Digitális agykutatás a III. évezredben Kalandozás az orvosi képalkotás és idegtudományi kutatások világában

Dr. Jakab András Debreceni Egyetem, Idegtudományi Doktori Iskola

Computer Vision Laboratory, Swiss Federal Institute of Technology, Zürich

„Agykutatás” Digitális??

Idegsejtek működése, sejtszintű

kommunikáció és mikrohálózatok

Neuronális hálózatok számítógépes

modellezése (matematika, informatika)

A működő emberi (v. állati) agy

élőben történő vizsgálata,

ábrázolása

Orvosbiológiai képalkotás,

keresztmetszeti képalkotó eljárások

(fizika, biológia, informatika)

Az agyműködés térképezése, alap-

és klinikai kutatások

Orvosbiológiai képfeldolgozás és

számítógépes megjelenítés,

modellezés (biológia, informatika)

Mi az orvosi (biomedikális) képalkotás szerepe

az idegtudományi kutatásokban?

Az agy anatómiájának, szerkezetének

vizsgálata élő emberekben

Az agy mikroszkópikus szerkezetének,

szöveteinek vizsgálata

Az agyi területek összeköttetéseinek

vizsgálata, funkcionális aktivitásának

vizsgálata (működés megjelenítése)

Az agy kémiai, metabolikus összetételének

vizsgálata élő emberben

1895 - 2012

RTG CT

PET

MRI fMRI

Az élő emberi agy ábrázolására többen tettek a radiológia első

éveiben sikertelen kísérletet. Thomas Edison nyilvánosan ígéretet

tett erre alkalmas módszer kidolgozására. A csontos koponyába

zárt, kevés röntgenárnyékot adó agyállományt azonban 1972-ig

nem sikerült direkt módszerrel megjeleníteni. Thomas Edison

lemondott a hiábavaló próbálkozásról. Mások a fenti képet

jelentették meg „agy-röntgen” ként, de ez hamisítványnak bizonyult.

1913. Luckett W.H.

Pneumoencephalon

A két kis nyíl törést jelez

az os frontalen Három héttel később

Luckett írta le először a traumás pneumoencephalont – később a módszer

fontos ábrázoló lehetőséget teremtett az intracranium térfoglaló folyamatainak

ábrázolásában.

CT, computed tomography

Az első klinikailag használható CT vizsgálati ideje is

megközelítette az egy órát.

Mágneses magrezonanciás képalkotás (MRI)

• vízmolekulák, zsírok – magas p+ tartalom

• spinmomentum

• erős, külső mágneses tér alkalmazása

• „echo”

1973: Lauterbur, Mansfield

1977: Damadian Modern, nagy térerejű MRI

Összefoglalva, mit jelenít meg a hagyományos MRI a központi

idegrendszer vizsgálata során? (1977-)

Anatómia, geometria: 0.5 mm felbontással

Erek (artériák, vénák) – MR kontrasztanyag

Szöveti eloszlás, fehér / szürkeállomány

Szöveti vízterek változása, kóros állapotok (T1 és T2-súlyozott képek)

Ervin agya (3D Slicer prezentáció)

… és a „nem hagyományos” MRI? (1990-2010)

Diffúziós tenzor képalkotás – fehérállomány diffúziós

tulajdonságai, agyi pályák, strukturális összeköttetések

megjelenítése (traktográfia)

Funkcionális MR képalkotás – agyi funkció, aktiválódott agyi

területek megjelenítése

MR spektroszkópia (3d, multivoxel): sejtműködés, biokémia,

metabolit mapping

… és sok egyéb „egzotikus” képalkotás: szuszceptibilitás-

súlyozott, magnetizációs transzfer imaging, arterial spin

labeling…

Mindezt az élő emberben,

„működés” közben,

nagy populáción vizsgálható

módon

Diffúzió-súlyozott és diffúziós tenzor

képalkotás (DWI, DTI)

• Le Bihan & Breton, CRASS, 1985

• Intravoxel incoherent motion

• Képalkotás közben molekuláris

elmozdulás = az MRI jel

befolyásolása

• Térben változó mágneses tér

alkalmazása a „spin echo” MRI

képalkotás során:

a hely kódolása

• Egy helyben álló vs. mozgó

részecskék

Miért különleges a szöveti diffúzió? A tér különböző irányába eltérő nagyságot

mutat = anizotróp

• szöveti diffúzió iránya : axonok rostlefutása

• axonok rostlefutása : agyi pályarendszer

Rövid összeköttetések

Fibrae arcuate – U-fibers

Középhosszú és hosszú asszociációs pályák,

lebenyek között

Projekciós rostok

Pl. corticospinal tract

Kommisszurális rostok (féltekék közt)

Traktográfia, agyi hálózatok, pályák

megjelenítése

Milyen agyi terület mely másikkal

van „összekötve”, ezek a

kapcsolatok hol haladnak az

agyon belül?

Sérült-e egy agyi hálózat, egy

térfoglalás (pl. tumor)

diszlokálta-e azt?

Milyen a normális neuroanatómia

nagy populáción vizsgálva?

Agyi aszimmetria, kezesség.

Rilling et al. (2008) The evolution of the

arcuate fasciculus revealed with

comparative DTI. Nature Neuroscience 11,

426 – 428.

A beszéd eredete – bizonyítékok diffúziós tenzor MR képalkotás

segítségével

„Fasciculus arcuatus” =

„ívelt rostköteg”

Jakab A et al. Handedness and interhemispheric differences in the anatomical

connectivity of perisylvian language areas: a network-based approach, Magn.

Reson. Mat. Phys. Biol. Med. 24 (S1):276, 2011.

Jakab A et al. Handedness and interhemispheric

differences in the anatomical connectivity of perisylvian

language areas: a network-based approach, Magn.

Reson. Mat. Phys. Biol. Med. 24 (S1):276, 2011.

BAL OLDAL JOBB OLDAL

Fasciculus arcuatus in vivo megjelenítése

Jobbkezesség vs. Balkezesség!

Variánsok • Az arcuatus anatómiája súlyos

fejlődési rendellenességek

esetén

• Schizencephalia,

polymicrogyria, lissencephalia,

…

Source: Jakab A / Paldino M.– Harvard

Medical School, Children’s Hospital

Az agyműködés megjelenítése: funkcionális

MR képalkotás (fMRI)

fMRI Alapelvek:

Működő agyi terület = fokozott vérátáramlás az

idegsejtekhez

= több oxigénfelhasználás, több

deoxy-hemoglobin

= mágneses tulajdonság

(az oxigént kötő, oxy-hgb. nem

mágneses!)

MILYEN AGYMŰKÖDÉSEKET TUDUNK

VIZSGÁLNI FMRI-AL?

• Látás („vibráló sakktábla”)

• Végtagmozgatás (finger tapping test)

• Memória (hometown walking test)

• Beszéd (szóalkotás adott betűre = Broca)

• Ezen funkciók agyi elhelyezkedése, megléte, normális aktivációs mintázata

JOBB KÉZ AKTIVÁCIÓJA

(FINGER-TAPPING TEST)

Forrás: Katona P., Jakab A.DEOEC

„Broca area”

Rajz Funkcionális MRI, Debrecen

„Mindscan” - Yoichi Miyawaki és mtsai, 2008

Funkcionális Mágneses Rezonancia Képalkotás

Számítógépes kép- és adatfeldolgozás

Látókéreg aktivitásának

térképezése

Mi a közös az agyban és a -ban?

Mindenki ismerőse a környezetében

lévőknek, 1-2 „ismeretségen keresztül”

– Friends of friends’ friends

A világ nagy része ismeri egymást,

átlagosan 5.7 (kb. 6) személyen

keresztül – Six Degrees of Separation

Nincs szükség nagy

„átkapcsolásokra”, és a hálózat nem

véletlen kapcsolatokon alapul.

Matematikai modellje a gráfelmélet

szerint az ún. „kis világ” hálózat =

Small World Network

Pisti, TÁG,

Debrecen

Borisz,

Moszkva Panni, Ady

Debrecen

Géza, Budapest

Mi a közös az agyban és a -ban?

Yan C et al. Sex- and brain size-related small-world structural cortical networks

in young adults: a DTI tractography study. Cerebral Cortex 2011; 21:449-58.

Modern? idegsebészet

Modern idegsebészet

Háromdimenziós, idegsebészeti tervezés a DEOEC-en

42 Bevezetés A multimodális képalkotás alapjai

43 Bevezetés A multimodális képalkotás alapjai

44 Bevezetés A multimodális képalkotás alapjai

45 Bevezetés A multimodális képalkotás alapjai

46 Bevezetés A multimodális képalkotás alapjai

47 Bevezetés A multimodális képalkotás alapjai

A homloklebeny

mozgatóközpontja

Traktográfia, Debrecen

LAESIO A BAL PREFRONTALIS GYRUSBAN

KÉRDÉS: MOZGATÁS, CST?

Forrás: Katona P., Jakab A. DEOEC

… és a jövő

Köszönöm a figyelmet!