Neuroimagem - Neuroimaging

Neuroimagem
RNM parasagital de cabeça humana em paciente com macrocefalia familiar benigna antes de lesão cerebral (ANIMADA) .gif
Ressonância magnética parassagital da cabeça em um paciente com macrocefalia familiar benigna .
Propósito indiretamente (diretamente) a estrutura da imagem, função / farmacologia do sistema nervoso

Neuroimagens ou imagiologia do cérebro é o uso de várias técnicas, quer diretamente ou indiretamente imagem a estrutura , função ou farmacologia do sistema nervoso . É uma disciplina relativamente nova na medicina , neurociência e psicologia . Os médicos que se especializam na execução e interpretação de neuroimagem no ambiente clínico são neurorradiologistas . A neuroimagem se enquadra em duas categorias amplas:

A imagem funcional permite, por exemplo, o processamento de informações por centros no cérebro para serem visualizados diretamente. Esse processamento faz com que a área do cérebro envolvida aumente o metabolismo e "acenda" na varredura. Um dos usos mais controversos da neuroimagem tem sido a pesquisa da " identificação do pensamento " ou leitura da mente.

História

Imagem de ressonância magnética funcional (fMRI) de uma cabeça, do topo à base do crânio

O primeiro capítulo da história da neuroimagem remonta ao neurocientista italiano Angelo Mosso, que inventou o 'equilíbrio da circulação humana', que podia medir de forma não invasiva a redistribuição do sangue durante a atividade emocional e intelectual.

Em 1918, o neurocirurgião americano Walter Dandy introduziu a técnica da ventriculografia. Imagens de raios-X do sistema ventricular dentro do cérebro foram obtidas por injeção de ar filtrado diretamente em um ou ambos os ventrículos laterais do cérebro. Dandy também observou que o ar introduzido no espaço subaracnóideo por punção espinhal lombar pode entrar nos ventrículos cerebrais e também demonstrar os compartimentos do líquido cefalorraquidiano ao redor da base do cérebro e sobre sua superfície. Essa técnica foi chamada de pneumoencefalografia .

Em 1927, Egas Moniz introduziu a angiografia cerebral , por meio da qual os vasos sanguíneos normais e anormais dentro e ao redor do cérebro podiam ser visualizados com grande precisão.

No início dos anos 1970, Allan McLeod Cormack e Godfrey Newbold Hounsfield introduziram a tomografia axial computadorizada ( tomografia computadorizada ou tomografia computadorizada), e imagens anatômicas cada vez mais detalhadas do cérebro tornaram-se disponíveis para fins de diagnóstico e pesquisa. Cormack e Hounsfield ganharam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1979 por seu trabalho. Logo após a introdução da CAT no início da década de 1980, o desenvolvimento de radioligantes permitiu a tomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT) e a tomografia por emissão de pósitrons (PET) do cérebro.

Mais ou menos concomitantemente, a ressonância magnética (MRI ou RM) foi desenvolvida por pesquisadores como Peter Mansfield e Paul Lauterbur , que receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 2003. No início dos anos 1980, a ressonância magnética foi introduzida clinicamente, e durante o Na década de 1980, ocorreu uma verdadeira explosão de refinamentos técnicos e aplicações de diagnóstico por RM. Os cientistas logo descobriram que as grandes mudanças no fluxo sanguíneo medidas pelo PET também podiam ser visualizadas pelo tipo correto de ressonância magnética. A ressonância magnética funcional (fMRI) nasceu e, desde a década de 1990, a fMRI passou a dominar o campo de mapeamento cerebral devido à sua baixa invasividade, falta de exposição à radiação e disponibilidade relativamente ampla.

No início dos anos 2000, o campo da neuroimagem atingiu o estágio em que aplicações práticas limitadas de imagens cerebrais funcionais tornaram-se viáveis. A principal área de aplicação são as formas rudimentares de interface cérebro-computador .

Indicações

A neuroimagem segue um exame neurológico no qual um médico encontrou motivos para investigar mais profundamente um paciente que tem ou pode ter um distúrbio neurológico .

Um dos problemas neurológicos mais comuns que uma pessoa pode ter é a simples síncope . Em casos de síncope simples em que a história do paciente não sugere outros sintomas neurológicos, o diagnóstico inclui um exame neurológico, mas a imagem neurológica de rotina não é indicada porque a probabilidade de encontrar uma causa no sistema nervoso central é extremamente baixa e o paciente é improvável para se beneficiar do procedimento.

A neuroimagem não é indicada para pacientes com cefaléia estável diagnosticada como enxaqueca. Estudos indicam que a presença de enxaqueca não aumenta o risco do paciente de doença intracraniana. Um diagnóstico de enxaqueca que indique a ausência de outros problemas, como papiledema , não indicaria a necessidade de neuroimagem. No decurso de um diagnóstico cuidadoso, o médico deve considerar se a cefaleia tem outra causa que não a enxaqueca e pode necessitar de neuroimagem.

Outra indicação para neuroimagem é a cirurgia estereotáxica guiada por TC, RM e PET ou radiocirurgia para o tratamento de tumores intracranianos, malformações arteriovenosas e outras condições tratáveis ​​cirurgicamente.

Técnicas de imagens cerebrais

Tomografia axial computadorizada

A tomografia computadorizada (TC) ou tomografia axial computadorizada (CAT) usa uma série de radiografias da cabeça tiradas de muitas direções diferentes. Normalmente usado para visualizar lesões cerebrais , a tomografia computadorizada usa um programa de computador que realiza um cálculo integral numérico (a transformada de Radon inversa ) na série de raios-x medida para estimar quanto de um feixe de raios-X é absorvido em um pequeno volume de o cérebro. Normalmente, as informações são apresentadas como seções transversais do cérebro.

Imagem ótica difusa

A imagem óptica difusa (DOI) ou tomografia óptica difusa (DOT) é uma modalidade de imagem médica que usa luz infravermelha próxima para gerar imagens do corpo. A técnica mede a absorção óptica da hemoglobina e depende do espectro de absorção da hemoglobina variando com o seu estado de oxigenação. A tomografia óptica difusa de alta densidade (HD-DOT) foi comparada diretamente à fMRI usando a resposta à estimulação visual em indivíduos estudados com ambas as técnicas, com resultados tranquilizadores semelhantes. O HD-DOT também foi comparado ao fMRI em termos de tarefas de linguagem e conectividade funcional em estado de repouso.

Sinal óptico relacionado ao evento

Sinal óptico relacionado a eventos (EROS) é uma técnica de varredura cerebral que usa luz infravermelha através de fibras ópticas para medir mudanças nas propriedades ópticas de áreas ativas do córtex cerebral. Enquanto técnicas como imagem óptica difusa (DOT) e espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) medem a absorção óptica da hemoglobina e, portanto, são baseadas no fluxo sanguíneo, o EROS tira proveito das propriedades de espalhamento dos próprios neurônios e, portanto, fornece uma visão muito mais direta medida da atividade celular. EROS pode localizar a atividade no cérebro em milímetros (espacialmente) e em milissegundos (temporalmente). Sua maior desvantagem é a incapacidade de detectar atividade com mais de alguns centímetros de profundidade. EROS é uma técnica nova e relativamente barata que não é invasiva para o sujeito de teste. Foi desenvolvido na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, onde agora é usado no Laboratório de Neuroimagem Cognitiva do Dr. Gabriele Gratton e Dra. Monica Fabiani.

Imagem de ressonância magnética

Corte sagital de ressonância magnética na linha média.

A imagem por ressonância magnética (MRI) usa campos magnéticos e ondas de rádio para produzir imagens bidimensionais ou tridimensionais de alta qualidade de estruturas cerebrais sem o uso de radiação ionizante (raios X) ou traçadores radioativos.

o recorde para a maior resolução espacial de um cérebro inteiro intacto (post mortem) é de 100 mícrons, do Massachusetts General Hospital. Os dados foram publicados na NATURE em 30 de outubro de 2019.

Imagem de ressonância magnética funcional

Corte de ressonância magnética axial no nível dos gânglios da base , mostrando alterações de sinal BOLD de fMRI sobrepostas em tons de vermelho (aumento) e azul (diminuição).

A ressonância magnética funcional (fMRI) e a rotulagem de spin arterial (ASL) dependem das propriedades paramagnéticas da hemoglobina oxigenada e desoxigenada para ver imagens de alteração do fluxo sanguíneo no cérebro associada à atividade neural. Isso permite que sejam geradas imagens que refletem quais estruturas cerebrais são ativadas (e como) durante a execução de diferentes tarefas ou no estado de repouso. De acordo com a hipótese da oxigenação, mudanças no uso de oxigênio no fluxo sanguíneo cerebral regional durante a atividade cognitiva ou comportamental podem estar associadas aos neurônios regionais como estando diretamente relacionadas às tarefas cognitivas ou comportamentais que estão sendo atendidas.

A maioria dos scanners de fMRI permite que os sujeitos sejam apresentados a diferentes imagens visuais, sons e estímulos de toque e façam diferentes ações, como pressionar um botão ou mover um joystick. Consequentemente, a fMRI pode ser usada para revelar estruturas e processos cerebrais associados à percepção, pensamento e ação. A resolução da fMRI é de cerca de 2-3 milímetros atualmente, limitada pela distribuição espacial da resposta hemodinâmica à atividade neural. Ele substituiu amplamente o PET para o estudo dos padrões de ativação do cérebro. PET, no entanto, retém a vantagem significativa de ser capaz de identificar receptores cerebrais específicos (ou transportadores ) associados a neurotransmissores específicos por meio de sua capacidade de criar imagens de "ligantes" de receptores marcados radioactivamente (ligantes de receptores são quaisquer produtos químicos que se prendem aos receptores).

Assim como a pesquisa em indivíduos saudáveis, a fMRI é cada vez mais usada para o diagnóstico médico de doenças. Como o fMRI é extremamente sensível ao uso de oxigênio no fluxo sanguíneo, é extremamente sensível às alterações iniciais no cérebro resultantes da isquemia (fluxo sanguíneo anormalmente baixo), como as alterações que seguem o derrame . O diagnóstico precoce de certos tipos de AVC é cada vez mais importante em neurologia, uma vez que substâncias que dissolvem coágulos sanguíneos podem ser usadas nas primeiras horas após a ocorrência de certos tipos de AVC, mas são perigosas de usar depois. As alterações cerebrais observadas no fMRI podem ajudar a tomar a decisão de tratar com esses agentes. Com uma precisão de 72% a 90%, onde a chance alcançaria 0,8%, as técnicas de fMRI podem decidir qual de um conjunto de imagens conhecidas o assunto está visualizando.

Magnetoencefalografia

Magnetoencefalografia (MEG) é uma técnica de imagem usada para medir os campos magnéticos produzidos pela atividade elétrica no cérebro por meio de dispositivos extremamente sensíveis, como dispositivos de interferência quântica supercondutores (SQUIDs) ou magnetômetros livres de relaxamento de troca de spin (SERF). O MEG oferece uma medição muito direta da atividade elétrica neural (em comparação com o fMRI, por exemplo) com resolução temporal muito alta, mas resolução espacial relativamente baixa. A vantagem de medir os campos magnéticos produzidos pela atividade neural é que eles tendem a ser menos distorcidos pelo tecido circundante (particularmente o crânio e o couro cabeludo) em comparação com os campos elétricos medidos por eletroencefalografia (EEG). Especificamente, pode ser mostrado que os campos magnéticos produzidos pela atividade elétrica não são afetados pelo tecido circundante da cabeça, quando a cabeça é modelada como um conjunto de conchas esféricas concêntricas, cada uma sendo um condutor homogêneo isotrópico. As cabeças reais não são esféricas e têm condutividades amplamente anisotrópicas (particularmente a substância branca e o crânio). Enquanto a anisotropia do crânio tem um efeito insignificante no MEG (ao contrário do EEG), a anisotropia da substância branca afeta fortemente as medições de MEG para fontes radiais e profundas. Observe, no entanto, que o crânio foi assumido como uniformemente anisotrópico neste estudo, o que não é verdade para uma cabeça real: as espessuras absolutas e relativas das camadas diploë e tabelas variam entre e dentro dos ossos do crânio. Isso torna provável que o MEG também seja afetado pela anisotropia do crânio, embora provavelmente não no mesmo grau que o EEG.

Existem muitos usos para o MEG, incluindo auxiliar cirurgiões na localização de uma patologia, auxiliar pesquisadores na determinação da função de várias partes do cérebro, neurofeedback e outros.

Tomografia por emissão de pósitrons

A tomografia por emissão de pósitrons (PET) e a tomografia por emissão de pósitrons do cérebro medem as emissões de substâncias químicas metabolicamente ativas marcadas radioativamente que foram injetadas na corrente sanguínea. Os dados de emissão são processados ​​por computador para produzir imagens bidimensionais ou tridimensionais da distribuição dos produtos químicos pelo cérebro. Os radioisótopos emissores de pósitrons usados ​​são produzidos por um ciclotron , e os produtos químicos são marcados com esses átomos radioativos. O composto marcado, denominado radiotraçador , é injetado na corrente sanguínea e, por fim, chega ao cérebro. Os sensores do scanner PET detectam a radioatividade à medida que o composto se acumula em várias regiões do cérebro. Um computador usa os dados coletados pelos sensores para criar imagens bidimensionais ou tridimensionais multicoloridas que mostram onde o composto age no cérebro. Especialmente úteis são uma grande variedade de ligantes usados ​​para mapear diferentes aspectos da atividade do neurotransmissor, com de longe o rastreador PET mais comumente usado sendo uma forma marcada de glicose (ver Fludeoxiglicose (18F) (FDG)).

O maior benefício da varredura PET é que diferentes compostos podem mostrar o fluxo sanguíneo e o metabolismo do oxigênio e da glicose nos tecidos do cérebro em funcionamento. Essas medições refletem a quantidade de atividade cerebral nas várias regiões do cérebro e permitem aprender mais sobre como o cérebro funciona. Os exames de PET foram superiores a todos os outros métodos de imagem metabólica em termos de resolução e velocidade de conclusão (apenas 30 segundos) quando foram disponibilizados pela primeira vez. A resolução melhorada permitiu um melhor estudo a ser feito quanto à área do cérebro ativada por uma tarefa particular. A maior desvantagem da varredura PET é que, como a radioatividade decai rapidamente, ela se limita a tarefas de monitoramento curtas. Antes da tecnologia fMRI entrar em operação, a varredura PET era o método preferido de imagem cerebral funcional (em oposição à estrutural) e continua a fazer grandes contribuições para a neurociência .

A varredura PET também é usada para o diagnóstico de doenças cerebrais, principalmente porque tumores cerebrais, derrames e doenças que danificam os neurônios que causam demência (como a doença de Alzheimer) causam grandes mudanças no metabolismo cerebral, que por sua vez causa mudanças facilmente detectáveis ​​no PET varreduras. PET é provavelmente mais útil nos primeiros casos de certas demências (com exemplos clássicos sendo a doença de Alzheimer e a doença de Pick ), onde o dano inicial é muito difuso e faz muito pouca diferença no volume do cérebro e na estrutura bruta para alterar imagens de TC e ressonância magnética padrão o suficiente para ser capaz de diferenciá-lo com segurança da faixa "normal" de atrofia cortical que ocorre com o envelhecimento (em muitas, mas não em todas) as pessoas e que não causa demência clínica.

Tomografia computadorizada de emissão de fóton único

A tomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT) é semelhante ao PET e usa radioisótopos emissores de raios gama e uma câmera gama para registrar dados que um computador usa para construir imagens bidimensionais ou tridimensionais de regiões ativas do cérebro. SPECT depende de uma injeção de traçador radioativo, ou "agente SPECT", que é rapidamente captado pelo cérebro, mas não se redistribui. A captação do agente SPECT é quase 100% completa em 30 a 60 segundos, refletindo o fluxo sanguíneo cerebral (FSC) no momento da injeção. Essas propriedades do SPECT o tornam particularmente adequado para imagens de epilepsia, o que geralmente é dificultado por problemas com os movimentos do paciente e tipos variáveis ​​de convulsão. O SPECT fornece um "instantâneo" do fluxo sanguíneo cerebral, uma vez que as varreduras podem ser obtidas após o término da convulsão (desde que o traçador radioativo tenha sido injetado no momento da convulsão). Uma limitação significativa do SPECT é sua resolução pobre (cerca de 1 cm) em comparação com a da ressonância magnética. Hoje, as máquinas SPECT com cabeças detectoras duplas são comumente usadas, embora as máquinas com cabeças detectoras triplas estejam disponíveis no mercado. A reconstrução tomográfica (usada principalmente para "instantâneos" funcionais do cérebro) requer múltiplas projeções de cabeças de detecção que giram ao redor do crânio humano, então alguns pesquisadores desenvolveram 6 e 11 máquinas de detecção de cabeça SPECT para reduzir o tempo de imagem e dar maior resolução.

Assim como o PET, o SPECT também pode ser usado para diferenciar diferentes tipos de processos de doenças que produzem demência e é cada vez mais usado para essa finalidade. O Neuro-PET tem a desvantagem de exigir o uso de traçadores com meia-vida de no máximo 110 minutos, como o FDG . Eles devem ser feitos em um ciclotron e são caros ou mesmo indisponíveis se os tempos de transporte necessários forem prolongados mais do que algumas meias-vidas. O SPECT, no entanto, é capaz de fazer uso de marcadores com meias-vidas muito mais longas, como o tecnécio-99m e, como resultado, está muito mais amplamente disponível.

Ultrassom craniano

O ultrassom craniano geralmente é usado apenas em bebês, cujas fontanelas abertas fornecem janelas acústicas que permitem a ultrassonografia do cérebro. As vantagens incluem a ausência de radiação ionizante e a possibilidade de varredura à beira do leito, mas a falta de detalhes do tecido mole significa que a ressonância magnética é preferida para algumas condições.

Imagem de ultrassom funcional

A imagem de ultrassom funcional (FUS) é uma técnica de imagem de ultrassom médica para detectar ou medir alterações nas atividades neurais ou no metabolismo, por exemplo, os locais de atividade cerebral, normalmente por meio da medição do fluxo sanguíneo ou alterações hemodinâmicas. O ultrassom funcional depende do Doppler ultrassensível e da imagem de ultrassom ultrarrápida, que permite imagens de fluxo sanguíneo de alta sensibilidade.

Magnetômetro quântico com bomba ótica

Em junho de 2021, os pesquisadores relataram o desenvolvimento do primeiro scanner cerebral quântico modular que usa imagens magnéticas e pode se tornar uma nova abordagem de varredura do cérebro inteiro.

Vantagens e preocupações das técnicas de neuroimagem

Imagem de ressonância magnética funcional (fMRI)

A fMRI é comumente classificada como de risco mínimo a moderado devido à sua não invasividade em comparação com outros métodos de imagem. A fMRI usa o contraste dependente do nível de oxigenação do sangue (BOLD) para produzir sua forma de imagem. O contraste BOLD é um processo que ocorre naturalmente no corpo, então fMRI é frequentemente preferido em relação aos métodos de imagem que requerem marcadores radioativos para produzir imagens semelhantes. Uma preocupação no uso de fMRI é seu uso em indivíduos com implantes médicos ou dispositivos e itens metálicos no corpo. A ressonância magnética (RM) emitida pelo equipamento pode causar falha de dispositivos médicos e atrair objetos metálicos para o corpo se não for devidamente rastreada. Atualmente, o FDA classifica os implantes médicos e dispositivos em três categorias, dependendo da compatibilidade do MR: seguro para RM (seguro em todos os ambientes de RM), inseguro para RM (inseguro em qualquer ambiente de RM) e condicional para RM (compatível com RM em determinados ambientes, exigindo mais informações).

Tomografia computadorizada (TC)

A tomografia computadorizada foi introduzida na década de 1970 e rapidamente se tornou um dos métodos de imagem mais amplamente usados. Uma tomografia computadorizada pode ser realizada em menos de um segundo e produzir resultados rápidos para os médicos, com sua facilidade de uso levando a um aumento nas tomografias realizadas nos Estados Unidos de 3 milhões em 1980 para 62 milhões em 2007. Os médicos muitas vezes fazem múltiplas tomografias , com 30% dos indivíduos submetidos a pelo menos 3 exames em um estudo de uso de tomografia computadorizada. As tomografias computadorizadas podem expor os pacientes a níveis de radiação 100-500 vezes maiores do que os raios X tradicionais, com doses de radiação mais altas produzindo imagens de melhor resolução. Embora seja fácil de usar, o aumento no uso de tomografia computadorizada, especialmente em pacientes assintomáticos, é um tópico de preocupação, uma vez que os pacientes são expostos a níveis significativamente elevados de radiação.

Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET)

Em exames de PET, a imagem não depende de processos biológicos intrínsecos, mas depende de uma substância estranha injetada na corrente sanguínea que viaja para o cérebro. Os pacientes são injetados com radioisótopos que são metabolizados no cérebro e emitem pósitrons para produzir uma visualização da atividade cerebral. A quantidade de radiação à qual um paciente é exposto em um PET scan é relativamente pequena, comparável à quantidade de radiação ambiental à qual um indivíduo é exposto ao longo de um ano. Os radioisótopos PET têm tempo de exposição limitado no corpo, pois geralmente têm meias-vidas muito curtas (~ 2 horas) e decaem rapidamente. Atualmente, fMRI é um método preferido de imagem da atividade cerebral em comparação com PET, uma vez que não envolve radiação, tem uma resolução temporal mais alta do que PET e está mais prontamente disponível na maioria dos ambientes médicos.

Magnetoencefalografia (MEG) e Eletroencefalografia (EEG)

A alta resolução temporal de MEG e EEG permite que esses métodos meçam a atividade cerebral em milissegundos. Tanto o MEG quanto o EEG não requerem a exposição do paciente à radiação para funcionar. Eletrodos de EEG detectam sinais elétricos produzidos por neurônios para medir a atividade cerebral e MEG usa oscilações no campo magnético produzido por essas correntes elétricas para medir a atividade. Uma barreira no uso generalizado do MEG é devido ao preço, já que os sistemas MEG podem custar milhões de dólares. O EEG é um método muito mais amplamente usado para atingir a resolução temporal, pois os sistemas EEG custam muito menos do que os sistemas MEG. Uma desvantagem do EEG e do MEG é que ambos os métodos apresentam baixa resolução espacial quando comparados ao fMRI.

Críticas e cuidados

Alguns cientistas criticaram as afirmações baseadas em imagens cerebrais feitas em jornais científicos e na imprensa popular, como a descoberta da "parte do cérebro responsável" por funções como talentos, memórias específicas ou geração de emoções como o amor. Muitas técnicas de mapeamento têm uma resolução relativamente baixa, incluindo centenas de milhares de neurônios em um único voxel . Muitas funções também envolvem várias partes do cérebro, o que significa que esse tipo de afirmação provavelmente não é verificável com o equipamento usado e geralmente se baseia em uma suposição incorreta sobre como as funções cerebrais são divididas. Pode ser que a maioria das funções cerebrais só seja descrita corretamente depois de ser medida com medições muito mais refinadas, que não olham para grandes regiões, mas para um grande número de minúsculos circuitos cerebrais individuais. Muitos desses estudos também têm problemas técnicos, como tamanho de amostra pequeno ou calibração deficiente do equipamento, o que significa que não podem ser reproduzidos - considerações que às vezes são ignoradas para produzir um artigo de jornal ou manchete sensacional. Em alguns casos, as técnicas de mapeamento cerebral são usadas para fins comerciais, detecção de mentiras ou diagnóstico médico de maneiras que não foram validadas cientificamente.

Veja também

Referências

links externos