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!
Recommended