, тем самым улучшая планирование операции и снижая хирургический риск.

Способность спинномозговой фМРТ обнаруживать изменения в функции нейронов в отсутствие явных физических проявлений может быть ценна для пациентов, проходящих восстановление функции, реабилитацию или фармакологическое лечение. Помимо физиологической информации, полученной врачом, пациенты могут получить психологическую пользу.На начальных этапах стратегии лечения пациентов может обескураживать, когда признаки улучшения еще не обнаруживаются. В отсутствие измеримых физических улучшений «доказательство» улучшения нейрональной активности (увеличение или уменьшение проводимости, в зависимости от состояния) могло бы стать стимулом и мотивацией для продолжения реабилитационных стратегий. С другой стороны, спинномозговая фМРТ может выявить неэффективную стратегию и ускорить поиск альтернативных стратегий.

Что нужно, чтобы добраться туда?

Технические ограничения спинномозговой фМРТ должны быть устранены и улучшены, чтобы она была полезной в клинической практике. Необходимость более высокого отношения сигнал / шум при функциональной визуализации спинного мозга является проблемой. Будущие исследования спинномозговой фМРТ, вероятно, выиграют от снижения шума сердечного происхождения. Моделирование динамики активности, не связанной с нейронами, должно уменьшить или устранить шум, вызванный движением сердца. Более частое использование магнита 3 Тесла поможет увеличить сигнал и чувствительность к магнитной восприимчивости, потому что различные типы тканей находятся в непосредственной близости внутри позвоночного канала.Для решения этой проблемы требуется дополнительная работа. Требуется выявление и устранение ошибок (ложно сработавшие пиксели). Решение этих проблем повысит надежность и чувствительность спинномозговой фМРТ, что приведет к созданию метода визуализации, достаточного для использования на индивидуальной основе. В то время как в большинстве исследований для статистической достоверности используется сгруппированный анализ, это явно неприемлемо для клинических целей. Параметры сканирования, идеально подходящие для контраста в спинномозговой МРТ, приводят к медленному получению изображений, тогда как желательна более быстрая техника визуализации.Кроме того, в настоящее время фМРТ стоит дорого и требует высококвалифицированного персонала для сбора и анализа данных.

Достигнут прогресс в продвижении спинномозговой фМРТ к клиническому применению. Получение функциональных изображений в сагиттальной ориентации позволяет отображать карты активности в осевой, коронарной и сагиттальной ориентации с улучшенным пространственным разрешением в верхнем / нижнем направлении [14]. Помимо демонстрации деталей субсегментарной организации спинного мозга, были идентифицированы нейроанатомические детали, такие как остистые отростки и положение нервных корешков, а также шейные и поясничные увеличения.Кроме того, результаты могут быть нормализованы и построены согласованные правые / левые и передние / задние размеры, что облегчает сравнение внутри спинного мозга и между ними. При дальнейшем развитии этого метода можно получить оптимальные размеры нормализации и собрать атлас спинного мозга, что может облегчить стандартный метод документирования результатов. В идеале для технических специалистов и клиницистов должна быть доступна программа для простого и быстрого анализа данных. Объединение стандартизированного протокола оценки спинномозговой фМРТ с эффективной и понятной программой анализа может ускорить использование фМРТ позвоночника в клинической практике.Хотя в этой области были достигнуты успехи, требуется дальнейшая работа, прежде чем метод станет оптимальным для клинических целей.

Помимо технических достижений, необходимых для того, чтобы ФМРТ позвоночника была готова к клиническому использованию, необходимо рассмотреть другие вопросы. Чтобы ФМРТ спинного мозга была эффективной, требуется тщательный дизайн исследования. Парадигма задачи должна в идеале изолировать конкретное исследуемое поведение, исключая другое поведение. Это может быть особенно сложно в ситуации нарушения функционирования или потери функции.Как указал Детре [35], получить функциональный образ нарушения сложно как из-за сложности разработки хорошо охарактеризованной парадигмы для изучения конкретного аспекта дефицита, так и из-за сложности визуализации нейронных связей. корреляты поведения, которое пациент не может выполнять должным образом. Это не относится к фМРТ позвоночника, но, тем не менее, верно.

Вероятно, что полезность спинномозговой фМРТ предоставит дополнительную информацию к информации, полученной с помощью других инструментов, а не заменит их.Хотя фМРТ спинного мозга может оказаться оптимальным инструментом в определенных случаях, более вероятно, что для получения более полной картины будет использовано сочетание спинномозговой фМРТ с другими инструментами. Например, объединение информации из электрофизиологии со спинномозговой фМРТ может решить проблемы с большим временным и пространственным разрешением, таким образом преодолевая ограничения каждого метода, используя сильные стороны обоих. Визуализация тензора диффузии неинвазивным образом дает структурную информацию об ориентации трактов белого вещества.Анатомические и функциональные связи могут быть нанесены на карту, чтобы предоставить важную информацию о нейронных цепях, важную информацию для хирургических целей. Спинальная нейрональная активность изменяется в отсутствие нисходящей модуляции от супраспинальных центров, и, таким образом, эффекты резекции или стимуляции могут быть обнаружены на уровне спинного мозга. Магнитно-резонансная спектроскопия позволяет исследовать метаболизм и биохимию тканей; в сочетании с фМРТ он может дать представление о нормальных и болезненных состояниях спинного мозга.

Выводы

В конечном итоге цель состоит в том, чтобы ФМРТ позвоночника стала полезным и практичным клиническим инструментом. В настоящее время оценивается потенциал фМРТ головного мозга для клинического использования [36,37]. Спинальная фМРТ была впервые продемонстрирована десять лет назад, и ее продвижение в клиническую практику с решением проблем, описанных ранее, является многообещающим и неизбежным.

Ссылки и рекомендуемая литература

Недавно опубликованные статьи, представляющие особый интерес, были отмечены как:

• Важные

•• Важные

1.Огава С., Ли TM, Кей А.Р., Танк DW. Магнитно-резонансная томография головного мозга с контрастом, зависящим от оксигенации крови. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1990; 87: 9868–9872. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 2. Строман П.В., Краузе В., Малиша К.Л. и др. Внесосудистая протонная плотность изменяется как не выделенный жирным шрифтом компонент контраста в фМРТ спинного мозга человека. Magn Reson Med. 2002. 48: 122–127. [PubMed] [Google Scholar] 3 •. Строман П.В., Корнельсен Дж., Лоуренс Дж., Малиса К.Л. Функциональная магнитно-резонансная томография на основе контраста SEEP: функция отклика и анатомическая специфичность.Магнитно-резонансная томография. 2005; 23: 843–850. Эта статья дает дополнительную информацию о контрасте SEEP. [PubMed] [Google Scholar] 4. Строман П.В., Краузе В., Малиша К.Л. и др. Характеристика контрастных изменений при функциональной МРТ спинного мозга человека при магнитно-резонансной томографии 1,5 Тл. 2001; 19: 833–838. [PubMed] [Google Scholar] 5. Строман П.В., Райнер Л.Н. Функциональная МРТ моторной и сенсорной активации спинного мозга человека. Магнитно-резонансная томография. 2001; 19: 27–32. [PubMed] [Google Scholar] 6. Макки С., Ладлоу Д., Книрим Дж. И др.Активация FMRI в шейном отделе спинного мозга человека при ядовитой термической стимуляции. Доклад, представленный на 22-м ежегодном научном собрании Американского общества боли; Чикаго, штат Иллинойс. 20–23 марта 2003 г. [Google Scholar] 7. Вонг К.К., Нг М.К., Ху Й. и др. Функциональная МРТ спинного мозга в низком поле. Документ, представленный на 12-м ежегодном собрании Международного общества магнитного резонанса в медицине; Киото, Япония. 15–21 мая 2004 г. [Google Scholar] 8. Брукс Дж., Робсон М., Швайнхардт П. и др. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) спинного мозга: методическое исследование.Доклад, представленный на 23-м ежегодном научном собрании Американского общества боли; Ванкувер, Канада. 6–9 мая 2004 г. [Google Scholar] 9. Йошизава Т., Нос Т., Мур Г.Дж., Силлеруд Л.О. Функциональная магнитно-резонансная томография моторной активации шейного отдела спинного мозга человека. Нейроизображение. 1996. 4: 174–182. [PubMed] [Google Scholar] 10. Строман П.В., Нэнси П.В., Райнер Л.Н. BOLD МРТ шейного отдела спинного мозга человека при давлении 3 тесла. Magn Reson Med. 1999; 42: 571–576. [PubMed] [Google Scholar] 11. Строман П.В., Краузе В., Малиша К.Л. и др.Функциональная магнитно-резонансная томография шейного отдела спинного мозга человека со стимуляцией различных сенсорных дерматомов. Магнитно-резонансная томография. 2002; 20: 1–6. [PubMed] [Google Scholar] 12. Строман П.В., Томанек Б., Краузе В. и др. Картирование функции нейронов в здоровом и поврежденном спинном мозге человека с помощью спинномозговой фМРТ. Нейроизображение. 2002; 17: 1854–1860. [PubMed] [Google Scholar] 13. Строман П.В., Корнельсен Дж., Бергман А. и др. Неинвазивная оценка поврежденного спинного мозга человека с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии.Спинной мозг. 2004. 42: 59–66. [PubMed] [Google Scholar] 14 ••. Stroman PW, Kornelsen J, Lawrence J. Улучшенный метод функциональной МРТ позвоночника с большим охватом спинного мозга. J. Магнитно-резонансная томография. 2005. 21: 520–526. В этой статье описывается метод спинномозговой фМРТ, который позволяет охватить спинной мозг большим объемом в трех измерениях с надежными и воспроизводимыми результатами. [PubMed] [Google Scholar] 15. Мади С., Фландерс А.Е., Виницки С. и др. Функциональная МРТ шейного отдела спинного мозга человека.AJNR Am J Neuroradiol. 2001; 22: 1768–1774. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 16. Backes WH, Mess WH, Wilmink JT. Функциональная МРТ шейного отдела спинного мозга с использованием стимуляции срединного нерва и сжатия кулаков. AJNR Am J Neuroradiol. 2001; 22: 1854–1859. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 17. Корнельсен Дж., Строман П.В. ФМРТ поясничного отдела спинного мозга во время двигательной задачи нижних конечностей. Magn Reson Med. 2004. 52: 411–414. [PubMed] [Google Scholar] 18. Ng MC, Wong KK, Li G и др. ФМРТ спинного мозга с взвешиванием по протонной плотности и сенсомоторной стимуляцией при 0.2 Т. Нейроизображение. 2006; 29: 995–999. [PubMed] [Google Scholar] 19. Коллиас С.С., Квечински С., Саммерс П. Функциональная МРТ шейного отдела спинного мозга человека. Документ, представленный на 42-м ежегодном собрании Американского общества нейрорадиологов; Сиэтл, Вашингтон. 5–11 июня 2004 г. [Google Scholar] 20. Бергман А., Леблан С., Строман П.В. ФМРТ спинного мозга при рассеянном склерозе: сравнение изменений интенсивности сигнала со здоровым контролем. Документ, представленный на 12-м ежегодном собрании Международного общества магнитного резонанса в медицине; Киото, Япония.15–21 мая 2004 г. [Google Scholar] 21. Бергман А., Леблан С., Строман П.В. ФМРТ спинного мозга при рассеянном склерозе у людей. Документ, представленный на 12-м ежегодном собрании Международного общества магнитного резонанса в медицине; Киото, Япония. 15–21 мая 2004 г. [Google Scholar] 22. Stracke CP, Pettersson LG, Schoth F и др. Межнейрональные системы шейного отдела спинного мозга оцениваются с помощью BOLD-визуализации при 1,5 Тл. Нейрорадиология. 2005. 47: 127–133. [PubMed] [Google Scholar] 23. Моффитт М.А., Дейл Б.М., Дюрк Д.Л., Гриль В.М.Функциональная магнитно-резонансная томография поясничного отдела спинного мозга человека. J. Магнитно-резонансная томография. 2005. 21: 527–535. [PubMed] [Google Scholar] 24. Говерс Н., Бегин Дж., Ван Гетем Дж.В.М. и др. Функциональная МРТ шейного отдела спинного мозга на 1,5 Тл с пальцем: насколько это возможно? Нейрорадиология. 2007; 49: 73–81. [PubMed] [Google Scholar] 25. Поршас Р., Бекманн Н., Бруттель К. и др. Сигнальные изменения в спинном мозге крысы после инъекции формалина в заднюю лапу: характеристика с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии.Proc Natl Acad Sci U S. A. 1997; 94: 5034–5039. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 26. Малиша К.Л., Строман П.В. Функциональная визуализация шейного отдела спинного мозга крыс. J. Магнитно-резонансная томография. 2002. 16: 553–558. [PubMed] [Google Scholar] 27. Малиса К.Л., Строман П.В., Тернер А. и др. Функциональная МРТ поясничного отдела спинного мозга крысы с болезненной стимуляцией и эффектом мобилизации периферических суставов. J. Магнитно-резонансная томография. 2003. 18: 152–159. [PubMed] [Google Scholar] 28. Лоуренс Дж., Строман П.В., Баскарамурти С. и др.Корреляция функциональной активации в спинном мозге крысы с активацией нейронов, обнаруженной с помощью иммуногистохимии. Нейроизображение. 2004; 22: 1802–1807. [PubMed] [Google Scholar] 29. Майчер К., Томанек Б., Ясинский А. и др. Одновременная функциональная магнитно-резонансная томография спинного и головного мозга крыс. Exp Neurol. 2006; 197: 458–464. [PubMed] [Google Scholar] 30. Лилья Дж., Эндо Т., Хофстеттер С. и др. Визуализация в зависимости от уровня оксигенации крови синаптических ретрансляционных станций сенсорных путей вдоль нейроаксиса в ответ на ступенчатую сенсорную стимуляцию конечности.J Neurosci. 2006. 26: 6330–6336. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 31. Корнельсен Дж., Строман П. Обнаружение нейрональной активности, происходящей каудально по отношению к месту повреждения спинного мозга, которая возникает во время выполнения задач движения нижних конечностей. Спинной мозг. 2007 г. В печати. [PubMed] [Google Scholar] 32. Комитет неврологических стандартов Американской ассоциации травм позвоночника. Международные стандарты неврологической классификации повреждений спинного мозга (пересмотренные, 2002 г.) Чикаго, Иллинойс: Американская ассоциация травм спинного мозга; 2002 г.[Google Scholar] 33. Kruit MC, van Buchem MA, Hofman PA и др. Мигрень как фактор риска субклинических поражений головного мозга. ДЖАМА. 2004. 291: 427–434. [PubMed] [Google Scholar] 34. Рокка М.А., Чеккарелли А., Фалини А. и др. Диффузионная тензорная магнитно-резонансная томография при 3,0 тесла выявляет тонкие аномалии серого вещества головного мозга у пациентов с мигренью. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 2006. 77: 686–689. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 35. Detre JA. Клиническая применимость функциональной МРТ. J. Магнитно-резонансная томография.2006; 23: 808–815. [PubMed] [Google Scholar] 36. Специальный выпуск JMRI: клинический потенциал картирования мозга с помощью МРТ. J. Магнитно-резонансная томография. 2006; 23: 785–957. [PubMed] [Google Scholar] 37. Мэтьюз PM, Honey GD, Bullmore ET. Применение фМРТ в трансляционной медицине и клинической практике. Nat Rev Neurosci. 2006; 7: 732–744. [PubMed] [Google Scholar]

потенциальных клинических приложений для функциональной МРТ позвоночника

Curr Pain Headache Rep. Автор рукопись; доступно в PMC 2010 3 августа.

Опубликован в окончательной отредактированной форме как:

PMCID: PMC21

NIHMSID: NIHMS222110

Автор, ответственный за переписку: Шон Макки, MD, PhD, Стэнфордский университет, 780 Welch Road, # 208 Альто, Калифорния 94304, США[email protected] См. другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.

Abstract

Функциональная МРТ (фМРТ) спинного мозга — это неинвазивный метод получения информации о функции нейронов спинного мозга. В этой статье представлен краткий обзор последних достижений в области фМРТ спинного мозга и описаны возможные применения, а также ограничения, которые необходимо преодолеть, для использования фМРТ спинного мозга в клинике. Этот метод в настоящее время используется в исследовательских целях, но существует значительный потенциал для того, чтобы спинномозговая фМРТ могла стать важным клиническим инструментом.

Введение

Функциональная МРТ (фМРТ) нейрональной функции в головном мозге — недавнее дополнение к миру диагностической визуализации. Это приложение быстро стало широко используемым инструментом в медицинских и исследовательских областях для визуализации активности мозга с тех пор, как Ogawa et al. [1]. ФМРТ спинного мозга (спинномозговая фМРТ) — это неинвазивный инструмент, который можно использовать для исследования нейрональной активности и получения важной информации о функции спинного мозга. Применение фМРТ к спинному мозгу требует определенной модификации стандартной методологии фМРТ головного мозга, но применима теория традиционной фМРТ головного мозга.Прежде чем метод станет оптимальным для клинических целей, требуется дополнительная работа. В этой статье кратко рассматриваются последние разработки в области фМРТ спинного мозга и обсуждаются возможности и потенциальные применения использования фМРТ спинного мозга в клинике.

Обсуждение

ФМРТ спинного мозга выявляет функцию нейронов косвенно по изменениям кровотока и уровня кислорода в крови, происходящим вблизи метаболически активного серого вещества. В зависимости от параметров сканирования изменение сигнала возникает частично из-за контраста, зависящего от уровня кислорода в крови, на основе метаболической активности, которая происходит в активных нейрональных тканях [1], и частично из-за усиления сигнала от контрастирования внесосудистых протонов воды (SEEP). в результате увеличения содержания воды в активных нервных тканях [2,3 •].Предполагается, что этот механизм связан с набуханием нейронов и / или глиальными клетками, которые возникают в местах нейрональной активности. Кроме того, было показано, что усиление кровотока к активным тканям сопровождается повышенным внутрисосудистым давлением и повышенной продукцией внеклеточной жидкости в местах нейрональной активности. Итоговым эффектом является локальное увеличение содержания воды вблизи активных нервных тканей, вызывающее более высокую интенсивность сигнала магнитного резонанса. Таким образом, спинномозговая фМРТ определяет активность нейронов в сером веществе спинного мозга, что позволяет картировать ответы спинного мозга на сенсорную и двигательную стимуляцию.

Применение фМРТ в спинном мозге является логическим продолжением его использования в головном мозге, но развивается медленно из-за множества проблем, связанных с этим методом. Эти проблемы, а также шаги, предпринятые для их решения, обсуждаются в следующем тексте. Несмотря на проблемы, несколько групп исследуют фМРТ позвоночника. Опубликованные работы показали многообещающие результаты, с положительным акцентом на преодоление трудностей с получением фМРТ спинного мозга [4–8]. Использование фМРТ для исследования активности спинного мозга идеально, потому что спинной мозг, находящийся в пределах позвоночного столба, в противном случае можно оценить только методами физического обследования или инвазивными методами.

Развитие метода спинномозговой фМРТ неуклонно растет с тех пор, как Yoshizawa et al. Впервые описали его как выполнимый. в 1996 г. [9]. В последнее десятилетие было опубликовано больше работ, касающихся спинномозговой фМРТ, как на людях [4–6,9–13,14, 15–24], так и на исследованиях на животных [25–30]. Относительно небольшое количество публикаций в этой области, вероятно, отражает сложность получения функциональных изображений спинного мозга. Однако доступная литература показала, что фМРТ спинного мозга является надежным инструментом для оценки нейрональной функции спинного мозга, и в настоящее время она используется в исследовательских целях.К настоящему времени исследования показали, что клиническое использование спинномозговой фМРТ возможно.

ФМРТ спинного мозга фокусировалась на визуализации шейного и поясничного отделов спинного мозга во время сенсорной и моторной стимуляции рук [4,5,11], сенсорной стимуляции голени [12] и во время выполнения моторной задачи нижних конечностей. нога [17]. Доказательства того, что наблюдаемые изменения сигнала связаны с нейрональной активностью, обеспечивается соответствием между паттернами активности и установленной нейроанатомией. В раннем исследовании, включающем двигательную задачу и сенсорную стимуляцию руки, спинномозговая фМРТ оказалась надежной в отображении латеральности и распространения активности в спинном мозге [4].Последующие исследования спинномозговой фМРТ показали, что стимуляция определенных дерматомов отображается на соответствующие сегменты спинного мозга [11], а различные типы сенсорной стимуляции — на аналогичные области серого вещества [12]. Mackey et al. [6] продемонстрировали способность отображать активацию дорсального рога к тепловым ноцицептивным стимулам с разрешением, достаточным для дифференциации поверхностных и глубоких структур дорсального рога. Достигнута соответствующая соматотопическая картина активации шейного отдела спинного мозга на тепловые и холодовые раздражители.Было обнаружено, что изменения интенсивности сигнала в поясничном отделе спинного мозга зависят от температуры холодовой стимуляции и показали заметные различия между безвредной и вредной холодовой стимуляцией [12]. Изменения интенсивности сигнала, зарегистрированные при температуре 29 ° C, составили в среднем 2,6%, немного увеличились до 3,2% при 15 ° C, но резко увеличились до 7% при 10 ° C, температура, по сообщениям добровольцев, была неудобной или болезненной. Другое исследование аналогичным образом показало, что величина изменения интенсивности сигнала в спинном мозге зависит от силы стимула [15].Результаты показали, что спинномозговая фМРТ способна обнаруживать надежный нейрональный ответ на изометрическую двигательную задачу руки, а величина изменения сигнала пропорциональна силе, прикладываемой мышцей.

В клинической практике ФМРТ спинного мозга применялась для исследования поврежденного спинного мозга. Поясничный отдел спинного мозга был визуализирован во время ядовитой термической стимуляции дерматома L4 у добровольцев с полным и неполным повреждением спинного мозга [12,13]. Изменения интенсивности сигнала для травмированных групп были аналогичной величины и имели такую ​​же динамику, как и в здоровой группе.Однако области активности серого вещества были изменены. ФМРТ спинного мозга также использовалась для обнаружения нейрональной активности, вызванной пассивными и активными движениями нижних конечностей в областях каудальнее места повреждения у добровольцев с повреждением спинного мозга [31]. Активность была обнаружена у всех добровольцев независимо от степени травмы. Как при активном, так и при пассивном участии активность наблюдалась каудальнее места повреждения, хотя количество активных вокселей, обнаруженных при пассивном движении, было меньше, чем при выполнении задачи активного движения.Следовательно, спинномозговая фМРТ способна обнаруживать нейронный ответ в спинном мозге каудальнее места повреждения во время как активных, так и пассивных задач движения нижних конечностей, а также в ответ на вредный стимул, даже когда субъекты не могут чувствовать стимул. Таким образом, спинномозговая фМРТ полезна для выявления областей с нарушенной и сохраненной активностью у пациентов с травмой спинного мозга.

Возможные клинические применения

В настоящее время шкала оценки Американской ассоциации по травмам позвоночника (ASIA) [32] является стандартом для классификации повреждений спинного мозга.Это включает в себя серию обследований легким прикосновением и уколом булавкой, чтобы оценить, где у пациента сохранилось сенсорное восприятие. Чтобы определить сохранность двигательной функции, оценивается способность пациента двигать определенными ключевыми группами мышц. Этот метод физического обследования позволяет получить информацию о функции спинного мозга, но не раскрывает информацию о состоянии спинного мозга каудальнее места повреждения. Дальнейшая информация относительно состояния каудального отдела спинного мозга до уровня повреждения должна быть получена инвазивными методами или на основании рефлекторных действий.Электрофизиологические методы, такие как соматосенсорно-вызванный потенциал, Н-рефлекс или рефлексы растяжения, позволяют оценить остаточную функцию после травмы спинного мозга. Полезность этих методов ограничена неполным объемом информации, полученной с каждой мерой, так что для определения функции невязки требуется комбинация мер. Например, соматосенсорные вызванные потенциалы исследуют проводимость на больших участках тела, и на результаты могут влиять периферическое повреждение, повреждение нервных корешков или повреждение спинного мозга, при этом не обнаруживая, на каком участке пути произошло повреждение.Точно так же усиление рефлексов указывает на заболевание верхних мотонейронов, но не показывает степень повреждения, а также то, является ли повреждение полным или неполным. Хотя эти методы полезны для многих исследовательских приложений, они требуют специального оборудования и отнимают много времени. Следовательно, эти методы не используются в рутинной клинической практике. Таким образом, способность спинномозговой фМРТ определять активность нейронов ниже места повреждения у пациентов с травмой спинного мозга имеет большое значение для тех, кто оценивает травму, планирует стратегию лечения или контролирует восстановление функции во время и после лечения.

Хотя спинномозговая фМРТ еще не готова для рутинного клинического использования при исследовании повреждений спинного мозга, она, безусловно, пригодна для использования при оценке стратегий восстановления функций. Как уже говорилось, возможности других показателей, таких как соматосенсорные вызванные потенциалы или H-рефлекс, которые способны оценить остаточную функцию каудальнее травмы, ограничены, потому что они выявляют эффект, но не локализацию повреждения вдоль проводящего пути. Кроме того, эти методы инвазивны. Шкала оценки ASIA, хотя обычно используется для оценки и классификации повреждений и остаточной функции, не чувствительна к нейронным изменениям.Спинальная фМРТ станет более полезной по мере разработки стратегий вмешательства, поскольку она может обнаруживать различия в активности нейронов до и после лечения. ФМРТ позвоночника может стать важным инструментом для оценки эффективности вмешательств. В настоящее время оценочная шкала ASIA используется для отслеживания прогресса в исследовательских вмешательствах, и, как уже упоминалось, она не может обнаружить нейронные изменения. Точно так же спинномозговая фМРТ может служить для оценки эффектов фармакологического лечения на спинной мозг и функцию нервных корешков.Аналогичным образом, испытания лекарств от спастичности также могут принести большую пользу, опять же, потому что в настоящее время доступно мало неинвазивных методов, позволяющих объективно увидеть изменения в активности нейронов. Этот неинвазивный метод может показать, где функциональная активность возникает в ответ на стимул, независимо от способности пациента чувствовать стимул — функции, которой не хватает оценочной шкале ASIA. Следовательно, в случае повреждения спинного мозга, активность нейронов в спинном мозге как выше, так и ниже места повреждения можно отслеживать после первоначального повреждения для прогноза и принятия решений по стратегии восстановления функции, а также на протяжении всей реабилитации и в ответ на фармакологическое лечение.Можно разработать протокол, позволяющий проводить стандартную батарею тестов для оценки восходящей, нисходящей и рефлекторной активности.

ФМРТ использовалась для исследования ноцицептивной обработки и центральной сенсибилизации в головном мозге, чтобы лучше понять боль. Однако спинной мозг и ствол головного мозга также являются критическими центрами для ноцицептивной обработки перед посылкой сигналов в мозг и являются местами значительных функциональных нарушений при состояниях хронической боли. Известно, что хроническая невропатическая боль приводит к изменениям центральной нервной системы.ФМРТ спинного мозга можно использовать для изучения структурных и функциональных коррелятов боли и углубления нашего понимания механизмов ноцицептивной обработки, центральной сенсибилизации и хронической невропатической боли. Кроме того, нейронные механизмы, лежащие в основе модуляции боли вниманием, неизвестны, но данные предполагают участие нескольких уровней центральной нервной системы, включая спинной рог спинного мозга. Поражение дорсального рога еще не было показано в исследованиях функциональной нейровизуализации.Будущие исследования с использованием функциональной нейровизуализации в этой области оправданы и, вероятно, окажут значительное влияние на терапевтические вмешательства. Комбинированная визуализация спинного мозга, ствола головного мозга и головного мозга предоставит информацию о нейронной активности всей центральной нервной оси, продвинув научные знания о том, как возникают и поддерживаются клинические состояния хронической боли. Способность отображать спинной мозг в головной мозг, а также нисходящие модулирующие пути обратно в спинной мозг, позволит исследовать изменения пластичности, связанные с состояниями хронической боли, и даст возможность оценить изменения как в болезненном состоянии, так и в реакции на периферические боли. и лечение центрального действия.Таким образом, с помощью спинномозговой фМРТ станут доступны объективные средства оценки нервной функции у пациентов с хронической болью. ФМРТ спинного мозга может быть полезна для определения патогенеза многих состояний с хронической болью, хотя в настоящее время это не изучено. ФМРТ спинного мозга может выявить нейрональные аномалии, лежащие в основе нескольких болевых состояний, таких как синдром раздраженного кишечника, хроническая боль в пояснице или фибромиалгия. Возможно, что центральная сенсибилизация участвует во многих состояниях хронической боли, и существует большой потенциал для спинномозговой фМРТ, чтобы выявить лежащее в основе инициирование или поддержание этого состояния.

Считается, что цервикогенная головная боль, а также многие состояния, связанные с болью в голове и шее, частично связаны с дисфункцией обработки информации в месте схождения верхних шейных корешков на хвостовом ядре тройничного нерва. Его причина, симптомы и лучший курс лечения неизвестны, и спинномозговая фМРТ с комбинированной фМРТ ствола мозга может пролить свет на основную причину этого расстройства и дать представление о наилучшем лечении этого болезненного состояния.ФМРТ спинного мозга также может быть полезна при исследовании мигрени. Недавние исследования показали, что люди, страдающие мигренью, подвергаются повышенному риску субклинических поражений [33], что функциональные корковые изменения происходят у пациентов с мигренью, и что эти изменения могут быть вторичными по отношению к степени подкорковых структурных повреждений [34]. Было бы полезно понять, коррелирует ли мигрень с поражением центральной нервной системы и долгосрочным функциональным дефицитом. Этого можно достичь, определив частоту возникновения поражений у людей, страдающих мигренью, и оценив, имеют ли эти поражения долгосрочные функциональные последствия — задача, для которой фМРТ спинного мозга хорошо подходит.Более глубокое понимание патологии мигрени может помочь в разработке стратегий облегчения.

Хотя анатомическая МРТ позвоночника используется для выявления ряда специфических состояний спинного мозга, таких как мальформация Киари, дефект, вызывающий синдром Брауна-Секара или гидромиелию, функциональное изображение этих состояний было бы полезно для мониторинга эффектов повреждение или структурная аномалия физиологической реакции и последующие изменения нейрональной функции.Это может помочь дифференцировать нейродегенеративное расстройство, такое как спинная мышца, которое включает в себя разрыв сенсорных волокон, но имеет симптомы, которые включают слабость, потерю проприоцепции и снижение координации и рефлексов, в дополнение к сенсорным нарушениям и боли. Способность спинномозговой фМРТ фиксировать активность нейронов спинного отдела позвоночника поможет в диагностике, прогнозе и мониторинге таких болезненных состояний, как это. Как и во многих других состояниях, симптомы могут возникать не сразу после первоначального оскорбления, а могут проявляться постепенно со временем, в результате чего может быть не сразу понятно, с чего начинать расследование.Когда трудно определить причину симптомов, фМРТ спинного мозга может указать на области аномальной нейрональной функции или определить точку, в которой происходит нарушение. Например, фМРТ спинного мозга может определить, является ли это заболеванием верхнего двигательного нейрона, нарушением нижнего двигательного нейрона или и тем, и другим, как при боковом амиотрофическом склерозе. Аналогичным образом можно определить, работают ли нейроны нормально, но разрушение происходит в нервно-мышечном соединении или в самих мышечных волокнах, как при мышечных дистрофиях.МРТ используется для определения участков поражения при рассеянном склерозе, но использование спинномозговой фМРТ может помочь в отслеживании прогрессирования заболевания и прогноза. Функциональная характеристика заболевания может быть проведена с помощью спинномозговой МРТ. В случае поперечного миелита возникает воспаление сегмента спинного мозга, которое может вызвать повреждение миелина, тем самым нарушая нервную проводимость и нарушая нейронную связь. Преимущества функциональной визуализации для этих типов состояний очевидны.

Дооперационное картирование позволяет локализовать функцию кортикальной ткани рядом с областями, предназначенными для операции или резекции.Функциональные и анатомически различные области коры головного мозга у разных людей различаются. Использование фМРТ может идентифицировать области, связанные с определенными функциями, так что эти области можно нацеливать или избегать во время резекции. Этот метод является менее инвазивной альтернативой электрофизиологическому картированию коры головного мозга, обычно используемому для получения такого рода информации. Функциональная визуализация спинного мозга может быть полезна для диагностики и прогноза операции по декомпрессии нерва. Например, у пациентов с шейной или поясничной радикулопатией часто неясно, какой нервный корешок раздражен или поврежден.Ядовитая стимуляция пораженной области с одновременной фМРТ спинного мозга поможет локализовать конкретную пораженную область. В другом примере при диабетической невропатии уменьшение давления на туловище достигается за счет иссечения сужающей полосы или расширения костного канала для облегчения болевых симптомов. Что касается диабетической невропатии, на основании отчетов пациентов не всегда ясно, какие спинномозговые нервы задействованы, поскольку часто в возникновении симптоматики участвует несколько нервов. Таким же образом можно было бы помочь дренированию проблемных кист Тарлова, которые могут вызвать изменение чувствительности и нарушение двигательных способностей.Было бы важно идентифицировать и лечить любые кисты, сдавливающие нервные корешки, поскольку невылеченные кисты могут вызвать необратимые неврологические повреждения. Хирургическое вмешательство при сирингомиелии с возможными сенсорными, моторными и вегетативными нарушениями также может быть поддержано таким образом. В некоторых случаях трудноизлечимых болевых состояний перерыв корешков спинномозговых нервов может принести облегчение, и, опять же, это ситуация, в которой идентификация индивидуального распределения нейрональной активности будет иметь большое значение.С помощью спинномозговой фМРТ можно было бы лучше идентифицировать конкретные нервы, участвующие в определенных симптомах, а также желаемое сохраняющееся поведение, тем самым улучшая планирование операции и снижая хирургический риск.

Способность спинномозговой фМРТ обнаруживать изменения в функции нейронов в отсутствие явных физических проявлений может быть ценна для пациентов, проходящих восстановление функции, реабилитацию или фармакологическое лечение. Помимо физиологической информации, полученной врачом, пациенты могут получить психологическую пользу.На начальных этапах стратегии лечения пациентов может обескураживать, когда признаки улучшения еще не обнаруживаются. В отсутствие измеримых физических улучшений «доказательство» улучшения нейрональной активности (увеличение или уменьшение проводимости, в зависимости от состояния) могло бы стать стимулом и мотивацией для продолжения реабилитационных стратегий. С другой стороны, спинномозговая фМРТ может выявить неэффективную стратегию и ускорить поиск альтернативных стратегий.

Что нужно, чтобы добраться туда?

Технические ограничения спинномозговой фМРТ должны быть устранены и улучшены, чтобы она была полезной в клинической практике. Необходимость более высокого отношения сигнал / шум при функциональной визуализации спинного мозга является проблемой. Будущие исследования спинномозговой фМРТ, вероятно, выиграют от снижения шума сердечного происхождения. Моделирование динамики активности, не связанной с нейронами, должно уменьшить или устранить шум, вызванный движением сердца. Более частое использование магнита 3 Тесла поможет увеличить сигнал и чувствительность к магнитной восприимчивости, потому что различные типы тканей находятся в непосредственной близости внутри позвоночного канала.Для решения этой проблемы требуется дополнительная работа. Требуется выявление и устранение ошибок (ложно сработавшие пиксели). Решение этих проблем повысит надежность и чувствительность спинномозговой фМРТ, что приведет к созданию метода визуализации, достаточного для использования на индивидуальной основе. В то время как в большинстве исследований для статистической достоверности используется сгруппированный анализ, это явно неприемлемо для клинических целей. Параметры сканирования, идеально подходящие для контраста в спинномозговой МРТ, приводят к медленному получению изображений, тогда как желательна более быстрая техника визуализации.Кроме того, в настоящее время фМРТ стоит дорого и требует высококвалифицированного персонала для сбора и анализа данных.

Достигнут прогресс в продвижении спинномозговой фМРТ к клиническому применению. Получение функциональных изображений в сагиттальной ориентации позволяет отображать карты активности в осевой, коронарной и сагиттальной ориентации с улучшенным пространственным разрешением в верхнем / нижнем направлении [14]. Помимо демонстрации деталей субсегментарной организации спинного мозга, были идентифицированы нейроанатомические детали, такие как остистые отростки и положение нервных корешков, а также шейные и поясничные увеличения.Кроме того, результаты могут быть нормализованы и построены согласованные правые / левые и передние / задние размеры, что облегчает сравнение внутри спинного мозга и между ними. При дальнейшем развитии этого метода можно получить оптимальные размеры нормализации и собрать атлас спинного мозга, что может облегчить стандартный метод документирования результатов. В идеале для технических специалистов и клиницистов должна быть доступна программа для простого и быстрого анализа данных. Объединение стандартизированного протокола оценки спинномозговой фМРТ с эффективной и понятной программой анализа может ускорить использование фМРТ позвоночника в клинической практике.Хотя в этой области были достигнуты успехи, требуется дальнейшая работа, прежде чем метод станет оптимальным для клинических целей.

Помимо технических достижений, необходимых для того, чтобы ФМРТ позвоночника была готова к клиническому использованию, необходимо рассмотреть другие вопросы. Чтобы ФМРТ спинного мозга была эффективной, требуется тщательный дизайн исследования. Парадигма задачи должна в идеале изолировать конкретное исследуемое поведение, исключая другое поведение. Это может быть особенно сложно в ситуации нарушения функционирования или потери функции.Как указал Детре [35], получить функциональный образ нарушения сложно как из-за сложности разработки хорошо охарактеризованной парадигмы для изучения конкретного аспекта дефицита, так и из-за сложности визуализации нейронных связей. корреляты поведения, которое пациент не может выполнять должным образом. Это не относится к фМРТ позвоночника, но, тем не менее, верно.

Вероятно, что полезность спинномозговой фМРТ предоставит дополнительную информацию к информации, полученной с помощью других инструментов, а не заменит их.Хотя фМРТ спинного мозга может оказаться оптимальным инструментом в определенных случаях, более вероятно, что для получения более полной картины будет использовано сочетание спинномозговой фМРТ с другими инструментами. Например, объединение информации из электрофизиологии со спинномозговой фМРТ может решить проблемы с большим временным и пространственным разрешением, таким образом преодолевая ограничения каждого метода, используя сильные стороны обоих. Визуализация тензора диффузии неинвазивным образом дает структурную информацию об ориентации трактов белого вещества.Анатомические и функциональные связи могут быть нанесены на карту, чтобы предоставить важную информацию о нейронных цепях, важную информацию для хирургических целей. Спинальная нейрональная активность изменяется в отсутствие нисходящей модуляции от супраспинальных центров, и, таким образом, эффекты резекции или стимуляции могут быть обнаружены на уровне спинного мозга. Магнитно-резонансная спектроскопия позволяет исследовать метаболизм и биохимию тканей; в сочетании с фМРТ он может дать представление о нормальных и болезненных состояниях спинного мозга.

Выводы

В конечном итоге цель состоит в том, чтобы ФМРТ позвоночника стала полезным и практичным клиническим инструментом. В настоящее время оценивается потенциал фМРТ головного мозга для клинического использования [36,37]. Спинальная фМРТ была впервые продемонстрирована десять лет назад, и ее продвижение в клиническую практику с решением проблем, описанных ранее, является многообещающим и неизбежным.

Ссылки и рекомендуемая литература

Недавно опубликованные статьи, представляющие особый интерес, были отмечены как:

• Важные

•• Важные

1.Огава С., Ли TM, Кей А.Р., Танк DW. Магнитно-резонансная томография головного мозга с контрастом, зависящим от оксигенации крови. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1990; 87: 9868–9872. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 2. Строман П.В., Краузе В., Малиша К.Л. и др. Внесосудистая протонная плотность изменяется как не выделенный жирным шрифтом компонент контраста в фМРТ спинного мозга человека. Magn Reson Med. 2002. 48: 122–127. [PubMed] [Google Scholar] 3 •. Строман П.В., Корнельсен Дж., Лоуренс Дж., Малиса К.Л. Функциональная магнитно-резонансная томография на основе контраста SEEP: функция отклика и анатомическая специфичность.Магнитно-резонансная томография. 2005; 23: 843–850. Эта статья дает дополнительную информацию о контрасте SEEP. [PubMed] [Google Scholar] 4. Строман П.В., Краузе В., Малиша К.Л. и др. Характеристика контрастных изменений при функциональной МРТ спинного мозга человека при магнитно-резонансной томографии 1,5 Тл. 2001; 19: 833–838. [PubMed] [Google Scholar] 5. Строман П.В., Райнер Л.Н. Функциональная МРТ моторной и сенсорной активации спинного мозга человека. Магнитно-резонансная томография. 2001; 19: 27–32. [PubMed] [Google Scholar] 6. Макки С., Ладлоу Д., Книрим Дж. И др.Активация FMRI в шейном отделе спинного мозга человека при ядовитой термической стимуляции. Доклад, представленный на 22-м ежегодном научном собрании Американского общества боли; Чикаго, штат Иллинойс. 20–23 марта 2003 г. [Google Scholar] 7. Вонг К.К., Нг М.К., Ху Й. и др. Функциональная МРТ спинного мозга в низком поле. Документ, представленный на 12-м ежегодном собрании Международного общества магнитного резонанса в медицине; Киото, Япония. 15–21 мая 2004 г. [Google Scholar] 8. Брукс Дж., Робсон М., Швайнхардт П. и др. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) спинного мозга: методическое исследование.Доклад, представленный на 23-м ежегодном научном собрании Американского общества боли; Ванкувер, Канада. 6–9 мая 2004 г. [Google Scholar] 9. Йошизава Т., Нос Т., Мур Г.Дж., Силлеруд Л.О. Функциональная магнитно-резонансная томография моторной активации шейного отдела спинного мозга человека. Нейроизображение. 1996. 4: 174–182. [PubMed] [Google Scholar] 10. Строман П.В., Нэнси П.В., Райнер Л.Н. BOLD МРТ шейного отдела спинного мозга человека при давлении 3 тесла. Magn Reson Med. 1999; 42: 571–576. [PubMed] [Google Scholar] 11. Строман П.В., Краузе В., Малиша К.Л. и др.Функциональная магнитно-резонансная томография шейного отдела спинного мозга человека со стимуляцией различных сенсорных дерматомов. Магнитно-резонансная томография. 2002; 20: 1–6. [PubMed] [Google Scholar] 12. Строман П.В., Томанек Б., Краузе В. и др. Картирование функции нейронов в здоровом и поврежденном спинном мозге человека с помощью спинномозговой фМРТ. Нейроизображение. 2002; 17: 1854–1860. [PubMed] [Google Scholar] 13. Строман П.В., Корнельсен Дж., Бергман А. и др. Неинвазивная оценка поврежденного спинного мозга человека с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии.Спинной мозг. 2004. 42: 59–66. [PubMed] [Google Scholar] 14 ••. Stroman PW, Kornelsen J, Lawrence J. Улучшенный метод функциональной МРТ позвоночника с большим охватом спинного мозга. J. Магнитно-резонансная томография. 2005. 21: 520–526. В этой статье описывается метод спинномозговой фМРТ, который позволяет охватить спинной мозг большим объемом в трех измерениях с надежными и воспроизводимыми результатами. [PubMed] [Google Scholar] 15. Мади С., Фландерс А.Е., Виницки С. и др. Функциональная МРТ шейного отдела спинного мозга человека.AJNR Am J Neuroradiol. 2001; 22: 1768–1774. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 16. Backes WH, Mess WH, Wilmink JT. Функциональная МРТ шейного отдела спинного мозга с использованием стимуляции срединного нерва и сжатия кулаков. AJNR Am J Neuroradiol. 2001; 22: 1854–1859. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 17. Корнельсен Дж., Строман П.В. ФМРТ поясничного отдела спинного мозга во время двигательной задачи нижних конечностей. Magn Reson Med. 2004. 52: 411–414. [PubMed] [Google Scholar] 18. Ng MC, Wong KK, Li G и др. ФМРТ спинного мозга с взвешиванием по протонной плотности и сенсомоторной стимуляцией при 0.2 Т. Нейроизображение. 2006; 29: 995–999. [PubMed] [Google Scholar] 19. Коллиас С.С., Квечински С., Саммерс П. Функциональная МРТ шейного отдела спинного мозга человека. Документ, представленный на 42-м ежегодном собрании Американского общества нейрорадиологов; Сиэтл, Вашингтон. 5–11 июня 2004 г. [Google Scholar] 20. Бергман А., Леблан С., Строман П.В. ФМРТ спинного мозга при рассеянном склерозе: сравнение изменений интенсивности сигнала со здоровым контролем. Документ, представленный на 12-м ежегодном собрании Международного общества магнитного резонанса в медицине; Киото, Япония.15–21 мая 2004 г. [Google Scholar] 21. Бергман А., Леблан С., Строман П.В. ФМРТ спинного мозга при рассеянном склерозе у людей. Документ, представленный на 12-м ежегодном собрании Международного общества магнитного резонанса в медицине; Киото, Япония. 15–21 мая 2004 г. [Google Scholar] 22. Stracke CP, Pettersson LG, Schoth F и др. Межнейрональные системы шейного отдела спинного мозга оцениваются с помощью BOLD-визуализации при 1,5 Тл. Нейрорадиология. 2005. 47: 127–133. [PubMed] [Google Scholar] 23. Моффитт М.А., Дейл Б.М., Дюрк Д.Л., Гриль В.М.Функциональная магнитно-резонансная томография поясничного отдела спинного мозга человека. J. Магнитно-резонансная томография. 2005. 21: 527–535. [PubMed] [Google Scholar] 24. Говерс Н., Бегин Дж., Ван Гетем Дж.В.М. и др. Функциональная МРТ шейного отдела спинного мозга на 1,5 Тл с пальцем: насколько это возможно? Нейрорадиология. 2007; 49: 73–81. [PubMed] [Google Scholar] 25. Поршас Р., Бекманн Н., Бруттель К. и др. Сигнальные изменения в спинном мозге крысы после инъекции формалина в заднюю лапу: характеристика с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии.Proc Natl Acad Sci U S. A. 1997; 94: 5034–5039. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 26. Малиша К.Л., Строман П.В. Функциональная визуализация шейного отдела спинного мозга крыс. J. Магнитно-резонансная томография. 2002. 16: 553–558. [PubMed] [Google Scholar] 27. Малиса К.Л., Строман П.В., Тернер А. и др. Функциональная МРТ поясничного отдела спинного мозга крысы с болезненной стимуляцией и эффектом мобилизации периферических суставов. J. Магнитно-резонансная томография. 2003. 18: 152–159. [PubMed] [Google Scholar] 28. Лоуренс Дж., Строман П.В., Баскарамурти С. и др.Корреляция функциональной активации в спинном мозге крысы с активацией нейронов, обнаруженной с помощью иммуногистохимии. Нейроизображение. 2004; 22: 1802–1807. [PubMed] [Google Scholar] 29. Майчер К., Томанек Б., Ясинский А. и др. Одновременная функциональная магнитно-резонансная томография спинного и головного мозга крыс. Exp Neurol. 2006; 197: 458–464. [PubMed] [Google Scholar] 30. Лилья Дж., Эндо Т., Хофстеттер С. и др. Визуализация в зависимости от уровня оксигенации крови синаптических ретрансляционных станций сенсорных путей вдоль нейроаксиса в ответ на ступенчатую сенсорную стимуляцию конечности.J Neurosci. 2006. 26: 6330–6336. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 31. Корнельсен Дж., Строман П. Обнаружение нейрональной активности, происходящей каудально по отношению к месту повреждения спинного мозга, которая возникает во время выполнения задач движения нижних конечностей. Спинной мозг. 2007 г. В печати. [PubMed] [Google Scholar] 32. Комитет неврологических стандартов Американской ассоциации травм позвоночника. Международные стандарты неврологической классификации повреждений спинного мозга (пересмотренные, 2002 г.) Чикаго, Иллинойс: Американская ассоциация травм спинного мозга; 2002 г.[Google Scholar] 33. Kruit MC, van Buchem MA, Hofman PA и др. Мигрень как фактор риска субклинических поражений головного мозга. ДЖАМА. 2004. 291: 427–434. [PubMed] [Google Scholar] 34. Рокка М.А., Чеккарелли А., Фалини А. и др. Диффузионная тензорная магнитно-резонансная томография при 3,0 тесла выявляет тонкие аномалии серого вещества головного мозга у пациентов с мигренью. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 2006. 77: 686–689. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 35. Detre JA. Клиническая применимость функциональной МРТ. J. Магнитно-резонансная томография.2006; 23: 808–815. [PubMed] [Google Scholar] 36. Специальный выпуск JMRI: клинический потенциал картирования мозга с помощью МРТ. J. Магнитно-резонансная томография. 2006; 23: 785–957. [PubMed] [Google Scholar] 37. Мэтьюз PM, Honey GD, Bullmore ET. Применение фМРТ в трансляционной медицине и клинической практике. Nat Rev Neurosci. 2006; 7: 732–744. [PubMed] [Google Scholar]

потенциальных клинических приложений для функциональной МРТ позвоночника

Curr Pain Headache Rep. Автор рукопись; доступно в PMC 2010 3 августа.

Опубликован в окончательной отредактированной форме как:

PMCID: PMC21

NIHMSID: NIHMS222110

Автор, ответственный за переписку: Шон Макки, MD, PhD, Стэнфордский университет, 780 Welch Road, # 208 Альто, Калифорния 94304, США[email protected] См. другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.

Abstract

Функциональная МРТ (фМРТ) спинного мозга — это неинвазивный метод получения информации о функции нейронов спинного мозга. В этой статье представлен краткий обзор последних достижений в области фМРТ спинного мозга и описаны возможные применения, а также ограничения, которые необходимо преодолеть, для использования фМРТ спинного мозга в клинике. Этот метод в настоящее время используется в исследовательских целях, но существует значительный потенциал для того, чтобы спинномозговая фМРТ могла стать важным клиническим инструментом.

Введение

Функциональная МРТ (фМРТ) нейрональной функции в головном мозге — недавнее дополнение к миру диагностической визуализации. Это приложение быстро стало широко используемым инструментом в медицинских и исследовательских областях для визуализации активности мозга с тех пор, как Ogawa et al. [1]. ФМРТ спинного мозга (спинномозговая фМРТ) — это неинвазивный инструмент, который можно использовать для исследования нейрональной активности и получения важной информации о функции спинного мозга. Применение фМРТ к спинному мозгу требует определенной модификации стандартной методологии фМРТ головного мозга, но применима теория традиционной фМРТ головного мозга.Прежде чем метод станет оптимальным для клинических целей, требуется дополнительная работа. В этой статье кратко рассматриваются последние разработки в области фМРТ спинного мозга и обсуждаются возможности и потенциальные применения использования фМРТ спинного мозга в клинике.

Обсуждение

ФМРТ спинного мозга выявляет функцию нейронов косвенно по изменениям кровотока и уровня кислорода в крови, происходящим вблизи метаболически активного серого вещества. В зависимости от параметров сканирования изменение сигнала возникает частично из-за контраста, зависящего от уровня кислорода в крови, на основе метаболической активности, которая происходит в активных нейрональных тканях [1], и частично из-за усиления сигнала от контрастирования внесосудистых протонов воды (SEEP). в результате увеличения содержания воды в активных нервных тканях [2,3 •].Предполагается, что этот механизм связан с набуханием нейронов и / или глиальными клетками, которые возникают в местах нейрональной активности. Кроме того, было показано, что усиление кровотока к активным тканям сопровождается повышенным внутрисосудистым давлением и повышенной продукцией внеклеточной жидкости в местах нейрональной активности. Итоговым эффектом является локальное увеличение содержания воды вблизи активных нервных тканей, вызывающее более высокую интенсивность сигнала магнитного резонанса. Таким образом, спинномозговая фМРТ определяет активность нейронов в сером веществе спинного мозга, что позволяет картировать ответы спинного мозга на сенсорную и двигательную стимуляцию.

Применение фМРТ в спинном мозге является логическим продолжением его использования в головном мозге, но развивается медленно из-за множества проблем, связанных с этим методом. Эти проблемы, а также шаги, предпринятые для их решения, обсуждаются в следующем тексте. Несмотря на проблемы, несколько групп исследуют фМРТ позвоночника. Опубликованные работы показали многообещающие результаты, с положительным акцентом на преодоление трудностей с получением фМРТ спинного мозга [4–8]. Использование фМРТ для исследования активности спинного мозга идеально, потому что спинной мозг, находящийся в пределах позвоночного столба, в противном случае можно оценить только методами физического обследования или инвазивными методами.

Развитие метода спинномозговой фМРТ неуклонно растет с тех пор, как Yoshizawa et al. Впервые описали его как выполнимый. в 1996 г. [9]. В последнее десятилетие было опубликовано больше работ, касающихся спинномозговой фМРТ, как на людях [4–6,9–13,14, 15–24], так и на исследованиях на животных [25–30]. Относительно небольшое количество публикаций в этой области, вероятно, отражает сложность получения функциональных изображений спинного мозга. Однако доступная литература показала, что фМРТ спинного мозга является надежным инструментом для оценки нейрональной функции спинного мозга, и в настоящее время она используется в исследовательских целях.К настоящему времени исследования показали, что клиническое использование спинномозговой фМРТ возможно.

ФМРТ спинного мозга фокусировалась на визуализации шейного и поясничного отделов спинного мозга во время сенсорной и моторной стимуляции рук [4,5,11], сенсорной стимуляции голени [12] и во время выполнения моторной задачи нижних конечностей. нога [17]. Доказательства того, что наблюдаемые изменения сигнала связаны с нейрональной активностью, обеспечивается соответствием между паттернами активности и установленной нейроанатомией. В раннем исследовании, включающем двигательную задачу и сенсорную стимуляцию руки, спинномозговая фМРТ оказалась надежной в отображении латеральности и распространения активности в спинном мозге [4].Последующие исследования спинномозговой фМРТ показали, что стимуляция определенных дерматомов отображается на соответствующие сегменты спинного мозга [11], а различные типы сенсорной стимуляции — на аналогичные области серого вещества [12]. Mackey et al. [6] продемонстрировали способность отображать активацию дорсального рога к тепловым ноцицептивным стимулам с разрешением, достаточным для дифференциации поверхностных и глубоких структур дорсального рога. Достигнута соответствующая соматотопическая картина активации шейного отдела спинного мозга на тепловые и холодовые раздражители.Было обнаружено, что изменения интенсивности сигнала в поясничном отделе спинного мозга зависят от температуры холодовой стимуляции и показали заметные различия между безвредной и вредной холодовой стимуляцией [12]. Изменения интенсивности сигнала, зарегистрированные при температуре 29 ° C, составили в среднем 2,6%, немного увеличились до 3,2% при 15 ° C, но резко увеличились до 7% при 10 ° C, температура, по сообщениям добровольцев, была неудобной или болезненной. Другое исследование аналогичным образом показало, что величина изменения интенсивности сигнала в спинном мозге зависит от силы стимула [15].Результаты показали, что спинномозговая фМРТ способна обнаруживать надежный нейрональный ответ на изометрическую двигательную задачу руки, а величина изменения сигнала пропорциональна силе, прикладываемой мышцей.

В клинической практике ФМРТ спинного мозга применялась для исследования поврежденного спинного мозга. Поясничный отдел спинного мозга был визуализирован во время ядовитой термической стимуляции дерматома L4 у добровольцев с полным и неполным повреждением спинного мозга [12,13]. Изменения интенсивности сигнала для травмированных групп были аналогичной величины и имели такую ​​же динамику, как и в здоровой группе.Однако области активности серого вещества были изменены. ФМРТ спинного мозга также использовалась для обнаружения нейрональной активности, вызванной пассивными и активными движениями нижних конечностей в областях каудальнее места повреждения у добровольцев с повреждением спинного мозга [31]. Активность была обнаружена у всех добровольцев независимо от степени травмы. Как при активном, так и при пассивном участии активность наблюдалась каудальнее места повреждения, хотя количество активных вокселей, обнаруженных при пассивном движении, было меньше, чем при выполнении задачи активного движения.Следовательно, спинномозговая фМРТ способна обнаруживать нейронный ответ в спинном мозге каудальнее места повреждения во время как активных, так и пассивных задач движения нижних конечностей, а также в ответ на вредный стимул, даже когда субъекты не могут чувствовать стимул. Таким образом, спинномозговая фМРТ полезна для выявления областей с нарушенной и сохраненной активностью у пациентов с травмой спинного мозга.

Возможные клинические применения

В настоящее время шкала оценки Американской ассоциации по травмам позвоночника (ASIA) [32] является стандартом для классификации повреждений спинного мозга.Это включает в себя серию обследований легким прикосновением и уколом булавкой, чтобы оценить, где у пациента сохранилось сенсорное восприятие. Чтобы определить сохранность двигательной функции, оценивается способность пациента двигать определенными ключевыми группами мышц. Этот метод физического обследования позволяет получить информацию о функции спинного мозга, но не раскрывает информацию о состоянии спинного мозга каудальнее места повреждения. Дальнейшая информация относительно состояния каудального отдела спинного мозга до уровня повреждения должна быть получена инвазивными методами или на основании рефлекторных действий.Электрофизиологические методы, такие как соматосенсорно-вызванный потенциал, Н-рефлекс или рефлексы растяжения, позволяют оценить остаточную функцию после травмы спинного мозга. Полезность этих методов ограничена неполным объемом информации, полученной с каждой мерой, так что для определения функции невязки требуется комбинация мер. Например, соматосенсорные вызванные потенциалы исследуют проводимость на больших участках тела, и на результаты могут влиять периферическое повреждение, повреждение нервных корешков или повреждение спинного мозга, при этом не обнаруживая, на каком участке пути произошло повреждение.Точно так же усиление рефлексов указывает на заболевание верхних мотонейронов, но не показывает степень повреждения, а также то, является ли повреждение полным или неполным. Хотя эти методы полезны для многих исследовательских приложений, они требуют специального оборудования и отнимают много времени. Следовательно, эти методы не используются в рутинной клинической практике. Таким образом, способность спинномозговой фМРТ определять активность нейронов ниже места повреждения у пациентов с травмой спинного мозга имеет большое значение для тех, кто оценивает травму, планирует стратегию лечения или контролирует восстановление функции во время и после лечения.

Хотя спинномозговая фМРТ еще не готова для рутинного клинического использования при исследовании повреждений спинного мозга, она, безусловно, пригодна для использования при оценке стратегий восстановления функций. Как уже говорилось, возможности других показателей, таких как соматосенсорные вызванные потенциалы или H-рефлекс, которые способны оценить остаточную функцию каудальнее травмы, ограничены, потому что они выявляют эффект, но не локализацию повреждения вдоль проводящего пути. Кроме того, эти методы инвазивны. Шкала оценки ASIA, хотя обычно используется для оценки и классификации повреждений и остаточной функции, не чувствительна к нейронным изменениям.Спинальная фМРТ станет более полезной по мере разработки стратегий вмешательства, поскольку она может обнаруживать различия в активности нейронов до и после лечения. ФМРТ позвоночника может стать важным инструментом для оценки эффективности вмешательств. В настоящее время оценочная шкала ASIA используется для отслеживания прогресса в исследовательских вмешательствах, и, как уже упоминалось, она не может обнаружить нейронные изменения. Точно так же спинномозговая фМРТ может служить для оценки эффектов фармакологического лечения на спинной мозг и функцию нервных корешков.Аналогичным образом, испытания лекарств от спастичности также могут принести большую пользу, опять же, потому что в настоящее время доступно мало неинвазивных методов, позволяющих объективно увидеть изменения в активности нейронов. Этот неинвазивный метод может показать, где функциональная активность возникает в ответ на стимул, независимо от способности пациента чувствовать стимул — функции, которой не хватает оценочной шкале ASIA. Следовательно, в случае повреждения спинного мозга, активность нейронов в спинном мозге как выше, так и ниже места повреждения можно отслеживать после первоначального повреждения для прогноза и принятия решений по стратегии восстановления функции, а также на протяжении всей реабилитации и в ответ на фармакологическое лечение.Можно разработать протокол, позволяющий проводить стандартную батарею тестов для оценки восходящей, нисходящей и рефлекторной активности.

ФМРТ использовалась для исследования ноцицептивной обработки и центральной сенсибилизации в головном мозге, чтобы лучше понять боль. Однако спинной мозг и ствол головного мозга также являются критическими центрами для ноцицептивной обработки перед посылкой сигналов в мозг и являются местами значительных функциональных нарушений при состояниях хронической боли. Известно, что хроническая невропатическая боль приводит к изменениям центральной нервной системы.ФМРТ спинного мозга можно использовать для изучения структурных и функциональных коррелятов боли и углубления нашего понимания механизмов ноцицептивной обработки, центральной сенсибилизации и хронической невропатической боли. Кроме того, нейронные механизмы, лежащие в основе модуляции боли вниманием, неизвестны, но данные предполагают участие нескольких уровней центральной нервной системы, включая спинной рог спинного мозга. Поражение дорсального рога еще не было показано в исследованиях функциональной нейровизуализации.Будущие исследования с использованием функциональной нейровизуализации в этой области оправданы и, вероятно, окажут значительное влияние на терапевтические вмешательства. Комбинированная визуализация спинного мозга, ствола головного мозга и головного мозга предоставит информацию о нейронной активности всей центральной нервной оси, продвинув научные знания о том, как возникают и поддерживаются клинические состояния хронической боли. Способность отображать спинной мозг в головной мозг, а также нисходящие модулирующие пути обратно в спинной мозг, позволит исследовать изменения пластичности, связанные с состояниями хронической боли, и даст возможность оценить изменения как в болезненном состоянии, так и в реакции на периферические боли. и лечение центрального действия.Таким образом, с помощью спинномозговой фМРТ станут доступны объективные средства оценки нервной функции у пациентов с хронической болью. ФМРТ спинного мозга может быть полезна для определения патогенеза многих состояний с хронической болью, хотя в настоящее время это не изучено. ФМРТ спинного мозга может выявить нейрональные аномалии, лежащие в основе нескольких болевых состояний, таких как синдром раздраженного кишечника, хроническая боль в пояснице или фибромиалгия. Возможно, что центральная сенсибилизация участвует во многих состояниях хронической боли, и существует большой потенциал для спинномозговой фМРТ, чтобы выявить лежащее в основе инициирование или поддержание этого состояния.

Считается, что цервикогенная головная боль, а также многие состояния, связанные с болью в голове и шее, частично связаны с дисфункцией обработки информации в месте схождения верхних шейных корешков на хвостовом ядре тройничного нерва. Его причина, симптомы и лучший курс лечения неизвестны, и спинномозговая фМРТ с комбинированной фМРТ ствола мозга может пролить свет на основную причину этого расстройства и дать представление о наилучшем лечении этого болезненного состояния.ФМРТ спинного мозга также может быть полезна при исследовании мигрени. Недавние исследования показали, что люди, страдающие мигренью, подвергаются повышенному риску субклинических поражений [33], что функциональные корковые изменения происходят у пациентов с мигренью, и что эти изменения могут быть вторичными по отношению к степени подкорковых структурных повреждений [34]. Было бы полезно понять, коррелирует ли мигрень с поражением центральной нервной системы и долгосрочным функциональным дефицитом. Этого можно достичь, определив частоту возникновения поражений у людей, страдающих мигренью, и оценив, имеют ли эти поражения долгосрочные функциональные последствия — задача, для которой фМРТ спинного мозга хорошо подходит.Более глубокое понимание патологии мигрени может помочь в разработке стратегий облегчения.

Хотя анатомическая МРТ позвоночника используется для выявления ряда специфических состояний спинного мозга, таких как мальформация Киари, дефект, вызывающий синдром Брауна-Секара или гидромиелию, функциональное изображение этих состояний было бы полезно для мониторинга эффектов повреждение или структурная аномалия физиологической реакции и последующие изменения нейрональной функции.Это может помочь дифференцировать нейродегенеративное расстройство, такое как спинная мышца, которое включает в себя разрыв сенсорных волокон, но имеет симптомы, которые включают слабость, потерю проприоцепции и снижение координации и рефлексов, в дополнение к сенсорным нарушениям и боли. Способность спинномозговой фМРТ фиксировать активность нейронов спинного отдела позвоночника поможет в диагностике, прогнозе и мониторинге таких болезненных состояний, как это. Как и во многих других состояниях, симптомы могут возникать не сразу после первоначального оскорбления, а могут проявляться постепенно со временем, в результате чего может быть не сразу понятно, с чего начинать расследование.Когда трудно определить причину симптомов, фМРТ спинного мозга может указать на области аномальной нейрональной функции или определить точку, в которой происходит нарушение. Например, фМРТ спинного мозга может определить, является ли это заболеванием верхнего двигательного нейрона, нарушением нижнего двигательного нейрона или и тем, и другим, как при боковом амиотрофическом склерозе. Аналогичным образом можно определить, работают ли нейроны нормально, но разрушение происходит в нервно-мышечном соединении или в самих мышечных волокнах, как при мышечных дистрофиях.МРТ используется для определения участков поражения при рассеянном склерозе, но использование спинномозговой фМРТ может помочь в отслеживании прогрессирования заболевания и прогноза. Функциональная характеристика заболевания может быть проведена с помощью спинномозговой МРТ. В случае поперечного миелита возникает воспаление сегмента спинного мозга, которое может вызвать повреждение миелина, тем самым нарушая нервную проводимость и нарушая нейронную связь. Преимущества функциональной визуализации для этих типов состояний очевидны.

Дооперационное картирование позволяет локализовать функцию кортикальной ткани рядом с областями, предназначенными для операции или резекции.Функциональные и анатомически различные области коры головного мозга у разных людей различаются. Использование фМРТ может идентифицировать области, связанные с определенными функциями, так что эти области можно нацеливать или избегать во время резекции. Этот метод является менее инвазивной альтернативой электрофизиологическому картированию коры головного мозга, обычно используемому для получения такого рода информации. Функциональная визуализация спинного мозга может быть полезна для диагностики и прогноза операции по декомпрессии нерва. Например, у пациентов с шейной или поясничной радикулопатией часто неясно, какой нервный корешок раздражен или поврежден.Ядовитая стимуляция пораженной области с одновременной фМРТ спинного мозга поможет локализовать конкретную пораженную область. В другом примере при диабетической невропатии уменьшение давления на туловище достигается за счет иссечения сужающей полосы или расширения костного канала для облегчения болевых симптомов. Что касается диабетической невропатии, на основании отчетов пациентов не всегда ясно, какие спинномозговые нервы задействованы, поскольку часто в возникновении симптоматики участвует несколько нервов. Таким же образом можно было бы помочь дренированию проблемных кист Тарлова, которые могут вызвать изменение чувствительности и нарушение двигательных способностей.Было бы важно идентифицировать и лечить любые кисты, сдавливающие нервные корешки, поскольку невылеченные кисты могут вызвать необратимые неврологические повреждения. Хирургическое вмешательство при сирингомиелии с возможными сенсорными, моторными и вегетативными нарушениями также может быть поддержано таким образом. В некоторых случаях трудноизлечимых болевых состояний перерыв корешков спинномозговых нервов может принести облегчение, и, опять же, это ситуация, в которой идентификация индивидуального распределения нейрональной активности будет иметь большое значение.С помощью спинномозговой фМРТ можно было бы лучше идентифицировать конкретные нервы, участвующие в определенных симптомах, а также желаемое сохраняющееся поведение, тем самым улучшая планирование операции и снижая хирургический риск.

Способность спинномозговой фМРТ обнаруживать изменения в функции нейронов в отсутствие явных физических проявлений может быть ценна для пациентов, проходящих восстановление функции, реабилитацию или фармакологическое лечение. Помимо физиологической информации, полученной врачом, пациенты могут получить психологическую пользу.На начальных этапах стратегии лечения пациентов может обескураживать, когда признаки улучшения еще не обнаруживаются. В отсутствие измеримых физических улучшений «доказательство» улучшения нейрональной активности (увеличение или уменьшение проводимости, в зависимости от состояния) могло бы стать стимулом и мотивацией для продолжения реабилитационных стратегий. С другой стороны, спинномозговая фМРТ может выявить неэффективную стратегию и ускорить поиск альтернативных стратегий.

Что нужно, чтобы добраться туда?

Технические ограничения спинномозговой фМРТ должны быть устранены и улучшены, чтобы она была полезной в клинической практике. Необходимость более высокого отношения сигнал / шум при функциональной визуализации спинного мозга является проблемой. Будущие исследования спинномозговой фМРТ, вероятно, выиграют от снижения шума сердечного происхождения. Моделирование динамики активности, не связанной с нейронами, должно уменьшить или устранить шум, вызванный движением сердца. Более частое использование магнита 3 Тесла поможет увеличить сигнал и чувствительность к магнитной восприимчивости, потому что различные типы тканей находятся в непосредственной близости внутри позвоночного канала.Для решения этой проблемы требуется дополнительная работа. Требуется выявление и устранение ошибок (ложно сработавшие пиксели). Решение этих проблем повысит надежность и чувствительность спинномозговой фМРТ, что приведет к созданию метода визуализации, достаточного для использования на индивидуальной основе. В то время как в большинстве исследований для статистической достоверности используется сгруппированный анализ, это явно неприемлемо для клинических целей. Параметры сканирования, идеально подходящие для контраста в спинномозговой МРТ, приводят к медленному получению изображений, тогда как желательна более быстрая техника визуализации.Кроме того, в настоящее время фМРТ стоит дорого и требует высококвалифицированного персонала для сбора и анализа данных.

Достигнут прогресс в продвижении спинномозговой фМРТ к клиническому применению. Получение функциональных изображений в сагиттальной ориентации позволяет отображать карты активности в осевой, коронарной и сагиттальной ориентации с улучшенным пространственным разрешением в верхнем / нижнем направлении [14]. Помимо демонстрации деталей субсегментарной организации спинного мозга, были идентифицированы нейроанатомические детали, такие как остистые отростки и положение нервных корешков, а также шейные и поясничные увеличения.Кроме того, результаты могут быть нормализованы и построены согласованные правые / левые и передние / задние размеры, что облегчает сравнение внутри спинного мозга и между ними. При дальнейшем развитии этого метода можно получить оптимальные размеры нормализации и собрать атлас спинного мозга, что может облегчить стандартный метод документирования результатов. В идеале для технических специалистов и клиницистов должна быть доступна программа для простого и быстрого анализа данных. Объединение стандартизированного протокола оценки спинномозговой фМРТ с эффективной и понятной программой анализа может ускорить использование фМРТ позвоночника в клинической практике.Хотя в этой области были достигнуты успехи, требуется дальнейшая работа, прежде чем метод станет оптимальным для клинических целей.

Помимо технических достижений, необходимых для того, чтобы ФМРТ позвоночника была готова к клиническому использованию, необходимо рассмотреть другие вопросы. Чтобы ФМРТ спинного мозга была эффективной, требуется тщательный дизайн исследования. Парадигма задачи должна в идеале изолировать конкретное исследуемое поведение, исключая другое поведение. Это может быть особенно сложно в ситуации нарушения функционирования или потери функции.Как указал Детре [35], получить функциональный образ нарушения сложно как из-за сложности разработки хорошо охарактеризованной парадигмы для изучения конкретного аспекта дефицита, так и из-за сложности визуализации нейронных связей. корреляты поведения, которое пациент не может выполнять должным образом. Это не относится к фМРТ позвоночника, но, тем не менее, верно.

Вероятно, что полезность спинномозговой фМРТ предоставит дополнительную информацию к информации, полученной с помощью других инструментов, а не заменит их.Хотя фМРТ спинного мозга может оказаться оптимальным инструментом в определенных случаях, более вероятно, что для получения более полной картины будет использовано сочетание спинномозговой фМРТ с другими инструментами. Например, объединение информации из электрофизиологии со спинномозговой фМРТ может решить проблемы с большим временным и пространственным разрешением, таким образом преодолевая ограничения каждого метода, используя сильные стороны обоих. Визуализация тензора диффузии неинвазивным образом дает структурную информацию об ориентации трактов белого вещества.Анатомические и функциональные связи могут быть нанесены на карту, чтобы предоставить важную информацию о нейронных цепях, важную информацию для хирургических целей. Спинальная нейрональная активность изменяется в отсутствие нисходящей модуляции от супраспинальных центров, и, таким образом, эффекты резекции или стимуляции могут быть обнаружены на уровне спинного мозга. Магнитно-резонансная спектроскопия позволяет исследовать метаболизм и биохимию тканей; в сочетании с фМРТ он может дать представление о нормальных и болезненных состояниях спинного мозга.

Выводы

В конечном итоге цель состоит в том, чтобы ФМРТ позвоночника стала полезным и практичным клиническим инструментом. В настоящее время оценивается потенциал фМРТ головного мозга для клинического использования [36,37]. Спинальная фМРТ была впервые продемонстрирована десять лет назад, и ее продвижение в клиническую практику с решением проблем, описанных ранее, является многообещающим и неизбежным.

Ссылки и рекомендуемая литература

Недавно опубликованные статьи, представляющие особый интерес, были отмечены как:

• Важные

•• Важные

1.Огава С., Ли TM, Кей А.Р., Танк DW. Магнитно-резонансная томография головного мозга с контрастом, зависящим от оксигенации крови. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1990; 87: 9868–9872. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 2. Строман П.В., Краузе В., Малиша К.Л. и др. Внесосудистая протонная плотность изменяется как не выделенный жирным шрифтом компонент контраста в фМРТ спинного мозга человека. Magn Reson Med. 2002. 48: 122–127. [PubMed] [Google Scholar] 3 •. Строман П.В., Корнельсен Дж., Лоуренс Дж., Малиса К.Л. Функциональная магнитно-резонансная томография на основе контраста SEEP: функция отклика и анатомическая специфичность.Магнитно-резонансная томография. 2005; 23: 843–850. Эта статья дает дополнительную информацию о контрасте SEEP. [PubMed] [Google Scholar] 4. Строман П.В., Краузе В., Малиша К.Л. и др. Характеристика контрастных изменений при функциональной МРТ спинного мозга человека при магнитно-резонансной томографии 1,5 Тл. 2001; 19: 833–838. [PubMed] [Google Scholar] 5. Строман П.В., Райнер Л.Н. Функциональная МРТ моторной и сенсорной активации спинного мозга человека. Магнитно-резонансная томография. 2001; 19: 27–32. [PubMed] [Google Scholar] 6. Макки С., Ладлоу Д., Книрим Дж. И др.Активация FMRI в шейном отделе спинного мозга человека при ядовитой термической стимуляции. Доклад, представленный на 22-м ежегодном научном собрании Американского общества боли; Чикаго, штат Иллинойс. 20–23 марта 2003 г. [Google Scholar] 7. Вонг К.К., Нг М.К., Ху Й. и др. Функциональная МРТ спинного мозга в низком поле. Документ, представленный на 12-м ежегодном собрании Международного общества магнитного резонанса в медицине; Киото, Япония. 15–21 мая 2004 г. [Google Scholar] 8. Брукс Дж., Робсон М., Швайнхардт П. и др. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) спинного мозга: методическое исследование.Доклад, представленный на 23-м ежегодном научном собрании Американского общества боли; Ванкувер, Канада. 6–9 мая 2004 г. [Google Scholar] 9. Йошизава Т., Нос Т., Мур Г.Дж., Силлеруд Л.О. Функциональная магнитно-резонансная томография моторной активации шейного отдела спинного мозга человека. Нейроизображение. 1996. 4: 174–182. [PubMed] [Google Scholar] 10. Строман П.В., Нэнси П.В., Райнер Л.Н. BOLD МРТ шейного отдела спинного мозга человека при давлении 3 тесла. Magn Reson Med. 1999; 42: 571–576. [PubMed] [Google Scholar] 11. Строман П.В., Краузе В., Малиша К.Л. и др.Функциональная магнитно-резонансная томография шейного отдела спинного мозга человека со стимуляцией различных сенсорных дерматомов. Магнитно-резонансная томография. 2002; 20: 1–6. [PubMed] [Google Scholar] 12. Строман П.В., Томанек Б., Краузе В. и др. Картирование функции нейронов в здоровом и поврежденном спинном мозге человека с помощью спинномозговой фМРТ. Нейроизображение. 2002; 17: 1854–1860. [PubMed] [Google Scholar] 13. Строман П.В., Корнельсен Дж., Бергман А. и др. Неинвазивная оценка поврежденного спинного мозга человека с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии.Спинной мозг. 2004. 42: 59–66. [PubMed] [Google Scholar] 14 ••. Stroman PW, Kornelsen J, Lawrence J. Улучшенный метод функциональной МРТ позвоночника с большим охватом спинного мозга. J. Магнитно-резонансная томография. 2005. 21: 520–526. В этой статье описывается метод спинномозговой фМРТ, который позволяет охватить спинной мозг большим объемом в трех измерениях с надежными и воспроизводимыми результатами. [PubMed] [Google Scholar] 15. Мади С., Фландерс А.Е., Виницки С. и др. Функциональная МРТ шейного отдела спинного мозга человека.AJNR Am J Neuroradiol. 2001; 22: 1768–1774. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 16. Backes WH, Mess WH, Wilmink JT. Функциональная МРТ шейного отдела спинного мозга с использованием стимуляции срединного нерва и сжатия кулаков. AJNR Am J Neuroradiol. 2001; 22: 1854–1859. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 17. Корнельсен Дж., Строман П.В. ФМРТ поясничного отдела спинного мозга во время двигательной задачи нижних конечностей. Magn Reson Med. 2004. 52: 411–414. [PubMed] [Google Scholar] 18. Ng MC, Wong KK, Li G и др. ФМРТ спинного мозга с взвешиванием по протонной плотности и сенсомоторной стимуляцией при 0.2 Т. Нейроизображение. 2006; 29: 995–999. [PubMed] [Google Scholar] 19. Коллиас С.С., Квечински С., Саммерс П. Функциональная МРТ шейного отдела спинного мозга человека. Документ, представленный на 42-м ежегодном собрании Американского общества нейрорадиологов; Сиэтл, Вашингтон. 5–11 июня 2004 г. [Google Scholar] 20. Бергман А., Леблан С., Строман П.В. ФМРТ спинного мозга при рассеянном склерозе: сравнение изменений интенсивности сигнала со здоровым контролем. Документ, представленный на 12-м ежегодном собрании Международного общества магнитного резонанса в медицине; Киото, Япония.15–21 мая 2004 г. [Google Scholar] 21. Бергман А., Леблан С., Строман П.В. ФМРТ спинного мозга при рассеянном склерозе у людей. Документ, представленный на 12-м ежегодном собрании Международного общества магнитного резонанса в медицине; Киото, Япония. 15–21 мая 2004 г. [Google Scholar] 22. Stracke CP, Pettersson LG, Schoth F и др. Межнейрональные системы шейного отдела спинного мозга оцениваются с помощью BOLD-визуализации при 1,5 Тл. Нейрорадиология. 2005. 47: 127–133. [PubMed] [Google Scholar] 23. Моффитт М.А., Дейл Б.М., Дюрк Д.Л., Гриль В.М.Функциональная магнитно-резонансная томография поясничного отдела спинного мозга человека. J. Магнитно-резонансная томография. 2005. 21: 527–535. [PubMed] [Google Scholar] 24. Говерс Н., Бегин Дж., Ван Гетем Дж.В.М. и др. Функциональная МРТ шейного отдела спинного мозга на 1,5 Тл с пальцем: насколько это возможно? Нейрорадиология. 2007; 49: 73–81. [PubMed] [Google Scholar] 25. Поршас Р., Бекманн Н., Бруттель К. и др. Сигнальные изменения в спинном мозге крысы после инъекции формалина в заднюю лапу: характеристика с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии.Proc Natl Acad Sci U S. A. 1997; 94: 5034–5039. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 26. Малиша К.Л., Строман П.В. Функциональная визуализация шейного отдела спинного мозга крыс. J. Магнитно-резонансная томография. 2002. 16: 553–558. [PubMed] [Google Scholar] 27. Малиса К.Л., Строман П.В., Тернер А. и др. Функциональная МРТ поясничного отдела спинного мозга крысы с болезненной стимуляцией и эффектом мобилизации периферических суставов. J. Магнитно-резонансная томография. 2003. 18: 152–159. [PubMed] [Google Scholar] 28. Лоуренс Дж., Строман П.В., Баскарамурти С. и др.Корреляция функциональной активации в спинном мозге крысы с активацией нейронов, обнаруженной с помощью иммуногистохимии. Нейроизображение. 2004; 22: 1802–1807. [PubMed] [Google Scholar] 29. Майчер К., Томанек Б., Ясинский А. и др. Одновременная функциональная магнитно-резонансная томография спинного и головного мозга крыс. Exp Neurol. 2006; 197: 458–464. [PubMed] [Google Scholar] 30. Лилья Дж., Эндо Т., Хофстеттер С. и др. Визуализация в зависимости от уровня оксигенации крови синаптических ретрансляционных станций сенсорных путей вдоль нейроаксиса в ответ на ступенчатую сенсорную стимуляцию конечности.J Neurosci. 2006. 26: 6330–6336. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 31. Корнельсен Дж., Строман П. Обнаружение нейрональной активности, происходящей каудально по отношению к месту повреждения спинного мозга, которая возникает во время выполнения задач движения нижних конечностей. Спинной мозг. 2007 г. В печати. [PubMed] [Google Scholar] 32. Комитет неврологических стандартов Американской ассоциации травм позвоночника. Международные стандарты неврологической классификации повреждений спинного мозга (пересмотренные, 2002 г.) Чикаго, Иллинойс: Американская ассоциация травм спинного мозга; 2002 г.[Google Scholar] 33. Kruit MC, van Buchem MA, Hofman PA и др. Мигрень как фактор риска субклинических поражений головного мозга. ДЖАМА. 2004. 291: 427–434. [PubMed] [Google Scholar] 34. Рокка М.А., Чеккарелли А., Фалини А. и др. Диффузионная тензорная магнитно-резонансная томография при 3,0 тесла выявляет тонкие аномалии серого вещества головного мозга у пациентов с мигренью. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 2006. 77: 686–689. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 35. Detre JA. Клиническая применимость функциональной МРТ. J. Магнитно-резонансная томография.2006; 23: 808–815. [PubMed] [Google Scholar] 36. Специальный выпуск JMRI: клинический потенциал картирования мозга с помощью МРТ. J. Магнитно-резонансная томография. 2006; 23: 785–957. [PubMed] [Google Scholar] 37. Мэтьюз PM, Honey GD, Bullmore ET. Применение фМРТ в трансляционной медицине и клинической практике. Nat Rev Neurosci. 2006; 7: 732–744. [PubMed] [Google Scholar]

границ | Функциональная ультразвуковая визуализация гемодинамических реакций спинного мозга на эпидуральную электрическую стимуляцию: технико-экономическое обоснование

Введение

За последние десятилетия эпидуральная электрическая стимуляция спинного мозга (СКС) была успешно применена для помощи пациентам с хронической трудноизлечимой болью (1–3).Между тем, SCS был описан как многообещающая альтернативная стратегия для облегчения симптомов двигательных нарушений при рассеянном склерозе (4, 5) и болезни Паркинсона (6–9), а также для улучшения двигательных (10–14) и вегетативных функций (15) у пациентов. при травме спинного мозга. Терапевтические эффекты SCS зависят от используемых параметров стимуляции (интенсивность, частота, ширина импульса, импульсная или непрерывная стимуляция, конфигурация электродов и т. Д.). В то же время механизмы и нейронные структуры, с помощью которых SCS подавляет хроническую боль и позволяет управлять моторикой, остаются неясными, хотя некоторые гипотезы были подтверждены компьютерным моделированием (16–18) и данными, в основном полученными из электрофизиологических записей (19, 20).Электромиография (ЭМГ) широко используется в качестве инструмента диагностики нервно-мышечных заболеваний и инструмента исследования нарушений моторного контроля. Однако сигнал ЭМГ ограничен и может предоставить одномерную информацию об активации нейронов спинного мозга. В этом контексте сочетание новых инновационных методов, обеспечивающих высокое пространственное и временное разрешение, и методов электрофизиологии может предоставить важную информацию о механизмах SCS и дополнительно облегчить оптимизацию протоколов SCS.Пространственное и / или временное разрешение доступных инструментов функциональной визуализации, таких как ПЭТ и МЭГ, намного ниже того, что требуется для оценки функциональных изменений спинного мозга во время SCS. Хотя пространственное разрешение функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) достигает субмиллиметра при сверхсильном магнитном поле (21, 22), размер аппарата МРТ может быть недопустимым для интраоперационного мониторинга.

Функциональная ультразвуковая визуализация (ФУЗИ) может дополнить эти методы при невысокой стоимости.fUS — это развивающийся метод, который использует новую технику визуализации сверхбыстрой плоской волны и эффект нейрососудистой связи для мониторинга гемодинамических реакций ткани, связанных с нервной активностью (23). Сверхбыстрая визуализация плоских волн позволяет получать и накапливать ультразвуковые данные с частотой кадров 10–20 кГц, значительно повышая доплеровскую чувствительность к небольшим сосудам для визуализации с помощью fUS (24–26). Богатая пространственно-временная информация о данных сверхбыстрой плоской волны также позволяет реализовать более надежные и интеллектуальные фильтры загрязнения тканей, основанные на разложении по сингулярным значениям (SVD) (27–29), что дополнительно повышает чувствительность мониторинга гемодинамических ответов малых сосудов на fUS.В отличие от фМРТ, которая реагирует как на гемодинамические, так и на метаболические вариации, фУЗИ чувствительна только к гемодинамическим эффектам (23, 30). Следовательно, интерпретация результатов фУЗИ не затруднена сложным взаимодействием между гемодинамическими и метаболическими эффектами (31). По сравнению с другими методами визуализации, fUS имеет более высокое пространственное и временное разрешение, а также потенциально может выполняться на свободно движущихся животных с миниатюрным размером датчика для долгосрочного мониторинга в реальном времени (32, 33).Это открывает новые направления для потенциальных приложений fUS, поскольку в настоящее время нет доступной техники, которая могла бы оценить функциональные изменения в спинном мозге в режиме реального времени in vivo . ФУЗИ может помочь в оценке гемодинамического ответа во время размещения электродов, чтобы оптимизировать расположение отведений для нейромодуляционной терапии и для интраоперационного мониторинга гемодинамики спинного мозга во время хирургических процедур. Наконец, fUS может помочь сгенерировать важную информацию о функциональной организации спинного мозга и, в частности, может помочь отследить реакцию схем во время фармакологических вмешательств и нейромодуляции.

Одним из недостатков фУЗИ является то, что ультразвук не может эффективно проникать через кость. Следовательно, фУЗИ обычно требует удаления или истончения черепа для доступа к целевой ткани, такой как мозг (23, 31). Тем не менее, fUS продемонстрировал многообещающие результаты в мониторинге широкого спектра мозговой деятельности, связанной со зрительными, слуховыми, обонятельными и моторными функциями (23, 34–36), визуализации внутренней связности мозга (37) и измерения активности мозга людей, в том числе новорожденных. (38) и во время операции (39).Подробный обзор современных доклинических и клинических применений фУЗИ недавно был опубликован в (40).

Насколько нам известно, это первая попытка применения fUS для изучения эффекта стимуляции спинного мозга на животных моделях. Здесь мы представляем методологию и рабочий процесс, включая оптимизированную регистрацию субпиксельного движения, фильтрацию помех на основе SVD и количественную оценку гемодинамического ответа, чтобы проверить возможность использования fUS для изучения ответа SCS.Возможности предложенного рабочего процесса были протестированы на двух видах (крысы и свиньи). Были оценены специфические гемодинамические ответы спинного мозга, связанные с различными параметрами SCS, включая различные напряжения и модели стимуляции.

Материалы и методы

Экспериментальные процедуры были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных клиники Мэйо. Руководства по исследованиям на животных (Руководство по уходу и использованию лабораторных животных) Национального института здравоохранения строго соблюдались.Животных содержали в контролируемой среде (21 ° C, влажность 45%) с 12-часовым циклом свет / темнота.

Методика исследования на крысах

крыс Sprague-Dawley (3 самца, 325–350 г, ad libitum, доступ к воде и пище) анестезировали изофлураном (1,5–3%). Ламинэктомия была выполнена на уровне T13-L2, и спинной мозг был обнажен. Две проволоки из нержавеющей стали с тефлоновым покрытием были помещены в точки T13 и L2 и пришиты к твердой мозговой оболочке (что приблизительно соответствует сегментам L2 и S1 спинного мозга).Между T11-L12 и L3-L4 были открыты небольшие окна, позволяющие проводить провода под позвонками T12 и L3. На тефлоновом покрытии делали небольшую выемку (0,5 мм), обращенную к спинному мозгу, которая служила стимулирующим электродом. Дыхательное движение было минимизировано за счет фиксации позвоночника с помощью изготовленной на заказ рамы, состоящей из зажима, удерживающего остистый отросток Th22, и двух частей, отводящих мышцы спины с обеих сторон. Кроме того, два стержня были прикреплены к тазовым костям, чтобы удерживать тазовый пояс.Кожные лоскуты на спине были прикреплены вокруг каркаса, чтобы сформировать бассейн, облегчающий позиционирование датчика (рис. 1). SCS состоял из импульсов в квадрате 0,5 мс, подаваемых с частотой 40 Гц в монополярной или биполярной конфигурации. Два электрода сравнения вводили с двух сторон в мышцы спины. Сигналы ЭМГ регистрировались с помощью двух игольчатых электродов (Medtronic, Memphis, TN), вставленных с двух сторон в переднюю большеберцовую мышцу (TA) и икроножную мышцу (GAS) задних конечностей. Теплый физиологический раствор (1,5 мл) вводили S.C. каждые 2 часа.В конце эксперимента животных умерщвляли пентобарбиталом (150 мг / кг внутрибрюшинно).

Рисунок 1 . Установка визуализации fUS для исследования стимуляции спинного мозга на модели крысы. (A) Оптическое изображение расположения датчика fUS на спинном мозге. (B) Оптическое изображение целевой области спинного мозга с удаленным датчиком fUS. Аналогичная установка была использована для исследования свиней.

Процедура исследования свиней

Домашняя белая свинья (самец, возраст 8 недель, 25 кг, ad libitum, доступ к воде, кормление один раз в день) была первоначально анестезирована смесью телазола (5 мг / кг) и ксилазина (2 мг / кг I.В.). Анестезию поддерживали изофлураном (1,5–3%). Для обезболивания на протяжении всего эксперимента вводили фентанил (2–5 мг / кг / ч). Подобные хирургические процедуры, описанные в предыдущем разделе, были выполнены на свиньях (41). Две тефлоновые проволоки из нержавеющей стали были наложены на L4 и L5-L6 и зашиты на твердой мозговой оболочке после выполнения ламинэктомии на L1-L6. Мышцы спины были втянуты, а позвоночник стабилизирован с помощью 4 стержней с тупым концом, которые прикрепляли позвоночник к изготовленной на заказ раме. СКС был доставлен при 40 Гц, 0.Ширина импульса 5 мс в биполярной конфигурации. Контрольный электрод вводили в мышцы спины. Игольчатые электроды (Medtronic, Мемфис, Теннесси) вставляли с двух сторон в мышцы задних конечностей TA и GAS для отслеживания ответов на ЭМГ во время SCS. В конце эксперимента субъект был усыплен (пентобарбитал натрия 100 мг / кг внутривенно).

fUS Настройка визуализации

Ультразвуковая система Verasonics Vantage (Verasonics Inc., Киркланд, Вашингтон) и высокочастотный линейный преобразователь Verasonics L22-14v (Verasonics Inc., Киркланд, Вашингтон) с центральной частотой 15 МГц. На рис. 1 показана установка визуализации fUS. Датчик fUS располагался на спинном мозге между ростральным и каудальным электродами. Поле зрения изображения (FOV) было тщательно выбрано, чтобы оно совпадало с продольным размером спинного мозга и пересекалось с центральным каналом (рис. 1B). Положение датчика fUS было фиксированным на протяжении всего исследования. Между датчиком FUS и спинным мозгом был добавлен тонкий слой минерального масла для акустической связи.

Для исследования была разработана последовательность fUS-визуализации на основе сверхбыстрой составной плоско-волновой визуализации. Как показано на рисунке 2A, пять управляемых плоских волн (от -4 до 4 °, с углом шага 2 °) передавались с каждым углом поворота, повторно передаваемым три раза, чтобы повысить отношение сигнал / шум (SNR). Эта схема сложения имеет эквивалентное отношение сигнал / шум к стандартной последовательности сложения под 15 углами, но снижает вычислительные затраты на формирование луча в 3 раза (32). Интервал следования импульсов составлял 35 мкс (что соответствует частоте следования импульсов (PRF) 28.6 кГц), а общие временные затраты на передачу и прием всех 15 передач составили 525 мкс. Чтобы обеспечить частоту повторения импульсов после сложения, равную 500 Гц, к каждой группе сложных передач было добавлено время бездействия 1475 мкс (рис. 2А). После когерентного компаундирования (24) были получены высококачественные ультразвуковые данные (рис. 2В), которые использовались в качестве доплеровских ансамблей для будущей обработки. В общей сложности 200 ансамблей Доплера (длительность 400 мс) были собраны в течение каждой секунды, чтобы произвести одно энергетическое доплеровское (PD) изображение в секунду (Рисунок 2C).Для эксперимента на крысах было собрано в общей сложности 120 с данных fUS (что соответствует 24000 кадров ультразвуковых данных с высокой частотой кадров) для каждого испытания SCS, включая 30 с базового измерения, 20 с измерения ES и 70 с. измерения восстановления. Для каждой конфигурации SCS было повторено пять испытаний. Для эксперимента на свиньях было собрано в общей сложности 30 секунд данных fUS (6000 кадров), включая 5 секунд исходного уровня, 15 секунд стимуляции и 10 секунд восстановления. Для каждой конфигурации SCS было повторено пять испытаний.

Рисунок 2 . Последовательность визуализации fUS, основанная на сверхбыстром совмещении плоских волн. (A) Схематические графики углов поворота плоских волн и соответствующие изображения плоских волн низкого качества. На оси времени указана частота кадров изображения. К концу каждой группы составных углов добавлялся запрет на операцию, чтобы обеспечить частоту кадров после сложения 500 Гц. (B) Пост-компаундирование высококачественных ультразвуковых данных с эффективной частотой повторения импульсов 500 Гц.Каждое высококачественное изображение составлено из 15 изображений направленной плоской волны (5 углов × 3 повтора для каждого угла). (C) Изображения Power Doppler, полученные после этапов обработки коррекции движения и фильтрации помех. Каждое изображение частичного разряда было сгенерировано из 200 ансамблей Доплера (т.е. высококачественные ультразвуковые данные после сложения, показанные в B ). Окончательная частота кадров fUS-изображения составляла 1 Гц (то есть одно изображение частичного разряда в секунду). Глубина и ширина изображений — 9,86 и 12,8 мм соответственно.

Для синхронизации данных с измерениями SCS и EMG система Verasonics была запрограммирована на отправку сигнала запуска в начале каждой секунды при передаче первой управляемой плоской волны. Сигнал запуска записывался вместе с сигналами SCS и EMG для последующей обработки.

fUS Этапы постобработки

Коррекция движения

Чтобы облегчить точные измерения гемодинамических ответов методом fUS, мы разработали надежный и быстрый алгоритм коррекции движения субпикселей для удаления движения тканей, вызванного дыханием и SCS.Коррекция движения применялась как к исходным ультразвуковым данным с высокой частотой кадров до фильтрации помех (например, рис. 2B), так и к изображениям частичных разрядов после фильтрации помех (например, рис. 2C). Метод коррекции движения основан на принципах регистрации субпикселей на основе фазовой корреляции, представленных в (42). Вкратце, метод Foroosh et al. (42) получили аналитическое решение функции фазовой корреляции между изображениями, сдвинутыми на нецелое число пикселей (Δ x , Δ z ), и представили метод использования основного пика и боковых пиков изображения. обратное преобразование Фурье функции фазовой корреляции ( C ) для вычисления смещения субпикселя:

Δz = C (0,1) C (0,1) ± C (0,0) (1)

, где C (0,0) указывает основной пик (т.е.е., положение пикселя с наивысшим положительным значением пикселя), а C (1,0) и C (0,1) указывает боковые пики (т. е. положение пикселя со вторым наивысшим положительным значением пикселя) вдоль Размер x и размер z соответственно. Чтобы повысить надежность уравнения (1) для ультразвуковых приложений, мы добавили дополнительные измерения Δ x ′ и Δ z ′ с использованием основного пика и боковых пиков с наибольшим отрицательным значением пикселя:

Δx ′ = C (-1,0) -C (-1,0) ± C (0,0) Δz ′ = C (0, -1) -C (0, -1) ± C (0,0) (2)

Затем было вычислено среднее смещение субпикселя с использованием результатов из Уравнений (1) и (2).Другой доступный алгоритм оценки движения субпикселя, такой как представленный в (43), и функция normxcorr2.m в MATLAB, требуют тяжелой повышающей дискретизации ультразвуковых сигналов, чтобы измерить движение субпикселей между кадрами. В fUS-визуализации эта процедура повышающей дискретизации чрезвычайно затратна в вычислительном отношении из-за большого количества ультразвуковых данных, полученных во временном измерении. Напротив, алгоритм оценки движения субпикселей, используемый в этом исследовании, не требует повышающей дискретизации и включает преобразование Фурье, которое может выполняться с чрезвычайно высокой скоростью.Следовательно, вычислительные затраты могут быть значительно уменьшены с помощью метода, использованного в этом исследовании.

Для дальнейшего повышения надежности оценки субпиксельного смещения и подавления ложных вычислений, как показано на рисунке 3, сначала была получена кривая скорости ткани (рисунок 3B) путем взятия производной от исходной кривой смещения (рисунок 3A). Затем к кривой скорости было применено пороговое значение скорости ткани (отсечка для этого исследования была определена эмпирически как 2 мм / с), чтобы отклонить высокие значения скорости, с последующим интегральным вычислением для восстановления кривой смещения (рис. 3C).Таким способом можно эффективно устранить ложное смещение. Этот дополнительный шаг применялся только к исходным ультразвуковым данным с высокой частотой кадров, а не к изображениям частичных разрядов.

Рис. 3. (A) Исходная кривая смещения с расчетами ложного смещения. (B) Взятие производной (т. Е. Скорости) кривой смещения и применение порога скорости ткани. (C) Интеграл кривой скорости после отклонения больших скоростей ткани, чтобы удалить ложные вычисления смещения.

Наконец, чтобы избежать появления артефактов, связанных с применением фазового сдвига к спектру Фурье (из-за данных с ограниченной полосой частот), для регистрации перемещенного ультразвука использовалась интерполяция данных с координатной сеткой (например, функция griddedInterpolant.m в Matlab). кадры.

Фильтрация беспорядка в тканях

В этом исследовании использовался пространственно-временной ультразвуковой фильтр помех на основе SVD для подавления помех тканям и извлечения сигналов микрососудов (27–29). Здесь мы использовали комбинацию ускоренного метода SVD (44) и метода выравнивания шума (45) для фильтрации тканевых помех.Для первых 200 ультразвуковых ансамблей в каждом испытании был рассчитан полный SVD, чтобы определить порог сингулярного значения с низким порогом отсечки для отторжения ткани (28) и получить поле шума для выравнивания шума (45). То же самое низкое значение отсечки и шумовое поле использовались для остальных ультразвуковых данных в испытании. На Рисунке 4 показаны PD-изображения после коррекции движения и процесса фильтрации помех для спинного мозга крысы (Рисунок 4A) и спинного мозга свиньи (Рисунок 4B).

Рисунок 4 .Изображения с помощью энергетического допплера (PD) спинного мозга крысы (A) и спинного мозга свиньи (B) после фильтрации помех SVD.

Расчет и измерение гемодинамической реакции спинного мозга

Ультразвуковой доплеровский сигнал мощности измеряет мощность обратного рассеяния движущейся крови, которая отражает объем крови в запрашиваемом месте (например, каждый пиксель изображения) (46). Здесь мы определяем изменение объема спинномозговой крови (Δ SCBV ) как процент вариации сигнала энергетического допплера ( PD ) по сравнению с исходным уровнем:

ΔSCBV = PDstim-PDbaseline PDbaseline × 100%

Сглаживающий фильтр Савицки-Голея (47) (длина окна = 11, порядок = 1) был применен к измерению Δ SCBV для каждого пикселя изображения вдоль временного направления, чтобы удалить шум.Δ SCBV измерения с амплитудой, меньшей, чем удвоенное стандартное отклонение базовых колебаний, были отклонены. Остальные измерения Δ SCBV были закодированы цветом и наложены на изображения PD (рис. 5A, дополнительные видео 1, 2 для гемодинамического ответа спинного мозга с SCS и без него).

Рисунок 5. (A) Карты гемодинамического ответа спинного мозга во время SCS. Цветовая карта показывает изменение объема спинномозговой крови (Δ SCBV ).Фильм ответа SCS представлен в дополнительном видео 1. (B) Выбор областей интереса (ROI) для локальной оценки Δ SCBV . (C) Показания количественных измерений SCBV, полученных для ответа SCS.

Для количественных локальных измерений Δ SCBV были выбраны четыре области интереса (ROI) для рострально-дорсального, рострально-вентрального, каудально-дорсального и каудально-вентрального отделов спинного мозга (рис. 5B). Для каждого раздела было вычислено среднее значение Δ SCBV с использованием всех пикселей внутри области интереса для каждого момента времени.Затем пять кривых Δ SCBV из пяти повторных испытаний SCS были усреднены и сглажены (фильтром Савицки-Голея с 5-м порядком и длиной окна из 21 образца) для количественных измерений, как показано синей и оранжевой кривой на рисунке 5C. , соответственно. Четыре параметра, включая пиковый отклик, восходящий наклон кривой отклика (т.е. скорость отклика), площадь под кривой отклика (AURC) и время восстановления, были выведены из кривой Δ SCBV . Для скорости отклика была проведена линейная аппроксимация восходящей части кривой Δ SCBV для расчета наклона (обозначена желтой кривой на Фигуре 5C).Чтобы определить конечную точку ответа SCS и восстановления спинного мозга, была проведена линейная аппроксимация нисходящей части кривой Δ SCBV , и точка, где подобранная линия пересекается с нулевой осью Δ SCBV , использовалась в качестве конечная точка восстановления (обозначена крестиком на рисунке 5C). Временной интервал между пиковым откликом и конечной точкой восстановления рассчитывался как время восстановления. Наконец, общая площадь под кривой между началом SCS и конечной точкой восстановления была рассчитана как AURC, которая отражает изменения общего объема спинномозговой крови в пределах поля зрения визуализации в ответ на SCS.

Результаты

Влияние SCS на гемодинамические изменения спинного мозга по сравнению с нейроэлектрофизиологическими изменениями в мышцах

На рис. 6 показаны гемодинамические ответы спинного мозга на SCS на модели крысы (крыса № 1) при различных напряжениях стимуляции (1,8 и 1,0 В) при частоте SCS 40 Гц. SCS при 1,8 В давал четкий ЭМГ-ответ, отраженный в картах гемодинамического ответа и кривой ответа (рисунки 6A, C, D и дополнительное видео 3). С другой стороны, SCS 1,0 В не вызывал видимого отклика на ЭМГ, и наблюдалась только слабая кривая отклика в основном в дорсальной части спинного мозга (рисунки 6B – D и дополнительное видео 4).Из этих результатов можно ясно видеть, что более высокие напряжения SCS вызывают более сильные гемодинамические реакции спинного мозга. На рис. 7 показано, что все количественные измерения ответа спинного мозга на разных участках уменьшались при стимуляции при более низком напряжении. В то же время как для 1,8, так и для 1,0 В стимуляции гемодинамические изменения были выше в дорсальной части спинного мозга по сравнению с вентральной частью. Повышение напряжения SCS также увеличивало гемодинамические ответы в вентральных частях спинного мозга в различных сегментах, что коррелирует с наблюдениями ЭМГ на рисунке 6C.

Рис. 6. (A – C) Карты гемодинамического ответа спинного мозга (A, B) и соответствующие записи ЭМГ (C) от мышцы GAS при различных напряжениях SCS. Соответствующие fUS-фильмы ответа SCS были предоставлены в дополнительных видеороликах 2, 3, соответственно. (D) Кривые среднего ответа спинного мозга (спинной) для различных напряжений SCS, усредненные из пяти испытаний. Планки погрешностей указывают стандартное отклонение.

Рисунок 7 .Количественные измерения гемодинамического ответа спинного мозга с двумя различными напряжениями SCS. Измерения были получены из усредненных кривых отклика SCS из 5 испытаний с использованием метода, указанного на рисунке 5C. AURC, Площадь под кривой отклика.

К другой крысе (крыса № 3) прикладывали постепенно увеличивающееся напряжение SCS с 0,4 до 1,2 В. На дополнительном рисунке 1 показана монотонная и линейная зависимость между измеренными Δ SCBV и Δ EMG при различных напряжениях SCS.Δ ЭМГ обозначает увеличение среднеквадратичного (RMS) сигнала ЭМГ во время стимуляции по сравнению с его исходным уровнем. В наших экспериментах мы наблюдали, что разные крысы имели разную толерантность и порог реакции на электростимуляцию. Даже для одной и той же крысы порог реакции также может варьироваться в зависимости от частоты стимуляции и конфигурации электродов. Результаты, представленные на дополнительном рисунке 1, были получены от крысы, отличной от результатов на рисунке 6, поэтому использовались разные напряжения.

Пространственный анализ вызванного СКС гемодинамического ответа спинного мозга

На рис. 8 показаны количественные гемодинамические ответы спинного мозга на SCS, классифицированные по различным отделам спинного мозга. Основное различие в гемодинамических изменениях с SCS было обнаружено между активацией дорсальной и вентральной частей спинного мозга с более высокой активностью в дорсальной части по всем тестируемым сегментам. Разница между ростральной и каудальной гемодинамикой была менее заметной, с более высокой гемодинамической реакцией на ростральных сегментах (где размещался электрод).Эти результаты согласуются с наблюдениями на фиг. 6A, B, где рострально-дорсальный отдел спинного мозга показал наибольшее увеличение объема крови во время стимуляции.

Рисунок 8 . Пространственный анализ гемодинамического ответа спинного мозга. (A) дорсальный ответ по сравнению с вентральным SCS; (B) ростральная и каудальная реакция. AURC, Площадь под кривой отклика.

Гемодинамический ответ спинного мозга на структурированный SCS

На рис. 9 показаны результаты fUS-мониторинга ответа спинного мозга под структурированным SCS (крыса № 2).Шаблонный SCS состоит из трех циклов включения-выключения SCS, каждый цикл содержит период включения 20 с и период выключения 10 секунд с частотой SCS 40 Гц и амплитудой 0,6 В в биполярной конфигурации (рис. 9A). По сравнению с результатом на фиг. 6 здесь использовалось пониженное напряжение стимуляции, поскольку порог двигательной реакции был различным у животных и с различными параметрами SCS и конфигурациями электродов. На Рисунке 9B можно ясно увидеть изменения объема спинномозговой крови в соответствии с паттерном ВКЛ-ВЫКЛ SCS.Неадекватное время восстановления было дано между последовательными периодами SCS, и, следовательно, объем спинномозговой крови не мог вернуться к исходному значению, пока шаблонный SCS не был выключен. Одновременный отклик ЭМГ показан на рисунке 9C. Дополнительное видео 5 показывает один репрезентативный фильм шаблонного ответа SCS в модели крысы.

Рисунок 9. (A) Схематическое изображение узорчатого SCS. (B) fUS контролировал реакцию спинного мозга, усредненную по результатам 5 исследований. Полоса ошибок указывает стандартное отклонение. (C) Запись ЭМГ от мышцы ГАЗ. Видео-ответ fUS можно найти в дополнительном видео 4.

Технико-экономическое обоснование модели

для свиней

На рис. 10 показаны результаты влияния SCS на гемодинамические изменения в спинном мозге свиней. Использовалась биполярная стимуляция 40 Гц с напряжением стимуляции 10 В. Более высокое напряжение стимуляции использовалось в модели свиней по сравнению с моделью на крысах из-за различий в пороговых значениях SCS для этих двух видов. В дополнительном видео 6 показан фильм о реакции спинного мозга свиней.Подобно результатам, полученным в исследовании на крысах, спинной мозг свиней показал хорошо коррелированные гемодинамические ответы на SCS. Как показано на рисунке 10 и дополнительном видео 6, аналогично исследованию на крысах, спинной спинной мозг имел значительно большее увеличение объема крови, чем брюшной спинной мозг.

Рисунок 10 . Снимки fUS-фильма ответа спинного мозга свиней на SCS. Фильм представлен в дополнительном видео 5.

Обсуждение

В этой статье был представлен оптимизированный рабочий процесс использования fUS для картирования локальной гемодинамической реакции спинного мозга во время эпидуральной электростимуляции.Предложенная методика была применена к двум видам животных для проверки осуществимости и возможности. Хотя это и не систематическое исследование, представленные здесь предварительные результаты продемонстрировали большой потенциал fUS в мониторинге и оценке гемодинамического ответа спинного мозга во время эпидуральной электростимуляции in vivo .

Для экономии вычислительных затрат, связанных с коррекцией движения, в этом исследовании использовался алгоритм регистрации движения субпикселей. Этот быстрый алгоритм не может исправить движение нежесткой ткани, которое может происходить в исследованиях in vivo .Это может привести к остаточному движению тканей, которое может вызвать ложные измерения ответа спинного мозга, которые вызывают колебания ответа спинного мозга, измеренного с помощью fUS.

В этом исследовании мы исследовали гемодинамический ответ спинного мозга, который сравнивали с электрофизиологическими измерениями во время эпидуральной стимуляции спинного мозга. По сравнению с другими методами функциональной визуализации, fUS обеспечивает превосходное пространственно-временное разрешение, что позволяет исследовать локальные ответы спинного мозга даже на небольших моделях, таких как крысы, и отслеживать изменяющиеся во времени ответы спинного мозга, вызванные SCS.Наши данные также предполагают, что фУЗИ является более чувствительным методом, чем обычно используемая электрофизиологическая оценка, такая как ЭМГ, и может определять подпороговый уровень моторной реакции СКС.

Основная цель этого исследования состояла в том, чтобы проверить осуществимость и возможность использования фУЗИ для изучения того, что эпидуральная стимуляция вызвала специфические изменения гемодинамики спинного мозга, измеренные в пояснично-крестцовых сегментах спинного мозга. В ходе экспериментов in vivo на маленьких (крысы) и крупных (свиньи) моделях животных эпидуральная стимуляция вызвала значительные изменения объема крови в спинном мозге с явной специфичностью к различным областям спинного мозга.Специфическая анатомическая организация сосудистой сети спинного мозга с передней и задней спинными артериями разделяет спинной мозг на две области, обеспечивая относительно независимое кровоснабжение вентральной и дорсальной частей спинного мозга (48–51). Эта разница между дорсальной и вентральной частями, хотя и очевидна из анатомических исследований, насколько нам известно, до сих пор не коррелировала с функциональной организацией спинного мозга. Сравнение правой и левой стороны спинного мозга (ростральная и левая стороны спинного мозга).каудальные области) также важна для оценки уровня асимметрии в активации афферентов спинного мозга, которая может быть функциональной или связана с анатомическим положением электрода на спинном мозге.

Чтобы обеспечить хороший контроль над положением датчика fUS и уменьшить артефакты движения, это исследование было проведено на анестезированных животных. Соответственно, наши текущие результаты не могут отражать весь спектр реакций спинного мозга, которые можно наблюдать у бодрствующих животных.Например, анестезия изофлураном, используемая в этом исследовании, может повлиять на реакцию сосудов, вызывая вазодилатацию (52).

Одним из ограничений fUS являются артефакты движения, вызванные физиологической деятельностью, такой как дыхание и движение, которые могут повлиять на сбор данных и могут потребовать сложной стабилизации позвоночного столба и механической изоляции от мышц. Другим ограничением является прямое размещение датчика fUS на спинном мозге, поскольку ультразвук не может проникнуть через позвонок, что является препятствием для этого метода в клиническом переводе.Однако недавно появились сообщения о неинвазивной ФУЗИ с использованием метода энергетического допплера с усилением микропузырьков (40, 53), при котором ФУЗИ можно проводить с интактной костью черепа. Эта неинвазивная форма визуализации fUS может быть использована и оценена для визуализации спинного мозга в будущем. Кроме того, это ограничение удаления позвонка потенциально может быть решено за счет миниатюризации устройств и разработки имплантируемых датчиков.

Текущая информация о функциональной организации спинного мозга в основном поступает из электрофизиологических экспериментов с внутриклеточными или внеклеточными записями или на основе активности, зарегистрированной в выбранных нервах или мышцах.Предыдущие исследования с использованием этих подходов показали, что спинномозговая схема очень чувствительна к различным модальностям афферентной информации, которая определяет немедленные и долгосрочные изменения и сложные механизмы, такие как пластичность и нейрорегенерация (54–56). Исследования, проведенные на кошках с острой децеребрацией (57), предполагают, что эпидуральная или интраспинальная стимуляция может активировать различные сети спинного мозга, при этом важную роль в их модуляции играет сенсорная информация. Обширная конвергенция афферентной информации о разных типах нейронов приводит к значительным ограничениям в понимании организации спинномозговых цепей с помощью доступных электрофизиологических инструментов в режиме реального времени (58, 59).Оценка гемодинамических изменений спинного мозга с помощью fUS — это новый и высокочувствительный инструмент, который может помочь предоставить информацию об активности спинного мозга в реальном времени по нескольким сегментам и улучшить наше понимание функциональной организации спинного мозга in vivo . В качестве доказательной работы это исследование проводилось только на маленьких и больших животных моделях. В будущем будут проведены масштабные и тщательные исследования для изучения возможностей клинического перевода.

Выводы

Важность понимания физиологических и патологических механизмов регуляции гемодинамики спинного мозга имеет решающее значение для диагностики, клинического мониторинга, а также для разработки новых методов лечения и новых протоколов реабилитации.Результаты настоящего исследования показывают, что эпидуральная стимуляция может вызывать изменения спинной гемодинамики, связанные со сложной нейрональной активностью спинномозговых цепей, как на малых, так и на крупных животных моделях. Это исследование представляет собой первую реализацию fUS для изучения функциональной организации гемодинамики спинного мозга и предоставляет результаты о корреляциях между нейронной активностью, вызванной SCS, и локальными изменениями гемодинамики. Измерения fUS показывают временное и пространственное разрешение, недостижимое другими электрофизиологическими методами.Будущие исследования модуляции нейрональной активности и гемодинамического ответа с помощью стимуляции спинного мозга помогут ответить на важные вопросы о функциональной организации спинного мозга в неповрежденном спинном мозге и его острых и хронических изменениях, связанных с различными патологическими состояниями.

Доступность данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в рукопись и / или дополнительные файлы.

Авторские взносы

PS, CC, SC, RI, KL и IL разработали эксперимент.PS, CC, ST, RI и IL составили черновик рукописи. PS, CC, RI и CH собирали экспериментальные данные. PS, ST, AM и JT написали алгоритмы обработки данных. CC, RI, HW и BK проводили операции на животных. Все авторы рецензировали и участвовали в редактировании рукописи.

Финансирование

Исследование, представленное в данной публикации, было частично поддержано Программой грантов на исследования по травмам спинного мозга и черепно-мозговой травмы Министерства высшего образования штата Миннесота (FP00098975 и FP00093993), за счет субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету для государственного задания в сфере научная деятельность (нет.17.9783.2017 / 8.9) и Национального института рака (NCI) Национальных институтов здравоохранения (NIH) под номером награды K99CA214523. Авторы несут полную ответственность за содержание, которое не обязательно отражает официальную точку зрения Национальных институтов здравоохранения.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fneur.2019.00279/full#supplementary-material

Дополнительный рисунок 1 . Гемодинамический ответ спинного мозга и ЭМГ на градиент напряжения.

Дополнительное видео 1 . Пять испытаний гемодинамической реакции спинного мозга на электрическую стимуляцию на модели крыс.

Дополнительное видео 2 .Бесшумный гемодинамический ответ спинного мозга на отключенную электрическую стимуляцию на модели крысы.

Дополнительное видео 3 . Гемодинамический ответ спинного мозга на монополярную электростимуляцию 40 Гц, 1,8 В на модели крысы.

Дополнительное видео 4 . Гемодинамический ответ спинного мозга на монополярную электростимуляцию 40 Гц, 1,0 В на модели крысы.

Дополнительное видео 5 . Гемодинамический ответ спинного мозга на структурированную электрическую стимуляцию на модели крысы.

Дополнительное видео 6 . Гемодинамический ответ спинного мозга на биполярное электрическое моделирование на модели свиньи.

Список литературы

1. Шили С. Н., Мортимер Дж. Т., Ресвик Дж. Б., Шили С. Н., Мортимер Дж., Ресвик Дж. Электрическое подавление боли путем стимуляции спинных столбов. Anesth Analg. (1967) 46: 489–91. DOI: 10.1213 / 00000539-196707000-00025

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

3. Олень Т.Р., Мехайл Н., Провенцано Д., Поуп Дж., Крамес Э., Леонг М. и др.Надлежащее использование нейростимуляции спинного мозга и периферической нервной системы для лечения хронической боли и ишемических заболеваний: комитет консенсуса по целесообразности нейромодуляции. Нейромодуляция. (2014) 17: 515–50; обсуждение 550. doi: 10.1111 / ner.12208

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

4. Кук А.В., Вайнштейн С.П. Хроническая стимуляция спинного отдела позвоночника при рассеянном склерозе. Предварительный отчет. N Y State J Med. (1973) 73: 2868–72.

PubMed Аннотация | Google Scholar

5. Иллис Л., Седжвик Е., Ойгар А., Авадалла М.С. Стимуляция спинного отдела позвоночника в реабилитации больных рассеянным склерозом. Ланцет. (1976) 307: 1383–6. DOI: 10.1016 / S0140-6736 (76) 93030-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

6. Agari T, Date I. Стимуляция спинного мозга для лечения нарушений осанки и походки у пациентов с болезнью Паркинсона. Neurol Med Chirurg. (2012) 52: 470–4. DOI: 10.2176 / nmc.52.470

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

7. Фенелон Дж., Гужон С., Гурручага Дж. М., Чезаро П., Джаррайя Б., Палфи С. и др. Стимуляция спинного мозга при хронической боли улучшила двигательную функцию у пациента с болезнью Паркинсона. Паркинсонизм, связанный с расстройством. (2012) 18: 213–4. DOI: 10.1016 / j.parkreldis.2011.07.015

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

8. Хассан С., Амер С., Алваки А., Эльборно А.Пациенту с болезнью Паркинсона помогает стимуляция спинного мозга. J Clin Neurosci. (2013) 20: 1155–6. DOI: 10.1016 / j.jocn.2012.08.018

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

9. Ланди А., Треза А., Пирилло Д., Вимеркати А., Антонини А., Сганцерла Е.П. Стимуляция спинного мозга для лечения сенсорных симптомов на поздних стадиях болезни Паркинсона. Нейромодуляция. (2013) 16: 276–79. DOI: 10.1111 / ner.12005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

10.Минассиан К., Джилге Б., Раттай Ф., Пинтер М.М., Биндер Х., Герстенбранд Ф. и др. Шагающие движения у людей с полным повреждением спинного мозга, вызванным эпидуральной стимуляцией поясничного отдела: электромиографическое исследование потенциалов действия сложных мышц. Спинной мозг. (2004) 42: 401–16. DOI: 10.1038 / sj.sc.3101615

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

11. Harkema S, Gerasimenko Y, Hodes J, Burdick J, Angeli C, Chen Y, et al. Влияние эпидуральной стимуляции пояснично-крестцового отдела спинного мозга на произвольные движения, стояние и вспомогательные шаги после полной моторной параплегии: тематическое исследование. Ланцет. (2011) 377: 1938–47. DOI: 10.1016 / S0140-6736 (11) 60547-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

12. Анджели К.А., Эджертон В.Р., Герасименко Ю.П., Харкема С.Дж. Изменение возбудимости спинного мозга позволяет людям совершать произвольные движения после хронического полного паралича. Мозг. (2014) 137: 1394–409. DOI: 10.1093 / brain / awu038

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

13. Рейк Э., Анжели К., Харкема С.Эффекты эпидуральной стимуляции пояснично-крестцового отдела спинного мозга при стоянии после хронического полного паралича у людей. PLoS ONE. (2015) 10: e0133998. DOI: 10.1371 / journal.pone.0133998

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

14. Гран П.Дж., Лавров И.А., Саенко Д.Г., Ван Страатен М.Г., Гилл М.Л., Строммен Дж.А. и др. Включение специфических для задачи волевых двигательных функций посредством нейромодуляции спинного мозга у человека с параплегией. Mayo Clin Proc. (2017) 92: 544–54.DOI: 10.1016 / j.mayocp.2017.02.014

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

15. Harkema SJ, Wang S, Angeli CA, Chen Y, Boakye M, Ugiliweneza B, et al. Нормализация артериального давления с помощью эпидуральной стимуляции спинного мозга после тяжелой травмы спинного мозга. Front Hum Neurosci. (2018) 12:83. DOI: 10.3389 / fnhum.2018.00083

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

16. Раттай Ф., Минасян К., Димитриевич MR.Эпидуральная электростимуляция задних структур пояснично-крестцового отдела позвоночника человека: 2. Количественный анализ с помощью компьютерного моделирования. Спинной мозг. (2000) 38: 473–89. DOI: 10.1038 / sj.sc.3101039

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

17. Ладенбауэр Дж., Минасян К., Хофштеттер США, Димитриевич М.Р., Раттай Ф. Стимуляция поясничного отдела спинного мозга человека с имплантированными и поверхностными электродами: исследование с компьютерным моделированием. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. (2010) 18: 637–45. DOI: 10.1109 / TNSRE.2010.2054112

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

18. Капогроссо М., Венгер Н., Распопович С., Мусиенко П., Бопарлан Дж., Басси Лучани Л. и др. Вычислительная модель эпидуральной электростимуляции сенсомоторных цепей позвоночника. J Neurosci. (2013) 33: 19326–40. DOI: 10.1523 / JNEUROSCI.1688-13.2013

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

19. Герасименко Ю.П., Лавров И.А., Куртин Г., Ичияма Р.М., Дай СиДж., Чжун Х. и др.Рефлексы спинного мозга, вызванные эпидуральной стимуляцией спинного мозга у нормальных бодрствующих крыс. J Neurosci Methods. (2006) 157: 253–63. DOI: 10.1016 / j.jneumeth.2006.05.004

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

20. Лавров И., Герасименко Ю.П., Ичияма Р.М., Куртин Г., Чжун Х., Рой Р.Р. и др. Пластичность рефлексов спинного мозга после полной перерезки у взрослых крыс: зависимость от способности шагать. J Neurophysiol. (2006) 96: 1699–710.DOI: 10.1152 / jn.00325.2006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

21. Хубер Л., Иванов Д., Хандверкер Д.А., Маррет С., Гуиди М., Улудаг К. и др. Методы фМРТ объема крови с ВАСО: от картирования с низким разрешением к приложениям, зависящим от субмиллиметрового слоя. NeuroImage. (2018) 164: 131–43. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2016.11.039

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

22. Кемпер В.Г., Де Мартино Ф., Эммерлинг Т.С., Якуб Э., Гебель Р.Стратегии анализа данных с высоким разрешением для функциональной МРТ человека на мезомасштабах при 7 и 9,4 Тл. NeuroImage. (2018) 164: 48–58. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2017.03.058

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

24. Монтальдо Г., Тантер М., Беркофф Дж., Бенек Н., Финк М. Когерентное плоско-волновое соединение для ультрасонографии с очень высокой частотой кадров и переходной эластографии (на английском языке). IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. (2009) 56: 489–506.DOI: 10.1109 / TUFFC.2009.1067

CrossRef Полный текст | Google Scholar

25. Беркофф Дж., Монтальдо Дж., Лупас Т., Савери Д., Мезьер Ф., Финк М. и др. Сверхбыстрая комплексная допплеровская визуализация: полная характеристика кровотока. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. (2011) 58: 134–47. DOI: 10.1109 / TUFFC.2011.1780

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

26. Мейс Э., Монтальдо Г., Османски Б.Ф., Коэн И., Финк М., Тантер М.Функциональная ультразвуковая томография головного мозга: теория и основные принципы. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. (2013) 60: 492–506. DOI: 10.1109 / TUFFC.2013.2592

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

27. Демене С., Деффье Т., Перно М., Османски Б.Ф., Биран В., Генниссон Дж. Л. и др. Пространственно-временная фильтрация сверхбыстрых ультразвуковых данных значительно увеличивает доплеровскую и фултразвуковую чувствительность. IEEE Trans Med Imaging. (2015) 34: 2271–85.DOI: 10.1109 / TMI.2015.2428634

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

28. Сонг П., Мандука А., Трзаско Дж. Д., Чен С. Ультразвуковая визуализация малых сосудов с блочной адаптивной фильтрацией локальных помех. IEEE Trans Med Imaging. (2017) 36: 251–62. DOI: 10.1109 / TMI.2016.2605819

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

29. Ю. и Ловстаккен Л. Дизайн фильтра помех на основе собственных значений для ультразвуковой визуализации цветного потока: обзор. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. (2010) 57: 1096–111. DOI: 10.1109 / TUFFC.2010.1521

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

31. Урбан А., Мейс Е., Бруннер С., Хайдманн М., Россье Дж., Монтальдо Г. Хроническая оценка церебральной гемодинамики во время электростимуляции передней лапы крысы с использованием функциональной ультразвуковой визуализации. Neuroimage. (2014) 101: 138–49. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2014.06.063

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

32.Urban A, Dussaux C, Martel G, Brunner C, Mace E, Montaldo G. Визуализация мозговой активности свободно движущихся крыс в реальном времени с использованием функционального ультразвука. Нат. Методы. (2015) 12: 873–8. DOI: 10.1038 / nmeth.3482

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

33. Сиеу Л.А., Бергель А., Тиран Е., Деффье Т., Перно М., Дженниссон Дж. Л. и др. ЭЭГ и функциональная ультразвуковая визуализация у подвижных крыс. Нат. Методы. (2015) 12: 831–4. DOI: 10.1038 / nmeth.3506

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

34.Gesnik M, Blaize K, Deffieux T, Gennisson JL, Sahel JA, Fink M и др. Функциональная трехмерная ультразвуковая визуализация зрительной системы головного мозга у грызунов. NeuroImage. (2017) 149: 267–74. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2017.01.071

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

35. Бимбард С., Демене С., Жирар С., Радтке-Шуллер С., Шамма С., Тантер М. и др. Мультимасштабное картирование слуховой иерархии с использованием функционального ультразвука высокого разрешения на бодрствующем хорьке. bioRxiv. (2018) 7: e35028. DOI: 10.7554 / eLife.35028

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

36. Османски Б.Ф., Мартин С., Монтальдо Г., Ланиес П., Пейн Ф, Тантер М. и др. Функциональная ультразвуковая визуализация выявляет различные вызванные запахом модели сосудистой активности в основной обонятельной луковице и передней грушевидной коре. NeuroImage. (2014) 95: 176–84. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2014.03.054

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

37.Османски Б.Ф., Пезет С., Рикобараза А., Ленкей З., Тантер М. Функциональная ультразвуковая визуализация внутренней связности в живом мозге крысы с высоким пространственно-временным разрешением. Nat Commun. (2014) 5: 5023. DOI: 10.1038 / ncomms6023

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

38. Демене С., Барангер Дж., Бернал М., Деланоэ С., Овин С., Биран В. и др. Функциональная ультразвуковая визуализация мозговой деятельности новорожденных. Sci Transl Med. (2017) 9: eaah6756.DOI: 10.1126 / scitranslmed.aah6756

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

39. Имбо М., Шове Д., Дженниссон Дж., Капелле Л., Тантер М. Интраоперационная функциональная ультразвуковая визуализация активности человеческого мозга. Научный доклад (2017) 7: 7304. DOI: 10.1038 / s41598-017-06474-8

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

40. Deffieux T, Demene C, Pernot M, Tanter M. Функциональная ультразвуковая нейровизуализация: обзор доклинического и клинического состояния техники. Curr Opin Neurobiol. (2018) 50: 128–35. DOI: 10.1016 / j.conb.2018.02.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

41. Cuellar CA, Mendez AA, Islam R, Calvert JS, Grahn PJ, Knudsen B., et al. Роль функциональной нейроанатомии поясничного отдела спинного мозга в эффекте эпидуральной стимуляции. Front Neuroanat. (2017) 11:82. DOI: 10.3389 / fnana.2017.00082

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

43.Хингот В., Эррико С., Тантер М., Кутюр О. Субволновая коррекция движения для сверхбыстрой ультразвуковой локализационной микроскопии. Ультразвук. (2017) 77: 17–21. DOI: 10.1016 / j.ultras.2017.01.008

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

44. Сонг П., Трзаско Дж. Д., Мандука А., Цян Б., Кадирвел Р., Каллмес Д. Ф. и др. Ускоренная ультразвуковая фильтрация помех кровотока на основе единичных значений с рандомизированным разложением на единичные значения и рандомизированной пространственной понижающей дискретизацией. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. (2017) 64: 706–16. DOI: 10.1109 / TUFFC.2017.2665342

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

45. Сонг П., Мандука А., Трзаско Дж. Д., Чен С. Выравнивание шума для получения изображений микрососудов на сверхбыстрых плоских волнах. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. (2017) 64: 1776–81. DOI: 10.1109 / TUFFC.2017.2748387

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

46.Рубин Дж. М., Адлер Р. С., Фаулкс Дж. Б., Спратт С., Паллистер Дж. Э., Чен Дж. Ф. и др. Фракционный объем движущейся крови: оценка с помощью ультразвукового допплера. Радиология. (1995) 197: 183–90. DOI: 10.1148 / радиология.197.1.7568820

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

47. Савицкий и Голай MJE. Сглаживание и дифференциация данных с помощью упрощенных процедур наименьших квадратов. AnalChem. (1964) 36: 1627–39. DOI: 10.1021 / ac60214a047

CrossRef Полный текст | Google Scholar

50.Эдвардс М., Хальбах В. Лечение внутричерепных и спинномозговых сосудистых поражений у детей. Western J Med. (1993) 158: 182.

PubMed Аннотация | Google Scholar

51. Bowen BC. МР-ангиография сосудистых заболеваний позвоночника: а что насчет нормальных сосудов? AJNR Am J Neuroradiol. (1999) 20: 1773–74.

PubMed Аннотация | Google Scholar

52. Томпсон SJ, Millecamps M, Aliaga A, Seminowicz DA, Low LA, Bedell BJ, et al. Метаболическая активность мозга, указывающая на постоянную боль на крысиной модели нейропатической боли. Neuroimage. (2014) 91: 344–52. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2014.01.020

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

53. Errico C, Osmanski BF, Pezet S, Couture O, Lenkei Z, Tanter M. Транскраниальная функциональная ультразвуковая визуализация мозга с использованием сверхчувствительного допплера с микропузырьками. NeuroImage. (2016) 124: 752–61. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2015.09.037

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

54.Лавров И., Ди Си Джей, Фонг А.Дж., Герасименко Ю., Куртин Г., Чжун Х. и др. Эпидуральная стимуляция индуцировала модуляцию спинномозговых локомоторных сетей у взрослых спинальных крыс. J Neurosci. (2008) 28: 6022–9. DOI: 10.1523 / JNEUROSCI.0080-08.2008

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

55. Куртин Г., Герасименко Ю., ван ден Бранд Р., Ю А., Мусиенко П., Чжун Х. и др. Преобразование нефункциональных контуров позвоночника в функциональное и адаптивное состояния после полной потери надспинального входа. Nat Neurosci. (2009) 12: 1333–42. DOI: 10.1038 / nn.2401

CrossRef Полный текст | Google Scholar

56. Шах П.К., Лавров И. Стратегии спинальной эпидуральной стимуляции: клинические последствия исследований локомоторного движения у спинальных крыс. Невролог. (2017) 23: 664–80. DOI: 10.1177 / 1073858417699554

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

57. Лавров И., Мусиенко П.Е., Селионов В.А., Здуновский С., Рой Р.Р., Эджертон В.Р. и др. Активация спинномозговых локомоторных цепей у децеребрированных кошек с помощью спинальной эпидуральной и / или внутриспинальной электростимуляции. Brain Res. (2014) 1600: 84–92. DOI: 10.1016 / j.brainres.2014.11.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

58. Герасименко Ю.П., Авелев В.Д., Никитин О.А., Лавров И.А. Инициирование двигательной активности у спинализованных кошек путем эпидуральной стимуляции спинного мозга. Росс Физиол Ж Им И М Сеченова. (2001) 87: 1161–70. DOI: 10.1023 / A: 1022199214515

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

59. Лавров И., Куртин Г., Ди Си Джей, ван ден Бранд Р., Фонг А. Дж., Герасименко Ю. и др.Облегчение шагания с эпидуральной стимуляцией у спинальных крыс: роль сенсорной информации. J Neurosci. (2008) 28: 7774–80. DOI: 10.1523 / JNEUROSCI.1069-08.2008

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Изменения сигнала в спинном мозге крысы после инъекции формалина в заднюю лапу: характеристика с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии

Реферат

Изменения метаболизма и местного кровообращения происходят в спинном мозге во время периферической токсической стимуляции.Представлены доказательства того, что эта стимуляция также вызывает изменения интенсивности сигнала на функциональных магнитно-резонансных изображениях спинного мозга во время боли, вызванной формалином. Эти результаты указывают на потенциал функциональной магнитно-резонансной томографии в неинвазивной оценке степени и интенсивности возбуждения спинного мозга в этой хорошо охарактеризованной модели боли. Таким образом, целью этого исследования было установить функциональную магнитно-резонансную томографию как неинвазивный метод для характеристики временных изменений в спинном мозге после однократной инъекции 50 мкл формалина подкожно в заднюю лапу анестезированной крысы.Этот вызов вызвал двухфазную активность лизания у свободно передвигающегося сознательного животного. Изображения спинного мозга были получены в течение 2 минут, что позволило отслеживать место и временную эволюцию сигнальных изменений во время развития гипералгезии, индуцированной формалином, без необходимости какой-либо хирургической процедуры. Динамика изменений функционального изображения спинного мозга у животных, анестезированных изофлураном, была аналогична той, которая была получена в поведенческих экспериментах. Кроме того, сопоставимые физиологические данные, контрольные эксперименты и ингибирование ответа посредством применения местного анестетика лидокаина показывают, что изменения сигнала, наблюдаемые после инъекции формалина, были конкретно связаны с изменениями возбудимости в соответствующих сегментах поясничного отдела спинного мозга.Этот подход может быть полезен для характеристики различных моделей боли и гипералгезии и, что более важно, для оценки эффектов обезболивающих.

Активация определенных областей мозга в соответствии с парадигмой стимуляции приводит к локальному изменению физиологических параметров нервной ткани, которое может быть обнаружено с помощью методов функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) (1, 2). Были постулированы два механизма, ответственных за изменения интенсивности сигнала фМРТ в активированных областях: ( i ) Стимуляция области мозга увеличивает местную перфузию.В зависимости от метода измерения МРТ это изменение местного мозгового кровотока может привести либо к увеличению, либо к снижению сигнала. ( ii ) Активация мозга вызывает изменение степени оксигенации крови. Венозная кровь содержит более высокую концентрацию оксигенированного гемоглобина во время нейрональной активации, что может быть измерено как увеличение сигнала в экспериментах, взвешенных по восприимчивости (градиентное эхо), дающих зависимые от уровня оксигенации крови (жирные) контрастные изображения (3).Увеличение сигнала происходит из-за увеличения времени релаксации T * 2 , вызванного пониженной концентрацией парамагнитного дезоксигемоглобина. Взяв все эти факты вместе, фМРТ обеспечивает чувствительные меры для характеристики функциональных изменений в центральной нервной системе без необходимости использования экзогенного контрастного вещества.

Хотя основное внимание в исследованиях фМРТ уделяется картированию мозга человека, они также представляют большой интерес для экспериментальных исследований на животных.При проведении функциональных исследований на животных необходимо решить два вопроса: ( i ) эти исследования требуют высокого пространственно-временного разрешения, и ( ii ) вмешательство анестезии должно быть сведено к минимуму. Эти препятствия были преодолены в недавних экспериментах с использованием фМРТ для характеристики локальных корковых изменений после стимуляции передней лапы (4, 5) и одного уса крысы. Подобно изменениям интенсивности, вызванным периферической стимуляцией в областях моторной коры, представляющих передние конечности и стволы усов, первичная афферентная активация может также вызывать сегментарные изменения интенсивности в фМРТ спинного мозга.Эта гипотеза имеет сильную физиологическую и фармакологическую поддержку, поскольку основные механизмы воспалительной и периферической нейропатической боли включают повышенную возбудимость спинного мозга (6) и локальные изменения кровотока, измеренные с помощью метода лазерного допплера (7).

Основной проблемой традиционных фармакологических и физиологических исследований позвоночника является степень экспериментального вмешательства. Большинство исследований спинномозговых механизмов боли и гипералгезии включают обширное хирургическое вмешательство, введение электродов и обнажение спинного мозга.Кроме того, физиологические измерения спинномозговой деятельности ограничены во времени и пространстве, поэтому временные изменения в полной мере остаются невыявленными. Тем не менее, несколько моделей, разработанных для изучения боли и гипералгезии, были удовлетворительно охарактеризованы и, следовательно, могут предоставить сравнительные данные для первоначальной оценки фМРТ в исследованиях позвоночника. Принимая во внимание очевидные ограничения фМРТ, для настоящего исследования была выбрана модель гипералгезии и боли, вызванной формалином (8). Эта модель была тщательно протестирована как на анестезированной крысе (8), так и в поведенческих экспериментах (9).Кроме того, относительно короткий временной ход боли, вызванной формалином (8, 10), позволяет полностью оценить временной профиль с помощью фМРТ. Кроме того, фармакологическая оценка модели дает основу для изучения анальгетиков.

Вкратце, однократная подкожная инъекция формалина была сделана для индукции гиперактивности позвоночника в поясничном отделе анестезированных крыс. Чтобы получить изображения высокого качества и стабильности для функциональных исследований, необходимо было решить конкретные проблемы. Был разработан специальный резонатор для спинного мозга со следующими основными характеристиками: ( i ) высокое отношение сигнал / шум за счет высокого значения Q и коэффициента заполнения, ( ii ) небольшие геометрические размеры, позволяющие уменьшить поле обзора и, таким образом, увеличивая пространственное разрешение, и ( iii ) правильную фиксацию, позволяющую ограничить движение животного и, таким образом, уменьшить количество артефактов.Используя этот радиочастотный зонд, мы получили высококачественные изображения спинного мозга крысы. Близость тел и отростков позвонков к зонду создавала артефакты восприимчивости и препятствовала применению взвешенных по восприимчивости импульсных последовательностей, обычно используемых в фМРТ. Поэтому метод спинового эха, компенсирующий неоднородности магнитного поля, был применен за счет более низкого временного разрешения. Однако это не было серьезной проблемой в этих экспериментах из-за относительно большой продолжительности гипервозбудимости.

МЕТОДЫ

Животные.

На протяжении всего исследования использовали

крыс-самцов линии Sprague Dawley с массой тела 100–120 г. Для экспериментов с фМРТ животных анестезировали 1% изофлураном (Forene; Abbott, Швейцария) в смеси кислород / закись азота (1: 2), вводимой через лицевую маску. Радиочастотную катушку устанавливали на спине крысы, а животное помещали на держатель из эпоксидной смолы, армированной стекловолокном. Были приняты меры, чтобы выровнять позвоночник как можно более прямо в поле зрения радиочастотного зонда.Инфузионный трубопровод (внутренний диаметр 0,28 мм / внешний диаметр полиэтиленовой трубки 0,61 мм) вводили в кожу левой задней лапы кончиком иглы из нержавеющей стали (калибр 27), направленным в сторону лодыжки, чтобы обеспечить возможность инъекции формалина или физиологического раствора в полость. лапа животного в рамке во время процесса визуализации. Была введена вторая инфузионная линия для введения местного анестетика лидокаина (8, 11). Животных держали в магните при температуре 37 ° C на время эксперимента.После завершения процедуры визуализации животных умерщвляли передозировкой изофлурана. Для поведенческих исследований животных содержали индивидуально в клетках с подстилкой. Крыс умерщвляли передозировкой изофлурана сразу после окончания периода наблюдения за поведением. Протокол эксперимента был пересмотрен и одобрен ветеринарной администрацией кантона Базель.

МРТ.

МРТ-эксперименты были выполнены на спектрометре Biospec 47/15 (Bruker, Карлсруэ, Германия), оборудованном самоэкранированной градиентной системой с внутренним диаметром 85 мм.Был сконструирован датчик МРТ спинного мозга, который позволил достичь хорошего пространственного разрешения при уменьшении артефактов движения. На рис. 1 показан модифицированный резонатор типа Олдермана – Гранта (12), который был помещен на спину крысы и надежно закреплен подвижными пластинами с обеих сторон позвоночника. Дыхательные движения животного устройством не ограничивались. С другой стороны, движения живота из-за дыхания не мешали измерениям и, следовательно, не ухудшали качество изображения, поскольку это движение происходило за пределами чувствительного объема зонда МРТ.Размеры резонатора составляли 20 мм × 20 мм × 40 мм, что обеспечивало оптимальный коэффициент заполнения и чувствительность.

Рисунок 1

Принципиальная схема модифицированного резонатора Олдермана – Гранта, используемого для экспериментов со спинным мозгом. Размеры зонда составляли 20 мм × 20 мм × 40 мм. Устройство плотно фиксировали на спине крысы с помощью подвижных пластин. Благодаря такой конструкции артефакты движения на изображениях могут быть значительно уменьшены. Коэффициент Q зонда, загруженного крысой, составлял 120.

Для получения изображения использовалась последовательность импульсов быстрого получения с улучшением релаксации (RARE) (13) с задержкой повторения 1750 мс и задержкой эхо-сигнала 25 мс. За одно получение собиралось восемь эхо-сигналов, а эффективное время эхо-сигнала составляло 100 мс. Поле зрения составляло 30 мм × 30 мм, толщина среза 1 мм и размеры матрицы 256 × 128, что давало размеры пикселей 117 мкм × 234 мкм. Было записано четыре средних значения, что дало время измерения 2 мин на коронарный срез.Срез позиционировали на основе поперечных и сагиттальных разведывательных изображений, полученных с помощью импульсной последовательности моментальных снимков быстрой съемки под малым углом (FLASH) (14).

Экспериментальный протокол для исследований фМРТ.

Было проведено три серии исследований фМРТ: ( i ) 15 животных получили инъекцию 50 мкл 5% раствора формалина в физиологическом растворе; ( ii ) 11 животных получили инъекцию 50 мкл 2% раствора лидокаина в физиологическом растворе за 4 мин до введения формалина; и ( iii ) контрольные эксперименты проводили на 3 крысах, которым вводили 50 мкл физиологического раствора.В каждом эксперименте фМРТ 30 РЕДКИХ изображений (в эксперименте с лидокаином — 24 РЕДКИХ изображения) спинного мозга были получены последовательно, без прерывания получения для поддержания устойчивого состояния релаксации. Формалин (или физиологический раствор) вводили в начале получения 11-го изображения. Таким образом, интенсивность базового сигнала определялась по первым 10 изображениям. В эксперименте с лидокаином формалин вводили в начале получения 6-го изображения (и, следовательно, лидокаин в начале 4-го изображения).В этом случае интенсивности базовых сигналов определялись по первым 5 изображениям.

Анализ изображений.

Интенсивность сигнала магнитного резонанса (МР) анализировалась в ипси- и контралатеральных областях интереса (ROI) на нескольких уровнях спинного мозга (от L 1 до L 6 ) с помощью uxnmr или ParaVision (Bruker, Карлсруэ, Германия. ), стандартные программные комплексы оборудования MR. Чтобы свести к минимуму влияние незначительных движений животного при оценке сигнала, старались избегать пикселей на краю спинного мозга при определении ROI.Относительные интенсивности были рассчитаны для каждой области интереса в соответствии с разностными изображениями, полученными путем вычитания постстимуляции из изображений предварительной стимуляции. Пространственная фильтрация нижних частот (матрица 3 × 3, все точки взвешены одинаково) и пороговая обработка интенсивности были применены, чтобы выделить область измененной интенсивности сигнала и устранить шумовые помехи. Выделенная область была наложена на изображение предварительной стимуляции путем добавления отфильтрованной и пороговой карты различий к исходному изображению предварительной стимуляции.

Поведенческие эксперименты.

Две группы крыс, по пять животных в каждой, были использованы для поведенческих исследований. П / к вводили формалин или физиологический раствор. в подушечку левой задней лапы (как описано выше), и время, потраченное на облизывание задней лапы за 5 минут, измеряли в течение периода наблюдения 60 минут. Сравнивали данные, полученные от контрольных животных (которым вводили физиологический раствор) и животных, получавших формалин.

Статистический анализ.

Для каждого животного была вычислена площадь под кривой (AUC) относительных изменений интенсивности сигнала между ипси- и контралатеральными сторонами спинного мозга для L 4 –L 5 и для L 2 — L 3 регионов. Тест Стьюдента t был использован для сравнения AUC этих двух регионов.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Четкие изображения поясничного отдела спинного мозга были получены с использованием последовательности RARE (рис.2). Легко идентифицируемый краниальный контур тазовой кости, который определяет уровень позвонков L 5 –L 6 , использовался в качестве анатомического ориентира на фронтальных изображениях. Поясничный отдел спинного мозга с ганглиями задних корешков (DRG) и окончаниями седалищного нерва можно было четко определить. Ссылка, содержащая воду, которая появляется в левой части изображения, использовалась для определения ипси- и контралатеральной стороны.

Рисунок 2

Изображение поясничного отдела спинного мозга с отрезками спинного мозга L 1 –L 5 .Стрелкой отмечены ростральные концы таза. Ссылка, содержащая воду, отмечает правую сторону крысы.

Вариации интенсивности серийно полученных исходных изображений были менее 3%. После записи базовых изображений, одно из которых показано на рис. 3а, в заднюю лапу вводили 50 мкл 5% раствора формалина. На ипсилатеральной стороне спинного мозга наблюдалась немедленная реакция, характеризующаяся падением интенсивности сигнала, в то время как контралатеральная сторона осталась неизменной (рис.3 B E ). Изображение после стимуляции показано на рис. 3 B . Разностное изображение (Рис. 3 C ) показало интенсивность фокуса на уровнях L 4 –L 6 , которые могли быть связаны с периферической стимуляцией. В то время как у крысы 1 отрицательные сигналы наблюдались на краю спинного мозга на контралатеральной стороне, этого не было для крыс 2 и 3 и других (данные не показаны). Пространственная фильтрация нижних частот и установление пороговых значений интенсивности выявили гипоинтенсивный сигнал после стимуляции (рис.3 D ). Наложение исходного изображения до стимуляции показало область измененной интенсивности сигнала, состоящую из L 4 и L 5 DRG и ипсилатеральную сторону спинного мозга в области нижних поясничных сегментов (рис. 3 E ). Сигнальные изменения в спинном мозге в основном наблюдались в сегментах L 4 и L 5 с некоторым расширением черепа, в то время как более каудальный сегмент (L 6 ) был затронут меньше. Несоответствие краниокаудального уровня пораженных DRG и ипсилатерального спинного мозга (см.рис.3) имеет отношение к топографическому изображению ганглиев и соответствующих им сегментов.

Рисунок 3

Визуализация активированной области спинного мозга после инъекции формалина в левую заднюю лапу. Показаны наборы данных для трех крыс. ( A ) Изображения предварительной стимуляции. ( B ) Постстимуляционные изображения. ( C ) Различия изображений (предварительная стимуляция минус постстимуляция). ( D ) Отфильтрованные разностные изображения (пространственная фильтрация нижних частот и установление пороговых значений интенсивности).( E ) Наложение изображений A и D . Для анатомической справки гребни подвздошных костей были признаны гиперинтенсивными структурами на левом и правом краях изображений (стрелки).

Артефакты движения могут вызывать изменения сигнала, которые можно ошибочно отнести к физиологическим изменениям в спинном мозге. Поэтому изображения были проанализированы относительно движения в плоскости путем отслеживания местоположения анатомического ориентира (DRG L 5 ) на протяжении всей серии изображений.Среднее смещение в плоскости пяти изображений составило 0,10 ± 0,26 (среднее ± стандартная ошибка среднего) пикселя после стимуляции и 0,33 ± 0,23 пикселя в конце эксперимента по сравнению с изображением, полученным непосредственно перед стимуляцией. Это исключает движение в плоскости, вызывающее наблюдаемые изменения сигнала.

Максимальная относительная разница в интенсивности сигнала между ипси- и контралатеральной сторонами спинного мозга на уровне L 4 –L 5 после инъекции формалина составила ΔI = 12.7% ± 3,7% (среднее ± SEM) с n = 6 крысами. Эта разница в интенсивности сигнала быстро развивалась на уровне L 4 –L 5 в течение 2 минут после инъекции формалина. Максимальное изменение интенсивности сигнала произошло через 10 мин после инъекции, а через 40 мин интенсивность медленно снизилась до ΔI = 4,5% ± 1,3% (рис. 4). Этот ответ был в основном из-за профиля интенсивности на ипсилатеральной стороне. Контралатеральный сигнал монотонно увеличивался и достигал 5% ± 4% в конце периода наблюдения без резких изменений между ними.Полный временной ход разницы в интенсивности длился около 40 минут, с быстрым нарастанием и медленным спадом амплитуды. Не было никаких признаков двойного пика: кривая была однофазной. AUC для пораженных и непораженных областей значительно различались ( P <0,01). Сорок процентов исследованных животных показали описанный ответ, в то время как у остальных не наблюдалось изменений интенсивности МР-сигнала. Мы связываем эту изменчивость с анестезией изофлураном.

Рисунок 4

( A ) Относительная интенсивность сигнала [ I (против) — I (ipsi)] / I (против) изменения (в%) для ROI в поясничном отделе позвоночника крысы, соответствующего L 4 и L 5 сегментов (светло-серые полосы). Ширина полосы соответствует времени измерения 2 мин на изображение. После инъекции формалина в момент времени 0 (стрелка) наблюдалось резкое изменение интенсивности, после чего интенсивность медленно снижалась до исходных значений.Для сравнения показано изменение интенсивности в более ростральной области интереса, соответствующей сегментам L 2 и L 3 (черные полосы). На этом уровне спинного мозга почти не наблюдается активации ( n = 6). Значения даны как среднее ± SEM. ( B ) Динамика активности облизывания у крыс ( n = 5), которым 50 мкл 5% формалина были введены в левую заднюю лапу в нулевой момент времени. Время, затрачиваемое на облизывание задней лапы, измеряли с интервалом в 5 минут, на что указывала ширина полос.Группа животных ( n = 5) служила контролем, и ей вводили 50 мкл физиологического раствора вместо формалина. В этих экспериментах активность облизывания не наблюдалась (обозначена черной линией в интервале 0–55 мин).

Напротив, активность облизывания лапы, полученная в группе ( n = 5) свободно движущихся находящихся в сознании животных после инъекции формалина, показала четкую двухфазную кривую (фиг. 4 B ). Начало было быстрым, первый пик произошел между 1 и 5 минутами после инъекции формалина, за которым последовал короткий период продолжительностью около 5 минут без происшествий.Пик второй фазы достигал максимума через 20-25 мин после введения формалина и медленно затухал. Полное выздоровление наступило в течение 50 мин. Высота двух пиков существенно не различалась. После инъекции одного физиологического раствора не наблюдалось лизательной активности.

Для получения дополнительных доказательств взаимосвязи наблюдаемых сигнальных изменений в поясничном отделе спинного мозга с периферическим ядовитым раздражителем была проведена серия экспериментов, в которых местный анестетик лидокаин вводился перед инъекцией формалина.На рис. 5 показано, что предварительная обработка лидокаином (50 мкл; 2%; п / к) полностью предотвращала развитие снижения интенсивности сигнала на ипсилатеральной стороне. Этот результат был получен на всех животных, предварительно получавших лидокаин. Кроме того, на изображениях спинного мозга всех животных, которым вводили физиологический раствор вместо формалина (контрольные эксперименты), изменений сигнала не наблюдалось.

Рисунок 5

Относительная интенсивность сигнала [ I (против) — I (ipsi)] / I (против) изменения (в%) ROI L 4 –L 5 и L 2 — L 3 сегментов спинного мозга в ответ на инъекцию формалина (50 мкл; 5%) через s.c. лечение лидокаином (50 мкл; 2%). Между двумя группами ROI нет существенной разницы, демонстрирующей, что лидокаин эффективно подавлял сигнальный ответ, вызванный формалином.

ОБСУЖДЕНИЕ

Главный вывод этого исследования состоит в том, что изменения сигнала на МР-изображениях поясничного отдела спинного мозга анестезированных крыс после длительной токсической стимуляции формалином наблюдаются с достаточным пространственно-временным разрешением при использовании последовательности RARE.Недавно разработанный резонатор спинного мозга обеспечил чувствительность, необходимую для обнаружения небольших изменений амплитуды сигнала на ипсилатеральной стороне спинного мозга. Использование этой новой конструкции значительно улучшило качество изображений позвоночника по сравнению с ранее опубликованными данными (15). Изменение интенсивности изображений до стимуляции составляло 3%, в то время как изменения сигнала, наблюдаемые после стимуляции, были порядка 10–12%. Резонатор обездвиживает спинной мозг, что имеет решающее значение для получения разностных изображений.Анализ изображений показал, что наблюдаемые изменения сигнала не были вызваны движением животных в плоскости. Данные не могут исключить потенциальный вклад от перемещений вне плоскости. Однако маловероятно, что этот тип движения повлияет на результаты настолько воспроизводимым образом, чтобы изменения сигнала всегда происходили в одном и том же анатомическом месте.

Область, отображающая измененную интенсивность сигнала, во всех случаях четко локализовалась в ипсилатеральном поясничном отделе спинного мозга в сегментах L 4 –L 5 с участием соответствующих DRG.Это соответствует анатомическому изображению седалищного нерва, который иннервирует голую кожу задней лапы. Хотя площадь, пораженную формалином, не удалось точно оценить, мы предполагаем, что эффект был локализован в пяточной области подошвы, которая составляет лишь относительно небольшую часть полного рецептивного поля кожной иннервации седалищного нерва. В этом отношении степень изменения спинномозгового сигнала довольно велика. Размытый вид области можно объяснить несколькими факторами.Во-первых, ограниченное пространственное разрешение, особенно в отношении толщины среза (1 мм), которое существенно по сравнению с размерами спинного мозга, вызывает эффекты частичного объема, приводящие к нечетким границам пораженной области. Во-вторых, процесс пространственной фильтрации, выполняемый для уменьшения шума в изображениях, может ухудшить разрешение в плоскости. Тем не менее, ни у одного из животных не было значительных изменений интенсивности на противоположной стороне спинного мозга. Пораженная область ипсилатерального канатика простиралась до сегмента L 3 у некоторых животных, но не было заметных изменений за пределами каудальной границы L 5 .Профилактический эффект лидокаина убедительно подтверждает тот факт, что изменения в позвоночнике, обнаруженные с помощью МРТ, были вызваны именно активацией первичных афферентов формалином.

При картировании мозга человека с помощью фМРТ обычно применяются взвешенные по восприимчивости импульсные последовательности, где изменение оксигенации крови (жирный контраст) отражается в усилении сигнала в активированных областях. В ипсилатеральном поясничном отделе спинного мозга мы обнаружили ослабление сигнала с помощью последовательности RARE. Несколько механизмов, о которых мы в настоящее время можем только догадываться, могут способствовать наблюдаемому снижению сигнала.Во-первых, увеличение скорости перфузии может вызвать уменьшение интенсивности сигнала на T 2 -взвешенных изображениях из-за расфазировки сигнала движущихся спинов в градиентном поле. С другой стороны, было показано, что у обезьян яванского макак, находящихся под наркозом, реакция мозгового кровотока на стимуляцию в значительной степени подавлена ​​(16). Однако регуляция кровотока в спинном мозге отличается от регуляции кровотока в головном мозге, поскольку в ней участвуют некоторые сильно вазоактивные соединения, поэтому результаты, полученные в исследованиях перфузии головного мозга, не могут быть легко экстраполированы на наше исследование.Высвобождение нейропептидов (вещество P, нейрокинин A и пептид, связанный с геном кальцитонина) из активированных C-волокон может улучшить местное кровообращение (особенно вещество P, которое само по себе является сильным сосудорасширяющим средством), а также вызвать повышенную утечку из сосудов на длительное время. период времени (7, 17) в дополнение к гиперактивности нейронов. Действительно, после активации С-волокон в спинном заднем роге было измерено общее устойчивое увеличение содержания внесинаптического вещества Р (18). В отличие от этого, уменьшение кровотока в спинном мозге измеряли с помощью метода лазерного допплера во время местного применения спантида, антагониста вещества P (7).Для сравнения, вклад вышеупомянутых вазоактивных пептидов в кору головного мозга минимален.

Тем не менее, кажется маловероятным, что изменения перфузии сами по себе могут объяснить полную степень наблюдаемого снижения сигнала. В качестве альтернативы снижение сигнала МРТ может также возникнуть из-за увеличения общего количества дезоксигемоглобина в ткани. Отрицательный жирный контраст может быть результатом повышенного потребления кислорода в сочетании с неизменным или сниженным кровотоком.Когда кровоток достаточен для удовлетворения повышенной потребности в кислороде и фракционный дезоксигемоглобин в крови не изменяется, отрицательный эффект BOLD все еще может возникать из-за увеличения объема крови в тканях. В упомянутых выше исследованиях на обезьянах было продемонстрировано (16), что дезоксигемоглобин оставался повышенным у анестезированных животных после зрительной стимуляции. В этих условиях можно ожидать уменьшения сигнала на РЕДКИХ изображениях. Однако продолжительность этих экспериментов была порядка секунд и, следовательно, значительно короче по сравнению с нашим исследованием.Необходимы дальнейшие эксперименты для изучения точного механизма (ов), вносящего вклад в изменения сигнала фМРТ в спинном мозге во время ноцицептивной активации спинного мозга.

Из-за эффектов частичного объема изменения сигнала можно отнести к измененной динамике ликвора. Однако маловероятно, что этот механизм мог объяснить наблюдаемое изменение интенсивности, поскольку он был избирательно локализован в сегментах L 4 –L 5 , и никаких изменений не наблюдалось на противоположной стороне.Более того, движение спинномозговой жидкости будет преимущественно видно по краям спинного мозга из-за выделения среза в спинномозговом канале.

Ответ на сигнал фМРТ в значительной степени согласуется с характерным временным профилем, описанным в физиологических экспериментах (8, 10), хотя отсутствие двухфазного паттерна еще полностью не изучено. Это может быть связано с тем, что физиологические параметры, оцениваемые с помощью МРТ, не показывают двухфазного ответа. Это может быть так, поскольку гипервозбудимость позвоночника развивается после кратковременной электрической или химической стимуляции (19, 20) и сохраняется в течение нескольких минут.Действительно, было высказано предположение, что ранние центральные изменения происходят во время первой фазы гипервозбудимости позвоночника (21). Гипералгезия, вызванная формалином, была охарактеризована как модель как периферического, так и центрального гипервозбуждения (8). Вторая фаза была первоначально описана как прямое центральное следствие ранней активности первичных афферентов без дальнейшего вовлечения этих волокон на более поздней стадии (8). Однако недавние данные свидетельствуют о том, что первичные афферентные С-волокна проявляют двухфазную активную активность.Следовательно, вторая фаза, по крайней мере, частично приводится в действие периферией (10). Наши результаты с помощью фМРТ хорошо согласуются с этим наблюдением, поскольку динамика изменения сигнала в спинном мозге параллельна динамике DRG.

В заключение, мы представляем новый метод, который может быть ценным инструментом для неинвазивной, объективной оценки спинальных эффектов, вызванных периферической ядовитой стимуляцией, и их предотвращения с помощью применения анальгетиков. Основным преимуществом использования фМРТ при изучении гипералгезии, вызванной формалином, у крыс является то, что, избегая обширного хирургического вмешательства и, таким образом, стресса для животного, можно выявить полную пространственную и временную протяженность изменений позвоночника.Наши дальнейшие усилия будут заключаться в консолидации этих исходных данных и изучении эффектов системно применяемых анальгетиков на изображениях позвоночника, создаваемых периферической активацией индуцированного формалином вредного воздействия.

Сноски

  • ↵§ Кому запросы на перепечатку следует направлять по адресу: Novartis Pharma Inc., Core Technology Area S-386.2.02, CH-4002 Basle, Switzerland. электронная почта: Markus.Rudin {at} pharma.novartis.com.

  • Ричард Р.Эрнст, Швейцарский федеральный технологический институт, Цюрих, Швейцария

  • ↵¶ Ли, Дж. Х., Уайк, Дж., Меркл, Х., Фокс, К., Уилкокс, Г. Л. и Угурбил, К., Второе ежегодное собрание Общества магнитного резонанса, Труды, 6–12 августа 1994 г., Сан-Франциско, стр. 705.

СОКРАЩЕНИЯ

MR,
магнитный резонанс;
МРТ,
МРТ;
фМРТ,
функциональная МРТ;
жирный контраст,
контраст, зависящий от уровня кислорода в крови;
RARE,
быстрое получение с усилением релаксации;
AUC,
площадь под кривой;
DRG,
ганглий дорзального корня;
ROI,
интересующий регион
  • Получено 22 августа 1996 г.
  • Принято 14 марта 1997 г.
  • Авторские права © 1997, Национальная академия наук США

Функциональная связность в состоянии покоя в спинном мозге человека

Благодарим вас за отправку вашей работы под названием «Функциональная связность в состоянии покоя в спинном мозге человека» для рассмотрения в eLife. Ваша статья была положительно оценена Евой Мардер (старший редактор) и двумя рецензентами, один из которых, Тимоти Беренс, является членом нашего Совета редакторов-рецензентов.

Редактор-рецензент и другой рецензент обсудили свои комментарии до того, как мы приняли это решение, и редактор-рецензент собрал следующие комментарии, чтобы помочь вам подготовить исправленное сообщение.

Мы были впечатлены новой группой испытуемых и думали, что рукопись существенно улучшилась, но у нас все еще было несколько серьезных технических проблем с данными; Рисунок 4, в частности, не позволяет нам рекомендовать публикацию в текущем виде. Я подвел итоги обзоров ниже.У обоих рецензентов были серьезные вопросы о статистической обработке и представлении данных. Мы надеемся, что вы сможете пересмотреть эти комментарии в новой редакции. Мы отмечаем, что рассматриваем статистические вопросы, подробно описанные в пунктах 1-3 ниже, как существенные.

Проблемы окружают анализ на Рисунке 4.

1) Основным результатом в (а) является матрица корреляций, только некоторые из которых показаны (другие обнуляются, если они не значимы).

У обозревателей были две основные проблемы с этой матрицей:

(a) «Этот рисунок показывает, что z-оценка для e.г. правый верхний квадрат 4×4 равен нулю (голубой цвет) для каждой из 16 корреляций. Авторы заявляют в своем ответе, что они просто хотели показать значимые корреляции (и, таким образом, обнулили все несущественные корреляции), но, на мой взгляд, это затемняет часть результатов. В гипотетическом наихудшем случае все эти 16 корреляций могут быть чуть ниже значимости, что поставит под сомнение специфичность их результатов. Я вовсе не пытаюсь предположить, что это так, но я предполагаю, что читатели хотели бы сами судить, насколько убедительны данные, и поэтому важно также показать эти корреляции, тем более что спинальная фМРТ все еще рассматривается с некоторым скептицизмом.Я знаю, что авторы предоставили данные, которые лежат в основе рисунка 4, но я не мог их проанализировать, поскольку ни один из моих браузеров не позволял правильно загрузить файл .mat ».

Но что более важно:

(b) «Почти все корреляции, которые, как ожидается, будут нулевыми, включают белое вещество. Откровенно нелепо регрессировать сигнал белого вещества при предварительной обработке, а затем сказать, что в нем нет функциональной корреляции. Это, безусловно, так.Однако без квадратов белого вещества эта цифра была бы просто двумя числами, которые не составили бы большого числа фигур ».

Второй набор важных комментариев относится к групповому анализу на Рисунке 4b.

«Статистические тесты в b не имеют смысла. Все данные усредняются по срезам и предметам, искусственно увеличивая степени свободы, уменьшая стандартные ошибки и приводя к совершенно необоснованным p-значениям. Это явно неразумно. Правильный анализ усредняет срезы внутри субъекта, а затем выполняет статистический тест по субъектам, как любой обычный анализ на основе ROI.Есть несколько причин, по которым этот анализ нецелесообразен, но наиболее очевидная из них заключается в том, что срезы не являются независимыми. Другие включают тот факт, что даже если бы срезы были независимыми и гетерошедастически распределенными, природа случайного эффекта, который мог бы быть выведен, — это не популяция людей, а скорее популяция срезов ».

А:

«Несмотря на аргументы авторов в их ответе, я по-прежнему утверждаю, что на уровне группы нельзя проводить тестирование по срезам и предметам.Они должны усреднить по срезам, чтобы они тестировали набор из 19 точек данных (соответствующих количеству субъектов) против нуля, а не 228 (соответствующих количеству субъектов, умноженному на количество срезов), как они до сих пор делают ».

После обсуждения хотелось бы увидеть традиционный анализ. Если возможно, мы хотели бы увидеть результаты простейшего возможного анализа, который представляет собой t-тест на z-значениях первого уровня, а также предложенный непараметрический анализ (но с новыми средними срезами, а не с исходными срезы).

3) Нам кажется очень странным, что рис. 4 не содержит каких-либо пространственных или спектральных свидетельств на уровне группы.

(a) Если возможно, мы поэтому хотели бы увидеть средние по группе пространственные карты корреляций для семенных точек в 2 дорсальных и 2 вентральных рогах. Опять же, сначала следует определить среднее значение по предмету, а затем определить значимость по предметам.

(b) Мы хотели бы увидеть спектры мощности для временного ряда «функциональной связности в состоянии покоя».Мы считаем, что это важная информация, учитывая то, что известно об этих спектрах активности коры головного мозга в покое.

Еще два комментария из обзора:

4) Я все еще не понимаю, как был выбран исходный воксель для каждого отдельного предметного анализа в каждом роге серого вещества. Авторы хорошо описывают, как это было сделано для группового анализа, но до сих пор не предоставляют информации для индивидуальных анализов.

5) Новый выбор авторами порога для группового анализа (ранее: p <0.01, сейчас: p <0,000001) кажется несколько произвольным. Они могли просто использовать p <0,05 с поправкой Бонферрони или FDR для количества тестов (в данном случае 28). На мой взгляд, это было бы более подходящим и хорошо мотивированным порогом.

[Примечание редакции: предыдущая версия этого исследования была отклонена после экспертной оценки, но авторы отправили на повторное рассмотрение. Предыдущее письмо о решении после экспертной оценки показано ниже.]

Благодарим вас за то, что вы решили отправить свою работу под названием «Функциональная связность в состоянии покоя в спинном мозге человека» на рассмотрение по номеру eLife .Ваш полный документ был оценен старшим редактором, двумя рецензентами и членом нашего Совета редакторов-рецензентов (Тимоти Беренс), и решение было принято после обсуждений между рецензентами. С сожалением сообщаем вам, что на данный момент мы не можем предложить опубликовать вашу работу в eLife .

В итоге мы все согласились, что работа потенциально представляет большой интерес, и что мы в принципе заинтересованы в ее публикации. Однако мы были вынуждены отклонить рукопись в ее нынешнем виде из-за необычно малого размера исследуемой когорты и сомнений в статистической надежности некоторых ключевых результатов.Мы хотели бы подчеркнуть, что если вы решите значительно увеличить размер когорты и выполнили некоторые дополнительные анализы, мы будем рады пересмотреть новое представление рукописи. В этом случае он не будет подвергаться сортировке, а будет передан Тиму Беренсу, и весьма вероятно, что он проконсультируется с теми же рецензентами (при условии, что они захотят).

Хотя мы не хотим предписывать точные требования к размеру когорт в eLife , мы обращаем ваше внимание на работу, например, Бертрана Тириона, которая предполагает, что результаты фМРТ в коре головного мозга начинают асимптотически воспроизводиться с точки зрения воспроизводимости при размерах когорт примерно 20, и что те, у кого размер когорты меньше 10, вряд ли приведут к воспроизводимым результатам.Авторы обзора считали, что нет никаких причин, по которым это могло бы быть иначе в спинномозговой фМРТ. У обозревателей также было несколько предложений по повышению надежности статистики, которую вы увидите ниже. Мы не хотим указывать, какой из этих подходов вы решите использовать, но если вы решите подать заявку повторно, мы, безусловно, внимательно изучим статистическую надежность новых результатов.

Обобщенные комментарии рецензий и обсуждения между рецензентами можно найти ниже:

Похвала за бумагу :

Это очень интересное исследование.Это не только первое надлежащее исследование фМРТ спинного мозга в состоянии покоя, но и первое исследование фМРТ позвоночника в целом при 7Т. Авторы, кажется, преодолели проблемы визуализации позвоночника в сверхвысоких полях и получили функциональные изображения замечательного качества. Они также разработали очень тщательный конвейер обработки для спинномозговой фМРТ на 7T, который будет представлять большой интерес для групп, работающих над изображениями ствола мозга и позвоночника. Рукопись хорошо написана, и их демонстрация сетей состояния покоя в спинном мозге потенциально представляет высокий клинический интерес при различных моторных и сенсорных расстройствах.Однако у исследования также есть несколько недостатков, которые необходимо устранить.

Это очень хорошо написанный и важный документ от известной группы визуализации. Гипотеза была четко представлена, а результаты и обсуждение очень хорошо изложены и обсуждены.

Комментарии к данным :

1) Почему они сканировали только такое небольшое количество предметов (N = 7; в дополнение к тому факту, что у каждого пациента всего 150 сканирований)?

2) Авторы не упоминают, в какой степени их различные шаги по очистке данных (удаление не связанных с позвоночником сигналов, коррекция движения и т. Д.) Уменьшают шум в их временных рядах и, таким образом, позволяют надежно идентифицировать сети в состоянии покоя. .Они должны показывать среднее временное отношение сигнала к шуму спинного мозга до и после (каждого из) этих шагов.

3) Неясно, как исходные воксели для индивидуальных анализов были выбраны в каждом из четырех квадрантов позвоночника.

4) Их выбор порога (p <0,001 без поправки с порогом протяженности в один воксель) кажется чрезвычайно мягким, и почему они используют другой порог (p <0,01) для группового анализа?

5) Я не уверен насчет их комбинации срезов и субъектов в один тест — обычно нужно иметь одну оценку параметра для каждого субъекта в групповом анализе, который проверяет один эффект.

Необходимо расширить результаты отдельных анализов связности.

1) Они показывают результаты только для одного испытуемого и только для правого вентрального рога. Самое меньшее, что должны сделать авторы, — это показать тот же объект с соединением спинных рогов.

2) Также было бы важно знать (возможно, в дополнительной таблице), сколько испытуемых продемонстрировали значительную связь между вентральными (спинными) рогами, то есть насколько воспроизводим этот результат на уровне отдельного испытуемого.

3) Они не дают количественной оценки на всех уровнях внутри- или межсегментной связи, которые являются частью их гипотез.

Результаты на уровне группы кажутся очень слабыми для спинного мозга (т. Е. Z-оценка менее 1). Я бы посоветовал включать в анализ только те срезы, которые превышают определенный порог TSNR.

Надежность в целом: поскольку спинной мозг подвержен воздействию ряда факторов, включая движение, пульсацию спинномозговой жидкости, было бы здорово, если бы авторы могли показать некоторые четкие указания на надежность их результатов.Возможно, что данные, полученные от испытуемого, можно разделить на две части, и корреляция (которая была оценена) может быть представлена ​​для двух половин на предмет сходства.

Комментарии к рукописи :

Вводный абзац, содержащий гипотезы авторов, очень слаб по нескольким причинам. 1) Цитирование всего лишь 1000-страничного учебника по нейробиологии для подтверждения их гипотезы о спонтанной активности спинного рога неуместно.Они должны разъяснять «анатомические связи» и «существование центральных генераторов паттернов» и подкреплять их соответствующими цитатами. Насколько мне известно, генераторы центральных паттернов не существуют в спинном мозге взрослого человека, поэтому я хотел бы знать, на каком основании авторы ожидали дорсальные сети в состоянии покоя. 2) На основании каких доказательств они ожидают: а) что корреляции существуют на «позвоночном уровне» (когда спинной мозг явно организован не позвоночно, а сегментарно) и б) что корреляции «в пределах данного рога серого вещества должны быть обнаружены вдоль шнур »?

В обсуждении полностью отсутствует объяснение возможного физиологического происхождения сетей состояния покоя позвоночника.Отсутствуют важные концепции, такие как а) уровень спонтанной активности в спинном мозге, б) одно- или двусторонние возбуждающие / тормозящие ответы при выполнении заданий и в) анатомические пути, обеспечивающие структурный субстрат для наблюдаемой функциональной связности.

https://doi.org/10.7554/eLife.02812.015

Функциональная МРТ-визуализация шейного отдела спинного мозга человека

Аннотация

ИСТОРИЯ И ЦЕЛЬ: Хотя исследования с функциональной МРТ головного мозга расширились за последние 5 лет, технические ограничения, такие как движение, химический сдвиг и восприимчивость артефакты, препятствовали таким исследованиям в спинном мозге человека.Целью этого исследования было определить, можно ли получить надежный сигнал функциональной МРТ из шейного отдела спинного мозга во время простой двигательной активности.

МЕТОДЫ: Испытуемые выполняли три различных моторных задания, активирующих разные сегменты спинного мозга. Градиентно-эхо-планарная визуализация на клинической установке 1,5-Т использовалась для изображения шейного отдела спинного мозга людей. Другая группа испытуемых была визуализирована при выполнении изометрических упражнений для изучения взаимосвязи между сигналом зависимости уровня оксигенации крови (ЖИРНЫЙ) и приложенной силой.

РЕЗУЛЬТАТЫ: Зависимая от задачи активность BOLD была обнаружена у всех субъектов. Амплитуда сигнала варьировалась от 0,5% до 7%. Более того, была обнаружена линейная зависимость между приложенной силой и амплитудой сигнала во время изометрических упражнений. В то время как области активации были распределены по спинному мозгу, концентрированная активность была обнаружена в анатомических местах ожидаемой двигательной иннервации.

ВЫВОД: Функциональный сигнал МРТ может быть надежно обнаружен с двигательной активностью в шейном отделе спинного мозга человека на 1.Клиническое отделение 5-Т. Местоположение нейронной активации имеет анатомическое соответствие используемому миотому. Сила ЖИВОГО сигнала прямо пропорциональна уровню мышечной активности.

С момента своего появления в 1990 году функциональная МРТ широко использовалась для изучения физиологии мозга (1). Распространение функциональной МРТ за пределы головного мозга на спинной мозг имеет большое потенциальное значение как в фундаментальных исследованиях, так и в клинических условиях. Текущее понимание физиологии спинного мозга человека основано на моделях на животных, и неинвазивный метод оценки функции спинного мозга человека окажется неоценимым в расширении нашего понимания функции спинного мозга человека.

Хотя объем опубликованной литературы по функциональной МРТ-визуализации резко вырос за последнее десятилетие, количество опубликованных исследований функциональной МРТ-визуализации спинного мозга ограничено, что позволяет предположить, что значительные технические проблемы связаны с определением уровня оксигенации крови. зависимый (ЖИРНЫЙ) эффект со стороны спинного мозга. Большинство этих проблем можно разделить на ограничения, налагаемые пространственным разрешением, периодическим движением и нарушением гемодинамики.Периодическое пульсирующее движение спинномозговой жидкости и самого спинного мозга во время сердечного и дыхательного циклов вызывает значительное ухудшение функционального сигнала МРТ и артефакты из-за неправильной регистрации (2-7). Диаметр поперечного сечения спинного мозга человека (<10 мм) представляет собой серьезную техническую проблему с точки зрения пространственного разрешения на аппаратах 1,5-Т клинического уровня. Как наблюдается в коре головного мозга, нервная активность в спинном мозге вызывает проксимальные гемодинамические изменения в капиллярах и мелких сосудах (8, 9).Более того, эффекты вымывания из более крупной пиальной сосудистой сети могут скрывать функциональный сигнал МР-визуализации в меньшем центральном сером веществе (8, 10–12). Несмотря на эти проблемы, три предыдущих независимых исследования обнаружили сигналы, исходящие из спинного мозга, связанные с нервной активностью (13-15). Все предыдущие исследования имели ограниченное временное разрешение, и ни одно не показало зависимости от задачи. Используя технику задержки дыхания для уменьшения движения и модифицированную последовательность быстрой съемки под малым углом (FLASH) на аппарате 3,0 Тл, Строман и др. (13) достигли наивысшего временного разрешения (около 20 секунд).Существенно более низкое временное разрешение (2 минуты) было получено Yoshizawa et al (14) и Porszasz et al (15) с помощью техники быстрого улучшения релаксации при обнаружении на устройстве 4,7 Тл и последовательности FLASH на устройстве 1,5 Тл. Существенным ограничением этих исследований является то, что времена нарастания и затухания гемодинамического ответа на вызванную нервную активность (5–9 секунд) не могли быть определены в таком продолжительном временном окне.

Целью этого исследования было: 1) определить, можно ли надежно измерить сигнал функциональной МР-визуализации на 1.5-T клиническая система, 2) для определения возможности пространственной локализации сигнала функциональной МР-визуализации в конкретных нейроанатомических местах, специфичных для фокальных двигательных задач верхних конечностей, и 3) для установления взаимосвязи между приложенной силой и силой сигнала функциональной МР-визуализации. во время изометрического сокращения.

Методы

Визуализация и подавление артефактов движения

Субъекты были набраны в соответствии с рекомендациями институционального наблюдательного совета и отображены со скоростью эхо-сигнала 1.Клиническая МРТ 5-Т. Стандартная коммерческая шейная катушка только для приемника использовалась для всех функциональных экспериментов по визуализации МРТ. Выбранная катушка имеет постоянную частотную характеристику около резонансной частоты. Сигнал усиливался за счет поднятия шеи как можно дальше вперед внутри катушки. Движение объекта было уменьшено за счет использования ремня для подбородка.

Движение спинного мозга и спинномозговой жидкости проблематично при функциональной МРТ спинного мозга. Чтобы исправить промежуточное движение изображения, мы использовали трехмерное выравнивание твердого тела, чтобы выровнять изображения по первой временной точке.Более критичное движение — это движение внутри изображений. Для уменьшения этого эффекта обычно используются сверхбыстрые методы визуализации, такие как однократная эхопланарная визуализация (EPI) с широкой полосой пропускания. При использовании EPI артефакты, вызванные движением, эффектами восприимчивости, неоднородностью магнитного поля и нерезонансностью, являются серьезной проблемой по оси фазового кодирования. Было предложено несколько решений для решения этой проблемы: сокращение времени сбора данных, увеличение амплитуды фазового градиента или его длительности и использование чередующегося многоточечного EPI, который получает изображение с множественными радиочастотными возбуждениями.

В этом исследовании мы использовали линейную дискретизацию (дискретизацию эхо-сигналов во время периодов нарастания и затухания градиента считывания), что сокращает время сбора данных и, следовательно, артефакты движения. Это дополнительно снижает восприимчивость и артефакты химического сдвига; однако это увеличивает высокочастотный шум. Повышение высокочастотного шума было устранено путем применения полосового фильтра и увеличения количества полученных изображений для компенсации пониженных степеней свободы.

Двигательные задачи

Шесть здоровых мужчин-правшей были набраны для исследования локализации BOLD-сигнала в зависимости от конкретной двигательной задачи верхних конечностей.Три отдельных эксперимента были выполнены с тремя испытуемыми для всех трех двигательных задач. Остальные три предмета были протестированы только по двум заданиям. Во всех случаях использовалась доминирующая правая рука. В общей сложности для шести субъектов было собрано 15 наборов данных функциональной МРТ.

Три моторные задачи, использованные в этом исследовании, были модифицированы из набора стандартных клинических тестов, предназначенных для проверки силы отдельных групп мышц верхней конечности (16, 17). Ключевыми группами мышц были сгибатели локтя (двуглавая мышца), разгибатели запястья (длинный и короткий разгибатель запястья) и отводящий мизинец пальца (минимальный отводящий палец).Эти группы мышц были выбраны в первую очередь потому, что двигательная иннервация представлена ​​отдельными сегментами шейного отдела спинного мозга: бицепсами (шейные сегменты C5 и C6), разгибателями запястья (шейные сегменты C6 и C7) и отводящими руками (C8 и T1).

Для задания на сгибание бицепса трое испытуемых согнули предплечье вокруг локтя от 0 ° до 90 °, а затем вытянули руку назад до 0 °, при этом плечо оставалось ровным на кровати для визуализации. В задании на разгибание запястья шесть испытуемых сгибали спинной сжатый кулак, преодолевая сопротивление запястья, при этом удерживая предплечье в покое на столе тепловизора рядом с их телом.После максимального разгибания кулак возвращался в исходное положение покоя в контакте со столом. Задание на отведение пальцев (выполняемое всеми шестью испытуемыми) требовало от испытуемых чередовать положения рук, сначала широко расставив пальцы (отведение), а затем сведя их вместе (приведение) с пронацией руки и предплечья в горизонтальном положении покоя. стол тепловизора. Все движения (сгибание бицепса, разгибание запястья и отведение пальцев) повторялись с частотой один или два раза в секунду.

Изометрические испытания

Взаимосвязь между жирным шрифтом амплитуды сигнала и приложенной силой во время изометрического упражнения была исследована на четырех испытуемых (в возрасте 20–50 лет). Объекты были визуализированы во время изометрических упражнений на двуглавую мышцу с использованием гирь с переменным сопротивлением. Испытуемые держали в ладони пластиковый контейнер, который был наполнен дополнительным количеством соли. Предплечье, запястье и кисть прижимались к жесткой доске, чтобы предотвратить движение запястья.Испытуемые были проинструктированы удерживать серию разного веса в течение 30-секундных интервалов в фиксированном положении согнутой руки. Веса были представлены испытуемым в случайной последовательности. Четыре веса варьировались от 0,3 до 1,2 кг с шагом 0,3. В исходном положении испытуемые держали очень небольшой вес, 0,026 кг, в том же положении рук. Испытуемые сгибали пальцы, чтобы удерживать гири во время исследования.

Экспериментальный план

Вызванная реакция на эти задачи была изучена с использованием блочного экспериментального плана.Во время изометрического упражнения испытуемые выполнили 16 циклов, в которых они удерживали каждый из различных весов в течение 30 секунд, а затем 30 секунд отдыха. Что касается остальных заданий, каждый испытуемый выполнял заданное задание в течение 30 секунд, а затем 30 секунд отдыха в течение восьми циклов. Параметры изображения: 3000/50 (TR / TE), угол поворота 90 °, матрица 128 × 128 с полем зрения 16 см для изометрической задачи и поле зрения 14 или 20 см для всех. другие задачи, в зависимости от размера шеи испытуемого. Объекты были визуализированы в сагиттальной плоскости, и было получено шесть срезов толщиной 4 мм для изометрических испытаний и 5 или 6 мм для всех других испытаний, с частотным градиентом вдоль короткой оси спинного мозга, чтобы избежать эффекта. движения спинного мозга вдоль оси отсчета.

Три объекта были также изображены в аксиальной плоскости при выполнении парадигмы разгибания запястья. Параметры изображения были такими, как описано выше, с полем обзора 20 см и толщиной сечения 1 см. Полученные изображения распространялись только на седьмой позвонок. На нижних позвоночных уровнях изображения были искажены, что не позволяло использовать их при анализе.

Анализ

Программное обеспечение SPM99 (Wellcome Department, University College of London) использовалось для обработки и статистического анализа.Сначала изображения были обрезаны до прямоугольной формы, включая спинной мозг и тела позвонков. Затем изображения были выровнены и отфильтрованы (пространственно и временно). Наконец, активация была обнаружена с помощью общей статистики линейной модели.

Все данные были зарегистрированы на индивидуальной основе в первом приобретенном томе. Вычисленные параметры твердого тела использовались при резекции изображения и корректировке для последовательных временных корреляций (первый порядок), как описано Friston et al (18).Параметры движения для двух испытуемых были чрезмерными в течение последних четырех циклов включения / выключения во время одного задания и поэтому плохо согласовывались; эти циклы были исключены из анализа. Выровненные изображения были пространственно сглажены в плоскости с помощью гауссового фильтра (полная ширина на полувысоте = два вокселя) для улучшения отношения сигнал / шум. Хотя это снижает пространственное разрешение, вторая фаза BOLD-сигнала, единственная фаза, доступная для формирователя изображения 1,5-Тл, является пространственно диффузной по своей природе, и последствия фильтрации минимальны.Чтобы улучшить обнаружение BOLD-сигнала, к полученным данным и смоделированной матрице дизайна было применено временное гауссово ядро ​​с частотой отсечки 120 секунд и сигмой 2,8 секунды. Фактически это действует как полосовой фильтр. Степени свободы были скорректированы с учетом их уменьшения, вызванного временной фильтрацией (19). Тест t на основе вокселей применялся для оценки изменений средней интенсивности сигнала между выключенным и включенным состояниями. Данные были проанализированы без нормализации средней интенсивности сигнала к глобальным изменениям сигнала, чтобы ограничить ложноположительные ошибки (20).Изменение сигнала из-за вызванной активности моделировалось как свертка функции гемодинамического ответа, которую можно описать как суммирование двух гамма-функций (19) с функцией прямоугольной формы. Этот ответ учитывает 6-секундное время нарастания, а также 15-секундное отставание от стимула. Для идентификации активных областей в сегментах спинного мозга использовали нескорректированное значение P менее 0,05 и кластеры κ более пяти вокселей. Область активации определялась постепенным увеличением BOLD-сигнала, коррелирующего с активностью; то есть повышение оксигемоглобина (снижение дезоксигемоглобина) и результирующий гемодинамический ответ в виде увеличения местного кровотока.Деактивация была определена как уменьшение BOLD-сигнала, коррелирующего с активностью; то есть прямая отрицательная корреляция с BOLD-ответом, возможно, соответствующая отрицательному гемодинамическому ответу. Области активации и деактивации генерировались одновременно в разных местах спинного мозга.

Анатомическое расположение места активации или деактивации в спинном мозге было отнесено к ближайшему соседнему телу позвонка. Анатомические местоположения для активации спинного мозга были суммированы по задачам для всех испытуемых и отображены в графическом формате (рис. 1).

рис. 1.

Сайты активации / деактивации (усиление / ослабление жирного сигнала), вызванные тремя различными двигательными задачами: сгибание в локтевом суставе, разгибание запястья и разведение пальцев. Диаграмма показывает частоту значительного увеличения или уменьшения сигнала по сегментам у исследуемых субъектов (сгибание в локтевом суставе, n = 3; разгибание запястья и разведение пальцев, n = 6).

Для дальнейшего уменьшения воздействия объекта. Движение в нашем анализе, параметры движения были включены и области активации / деактивации, которые коррелировали с движением, были исключены.Если параметры движения следовали парадигме задачи, то этот метод мог дать ложноотрицательные результаты.

Для анализа изображений, полученных во время изометрической задачи, вектор (W), представляющий временной ряд приложенной силы, использовался для обнаружения вокселей, коррелирующих с W нулевого порядка, первого порядка и второго порядка. Тесты активации нулевого порядка для вокселей со средним сигналом выше базового уровня, тогда как тесты активации первого порядка для вокселей, которые лучше соответствуют между линейным откликом и приложенной силой, и тесты активации второго порядка для вокселей, которые лучше подходят между вторыми — реакция на заказ и приложенная сила.

Результаты

Распределение реакции активации как функция двигательной задачи

На рисунке 1 показано соотношение субъектов, демонстрирующих области активации в сагиттальной проекции в каждой анатомической области спинного мозга (C4 – T2). У всех субъектов распределение обнаруженной активности варьировалось в зависимости от задачи (рис. 2), но оставалось, по большей части, постоянным для разных субъектов (рис. 3). Более того, наблюдаемое местоположение активности для каждой задачи в первую очередь соответствовало ожидаемым анатомическим местоположениям на основе известных паттернов иннервации тестируемых групп мышц (рис. 1).Например, сгибание в локтевом суставе (двуглавая мышца) вызвало сигнал функциональной МРТ-визуализации в ожидаемых местах C5 и C6 для всех трех субъектов (рис. 1 и 3). Точно так же разгибание запястья, которое выполняется длинным разгибателем лучевой мышцы запястья и короткими мышцами, должно вызывать активность примерно в местах C6 и C7, как это наблюдалось у пяти из шести испытуемых. В большинстве случаев наблюдалась активация дополнительных соседних сегментов; однако это было менее последовательным по предметам. Для отведения пальца ожидается активность в C7 – T1.Он был обнаружен в T1 у всех шести субъектов и в T2 у пяти субъектов. Только у половины испытуемых был задействован C7. Во всех случаях активированная область не образовывала единую зону для какой-либо данной задачи, но, как показано на рисунках 2 и 3, состояла из прерывистых кластеров. Амплитуда наблюдаемого сигнала широко варьировала от 0,5% до 7,5% среди испытуемых.

рис. 2.

A – C, Карты активации для одного субъекта, вызванного тремя двигательными задачами: сгибание локтя ( A ), разгибание запястья ( B ) и разведение пальцев ( C ). Цветная полоса показывает статистику t

рис. 3.

A – C, Карты активации для трех субъектов ( A, B, и C, соответственно), вызванные разгибанием запястья. Цветная полоса указывает статистику t

Реакция на дезактивацию

Помимо увеличения сигнала, снижение сигнала также наблюдалось в отдельных участках спинного мозга во время двигательной активности (рис. 1). Этот ответ был более размытым по сравнению с областями активации.Например, реакция дезактивации была идентифицирована в местах паренхимы спинного мозга от C5 до T1 во время активности двуглавой мышцы, тогда как активация была сконцентрирована в основном на уровнях C5, C6 и C7. Как и в случае активации, дезактивация наблюдалась в несмежных кластерах (рис. 4).

рис. 4.

A – C, Карты дезактивации (уменьшенный жирный сигнал) у одного субъекта, вызванные тремя двигательными задачами: сгибание бицепса ( A ), разгибание запястья ( B ) и разведение пальцев ( C ). ). Цветная полоса указывает статистику t

Осевые срезы

У трех пациентов осевые изображения были получены во время разгибания запястья. Ипсилатеральная активность была обнаружена на C5 или C6, как показано на рисунке 5. Активность не ограничивалась передним отделом спинного мозга у всех субъектов. Активность в заднем отделе обнаружена у одного испытуемого. Контралатеральная активность также была обнаружена у одного пациента.

рис. 5.

A – C, Карты активации, вызванные разгибанием запястья (осевой вид) у трех субъектов ( A, B, и C, соответственно). Цветная полоса показывает статистику t (L = R)

Изменение жирного сигнала с изменением изометрической силы

Взаимосвязь между силой жирного сигнала в спинном мозге и величиной усилия или силы, приложенной к ключевая мышца показана на рисунке 6. Сила ЖИРНОГО сигнала как для активации, так и для деактивации для значительной части активных вокселей показывает линейную зависимость по отношению к приложенной силе. При проверке квадратичной зависимости вокселей обнаружено не было.Анатомическая локализация активности была аналогична той, которая наблюдалась при активных упражнениях, как показано на рисунке 1. Для всех, кроме одного субъекта, сигнал (активация или деактивация) был обнаружен на уровне C5 – C6 во время изометрических упражнений. Эти местоположения согласуются с результатами, полученными при активных упражнениях со сгибанием локтя. Дополнительная активность была обнаружена на уровнях от C8 до T1.

рис. 6.

Линейная зависимость между жирным шрифтом и изометрической силой в двух разных вокселях для одного объекта.Линейный сигнал BOLD изменяется с изометрической приложенной силой в некоторых вокселях.

A и B , наблюдались положительная ( A ) и отрицательная ( B ) корреляции.

Планки погрешностей указывают на стандартную ошибку среднего для повторяющихся сеансов.

Обсуждение

Несмотря на известные присущие технические ограничения в получении полезного сигнала функциональной МР-визуализации от спинного мозга, мы показали, что значимые данные могут быть получены с использованием обычных клинических формирователей изображений, поверхностных катушек и импульсных последовательностей.Более того, мы смогли продемонстрировать зависимость от задачи наблюдаемого BOLD-сигнала спинного мозга. Анатомическое расположение активированных зон изменялось с использованием различных групп мышц, поддерживая сегментарную организацию моторной иннервации в спинном мозге и плечевом сплетении: сегменты, которые иннервируют участвующие мышцы, были активны почти у всех испытуемых, в то время как другие сегменты участвовали реже. Кроме того, как и ожидалось, амплитуда сигнала менялась в зависимости от приложенной силы.Имеются веские доказательства того, что уровень BOLD-сигнала модифицируется уровнем нервной активности (19, 21–23) и что будет повышенная нервная активность, связанная с большей сократительной силой (24).

Наш успех в получении полезных данных функциональной МРТ спинного мозга человека связан с модификациями техники, направленными на уменьшение врожденных артефактов. В дополнение к ухудшению сигнала из-за естественного движения спинного мозга, размер спинного мозга и наличие крупных вен были потенциальными трудностями для получения успешной функциональной МРТ-визуализации спинного мозга.Для уменьшения воздействия больших судов использовались спойлеры. Вклад потока в обнаруженный сигнал был минимальным из-за того, что один срез регистрировался каждые 500 мс и с перемежением. Изображение среднего разрешения (размер вокселя в плоскости около 1 мм) использовалось для компенсации небольшого размера шнура. Это, а также остаточный сигнал от крупных сосудов, вероятно, способствовали наблюдаемой высокой амплитуде сигнала (8, 9, 25). Обратите внимание, что BOLD-сигнал имеет эффективное пространственное разрешение всего от 2 до 3 мм из-за диффузного характера гемодинамических изменений, которые можно обнаружить при 1.5 T. Ряд дополнительных факторов сыграл важную роль в обнаружении BOLD-сигнала. Используемая объемная шейковая катушка характеризуется постоянной частотной характеристикой около резонансной частоты. Прием сигнала был улучшен за счет размещения шеи каждого испытуемого рядом с верхней частью катушки. Наконец, использовалась более широкая полоса пропускания приемника с линейной дискретизацией, 75 кГц по сравнению с обычными 62 кГц. Артефакты движения были уменьшены за счет ограничения объектов и постобработки, трехмерного выравнивания и удаления активных вокселей, коррелированных с параметрами движения.Однако даже после того, как эти шаги были предприняты, некоторые связанные с движением активные вокселы остались, как это было замечено другими (26, 27). Это вероятное объяснение присутствия сигнала вне спинного мозга во время всех, кроме изометрических двигательных задач. Хотя часть этой активности может происходить из сосудистого русла, дренирующего пуповину, отсутствие большей части этой активности во время выполнения изометрической задачи предполагает, что грубое движение является фактором, способствующим этому.

Наблюдение за тем, что во время упражнения определяется активность нескольких сегментов одной группы мышц, кроме известного места иннервации, заслуживает объяснения.Несмотря на то, что задачи, выполняемые каждым испытуемым, были разработаны с упором на одну группу мышц, каждое действие представляло собой сложное скоординированное усилие всех мышц руки и предплечья. Поражаются как мышцы-агонисты, так и мышцы-антагонисты, а также добавочные мышцы. Более того, во время активности спинной мозг также получает сложные афферентные сенсорные сигналы. Хотя испытуемых проинструктировали ограничить свои движения изучаемой задачей, могли произойти изменения в выполнении задания, такие как незаметное дополнительное движение.Например, сильное сгибание в локтевом суставе может вызвать активацию C7 из-за дополнительной активации запястья. Точно так же в упражнении на разгибание запястья дополнительная активация в C7 и C8 приходится на длинный разгибатель пальцев. Что касается отводящей руки, активность в точке C7 может быть объяснена задействованием длинных мышц-разгибателей пальцев, которые стабилизируют пястно-фаланговые суставы в разгибании. В исследовании изометрической силы дополнительную активность на нижних шейных уровнях можно объяснить увеличением силы, прилагаемой пальцами для удержания веса с помощью мышц пальцев.Эта дополнительная активация предполагает, что в будущих исследованиях электромиографию следует использовать в сочетании с функциональной МРТ-визуализацией для выявления активированных мышц на экспериментальной основе.

Другие соображения, которые помогают объяснить наблюдаемый паттерн активации, включают известную двойственность иннервации всех групп мышц, по крайней мере, двумя соседними спинными корешками. Более того, существуют индивидуальные различия в иннервации мышц (17).

Скоординированная двигательная активность включает в себя задействование не только мышц-агонистов, но также мышц-антагонистов, и некоторые из них могут получать сигналы от других сегментов позвоночника.Сигнал распространялся не только на другие сегменты, но и от переднего к дорсальному отделу спинного мозга. Это может быть связано с сенсорной активацией и анатомией сосудистого русла. Действительно, иногда казалось, что активность повторяет форму небольших радиальных жилок; особенно это касалось нижних шейных уровней. Как описано Gillilan (28), «на нижних шейных уровнях радиальные вены проходят наклонно заднебоковой от сплетения в ретродорсолатеральном столбце клеток к венечным венам около задних нервных корешков.”

Выявление областей деактивации спинного мозга особенно убедительно. Хотя причина этого наблюдения неизвестна, подобное явление было зарегистрировано в исследованиях функциональной МРТ головного мозга (29, 30). Интересно, что мы обнаружили, что есть вокселы, уровень декремента сигнала которых пропорционален приложенной силе. Предполагается, что области дезактивации могут соответствовать областям нервного торможения либо антагонистической, либо дополнительной мускулатуры.

Передаточная функция между нейронной активностью и BOLD-сигналом противоречива, с предложенными линейными (21, 22) и нелинейными (19, 23) моделями. Наблюдаемая линейная зависимость, демонстрируемая некоторыми вокселями в настоящем исследовании во время изометрического сокращения бицепса, подтверждает первый случай. На основании результатов электрофизиологических исследований (24) ожидается, что существует монотонная связь между сократительной силой и нейронной активностью по крайней мере некоторых из задействованных элементов спинного мозга.

Помимо значения на уровне фундаментальной науки, линейная корреляция между двигательной силой и СИЛЬНЫМ сигналом предлагает потенциальное практическое преимущество. Вектор, представляющий порядок приложенных сил, использовался в качестве ковариаты при анализе данных. Корреляции между приложенной силой и параметрами движения не обнаружено. Используя параметрическую зависимость BOLD-сигнала от приложенной силы, можно отличить зависимый от активности сигнал от артефактов, вызванных движением.

Большинство наших текущих представлений о физиологии спинного мозга человека основано на исследованиях на млекопитающих и приматах. Это первое исследование, показывающее сложность деятельности спинного мозга человека неинвазивными методами. Корреляция паттернов активации функциональной МР-визуализации с электрической активностью (посредством электромиографии) будет необходима для подтверждения наблюдаемого ответа. Будущие задачи включают применение этой техники к функции поясничного отдела спинного мозга, оценку сложных двигательных задач и моделей поведения, а также моделирование пластичности функции спинного мозга в условиях заболевания или травмы.

Заключение

Наши результаты подтверждают надежный неинвазивный метод надежной оценки функции спинного мозга с использованием стандартных клинических изображений, поверхностных катушек и серийных импульсных последовательностей. ЖИВОЙ ответ был идентифицирован во многих местах спинного мозга с концентрированной активностью в месте иннервации мышц. Сила функционального сигнала МРТ прямо пропорциональна силе, прилагаемой к группе мышц. Этот метод имеет широкое применение при изучении физиологии и патологии спинного мозга человека.

Сноски

  • 1 Направляйте запросы на перепечатку Джонатану Ниссанову, доктору философии, кафедра нейробиологии и анатомии, Медицинский колледж Пенсильвании / Университета Ганемана, 2900 Куин-Лейн, Филадельфия, Пенсильвания 19129.

Ссылки

  1. Belliveau JW, Rosen BR, Kantor HL и др. Функциональная визуализация головного мозга методом контрастного ЯМР. Magn Reson Med 1990; 14: 538-546

  2. Curtin AJ, Chakeres DW, Bulas R, et al. Артефакты МРТ внутренней осевой анатомии шейного отдела спинного мозга. AJR Am J Roentgenol 1989; 152: 835-842

  3. Czervionke LF, Daniels DL, Ho PS, et al. МРТ серого и белого вещества в шейном отделе спинного мозга. AJNR Am J Neuroradiol 1988; 9: 557-562

  4. Matsuzaki H, Wakabayashi K, Ishihara K, et al. Происхождение и значение пульсации спинного мозга. Spinal Cord 1996; 34: 422-426

  5. Mikulis DJ, Wood ML, Zerdoner OA, et al. Колебательные движения нормального шейного отдела спинного мозга. Radiology 1994; 192: 117-121

  6. Takizawa H, Sugiura K, Baba M, et al. Спектральный анализ волны спинномозговой жидкости. No To Shinkei 1983; 35: 1223-1227

  7. Накамура К., Ураяма К., Хосино Ю. Место происхождения пульсовой волны спинномозговой жидкости. J Orthop Sci 1998; 3: 60-66

  8. Boxerman JL, Bandettini PA, Kwong KK, et al. Внутрисосудистый вклад в изменение сигнала фМРТ: моделирование методом Монте-Карло и диффузионно-взвешенные исследования in vivo. Magn Reson Med 1995; 34: 4-10

  9. Menon RS, Hu X, Adriany G, et al. Сравнение спинового эхо EPI, асимметричного спинового эхо EPI и обычного EPI, применяемого для функциональной нейровизуализации: влияние градиентов дробления потока на BOLD-сигнал. В: Proceedings of the Society of Magnetic Resonance, 1994. Society of Magnetic Resonance; 1994; 2: 622

  10. Гати Дж. С., Менон Р. С., Угурбил К. и др. Экспериментальное определение зависимости напряженности поля BOLD в сосудах и тканях. Magn Reson Med 1997; 38: 296-302

  11. Ogawa S, Lee TM, Barrere B. Чувствительность сигналов магнитно-резонансного изображения головного мозга крысы к изменениям оксигенации церебральной венозной крови. Magn Reson Med 1993; 29: 205-210

  12. Тэди М., Хемет Дж., Фрегер П. и др. Морфофункциональная анатомия вен спинного мозга. J Neuroradiol 1985; 12: 3-20

  13. Stroman PW, Nance PW, Ryner LN. BOLD МРТ шейного отдела спинного мозга человека при давлении 3 тесла. Magn Reson Med 1999; 42: 571-576

  14. Yoshizawa T., Nose T, Moore GJ, et al. Функциональная магнитно-резонансная томография моторной активации шейного отдела спинного мозга человека. Neuroimage 1996; 4: 174-182

  15. Porszasz R, Beckmann N, Bruttel K, et al. Сигнальные изменения в спинном мозге крысы после инъекции формалина в заднюю лапу: характеристика с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии. Proc Natl Acad Sci U S A 1997; 94: 5034-5039

  16. Исследовательский и учебный центр по травмам спинного мозга больницы Университета Томаса Джефферсона. Руководство по обучению студентов-исследователей, 1992. Филадельфия: Университет Томаса Джефферсона; 1992

  17. Американская ассоциация спинного мозга. Стандарты неврологической и функциональной классификации травм спинного мозга, пересмотренные. Чикаго: Американская ассоциация спинного мозга; 1992

  18. Friston KJ, Ashburner J, Poline JB и др. Пространственная регистрация и нормализация изображений. Карта мозга человека 1995; 2: 165-189

  19. Фристон К.Дж., Джозефс О., Рис Г. и др. Нелинейные реакции, связанные с событиями, в фМРТ. Magn Reson Med 1998; 39: (B) 41-52

  20. Aguirre GK, Zarahn E, D’Esposito M. Выводное влияние глобальных сигнальных переменных в функциональном нейровизуализационном анализе. Neuroimage 1998; 8: 302-306

  21. Boynton GM, Engel SA, Glover GH, et al. Линейный системный анализ функциональной магнитно-резонансной томографии человека, VI. J Neurosci 1996; 16: 4207-4221

  22. Дейл А., Бакнер Р. Выборочное усреднение быстро представленных индивидуальных испытаний с использованием фМРТ. Hum Brain Map 1997; 5: 329-340

  23. Vasques AL, Noll DC. Нелинейные аспекты BOLD-ответа в функциональной МРТ. Neuroimage 1998; 7: 108-118

  24. Майер М.А., Перлмуттер С.И., Фетц Э. Паттерны реакции и силовые отношения спинномозговых интернейронов обезьяны при активном движении запястья. J Neurophysiol 1998; 80: 2495-2513

  25. Oja JM, Gillen J, Kauppinen RA, et al. Эффекты венозной крови в спин-эхо фМРТ головного мозга человека. Magn Reson Med 1999; 42: 617-626

  26. Jezzard P, Clare S. Источники искажения функциональных данных МРТ. Hum Brain Map 1999; 8: 80-85

  27. Wu DH, Lewin JS, Duerk JL. Неадекватность алгоритмов коррекции движения в функциональной МРТ: роль артефактов восприимчивости.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *