THAM KHẢO THẦN KINH HỌC

Hi`nhAnh3

Home Up Feedback Contents Search

 

mhoahah1
Hi`nhAnh4

HÌNH ẢNH QUANG HỌC VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ TRONG LÂM SÀNG THẦN KINH.

Susa V. Szaplel, MD. Optical Imaging and Its Role in Clinical Neurology. Arch Neurol/Vol 58, July-2001, P 1061-1065.

Người dịch: BS Bạch thanh Thủy

THUẬT NGỮ NGHUYÊN MÔN CỦA CẤU TRÚC CHỨC NĂNG NÃO TRONG BÀI

* Cortical columns: Nhiều phần của tân vỏ não đã cho thấy bao gồm nhiều đơn vị chức năng cực nhỏ được mô tả như là những nhóm riêng biệt của các nơ-ron tạo thành các cortical columns mà bao trùm độ dày của lớp vỏ não thường từ lớp bề mặt qua phần lớn lớp giữa. Các nơ-ron trong một cột nói chung có tất cả tính chất chức năng giống nhau( chúng hoạt động đáp ứng với cùng một dạng kích thích). Trong vỏ não thị giác, các kích thích thường là những thành phần nhỏ của quang cảnh thị giác ( đường được định hướng, màu sắc, cử động đặc biệt, trực tiếp...). Các nơron cũng có thể được nhóm lại theo mắt đang cung cấp kích thích (OD).

* OD columns: Vỏ não thị giác nguyên thủy chứa các cortical columns mà bao trùm bề dày của lớp vỏ và được bao gồm nhiều nơ-ron đáp ứng đầu tiên với tín hiệu đi vào từ mắt phải hoặc mắt trái. những nơ-ron đã chiếm ưu thế đầu tiên bởi mắt phải tập hợp lại tạo thành cột (OD columns của mắt phải) mà chạy song song tới và luân phiên cùng với các cột  chứa các nơ-ron đáp ứng đầu tiên với những tín hiệu đi vào từ mắt trái )OD columns của mắt trái) và tạo thành dạng vạch khi được nhìn trên một mặt phẳng từ vỏ não (tranh 2A phía dưới). Những vạch này khoảng 500 (m và đã được khám phá mới đây bằng bản đồ điện sinh lý được tái tạo hoặc phân tích chất phóng xạ dạng vết tiêm vào trong mắt của các mô vỏ não trong khám nghiệm tử thi.

* Orientation columns: Orientation columns mô tả các cortical columns của các nơ-ron trong vỏ não thị giác nguyên thủy trong đó tất cả các tế bào sẽ hoạt động đầu tiên chỉ theo một đường hoặc bờ của một hướng đặc biệt (góc 10 độ, góc 20 độ...) trong phạm vi của vùng thị giác của đối tượng nghiên cứu ( như là mèo...) (tranh 2B). Orientation columns nói chung bao trùm bề dày của vỏ não. Dường như, chúng không sắp thành dạng vạch nhưng thường xếp thành dạnh vòng hao khi được nhìn từ bề mặt vỏ não.

* Whiser barrels: Vùng vỏ não đại diện cho vùng tiếp nhận của một râu đơn độc ở chuột có thể thấy rõ của cơ thể như là một khối tập hợp của các nơ-ron được gọi là một barrel, khu trú ở lớp vỏ não thứ IVcủa cỏ não nguyên thủy. Mỗi sợi râu được đại diện bởi một barrel khác nhau với kiểu cách 1:1

Những tiến bộ và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật hình ảnh quang học trong suốt 15 năm qua đã dẫn đến sự đổi mới đầy hứa hẹn của hình ảnh phân giải cao trong nghiên cứu chức năng của não. Điều này không chỉ góp phần làm sáng tỏ cấu trúc và tính linh hoạt của não mà còn làm tăng thêm hiểu biết của chúng ta  về những động lực theo thời gian và không gian của cơn động kinh vỏ não lan tỏa, dẫn đến việc cải thiện những kỹ thuật liên quan đối với phẫu thuật thần kinh trong việc cắt bỏ ổ bệnh gây động kinh và có thể giúp phẫu thuật cắt bỏ u não chính xác hơn cũng như góp phần giúp hiểu biết về chức năng nhận thức cao cấp hơn.

Hiện tại những hệ phương pháp luận hiện có để xác định cấu trúc và chức năng của não thay đổi từ phép ghi với những điện cực đơn tế bào tới hình ảnh hoạt động của một số lượng lớn các nơ-ron. Tuy nhiên chúng thay đổi nhiều về độ phân giải theo thời gian và không gian. Mặc dù là kỹ thuật có phần xâm lấn, hình ảnh quang học của các tín hiệu nội tại có ưu điểm về độ phân giải theo thời gian và không gian tuyệt vời, tương ứng dưới 150-200 ms và 50-100 (m so sánh với độ phân giải của hình ảnh cộng hưởng từ chức năng là khoảng 1 đến 2 s và vài mm (thông thường nhất). Độ phân giải theo thời gian của hình ảnh quang học có thể được cải thiện tới vài ms khi dùng những thuốc nhuộm nhạy cảm điện áp, nhưng những thuốc nhuộm như vậy nói chung độc với não, hiện nay đã loại bỏ, không dùng trong những nghiên cứu vivo. Độ phân giải theo không gian cao như vậy cho phép hình dung một số cấu trúc trong cấu tạo giải phẫu và chức năng của não chẳng hạn như ocular dominance và orientaton columns của vỏ não thị giác.

Hình ảnh quang học hiện nay có thể phân tích kiểu cấu trúc chức năng này cũng như những tính chất động lực khác của vỏ não trên vivo.

Bằng ánh sáng chói chiếu trên bề mặt não và bằng ghi và phân tích các dạng ánh sáng phản xạ, người ta có thể thu được bản đồ có độ phân giải cao của những cấu trúc chức năng của não dựa vào những tín hiệu nội tại. Những tín hiệu nội tại được sinh ra như là kết quả của hoạt động chuyển hóa của hoạt động điện của các nơ-ron và bởi vậy nó phản ánh gián tiếp hoạt động của các nơ-ron. Những tín hiệu này phát ra sau thời gian trì hoãn ngắn của đáp ứng với hoạt động các nơ-ron gây nên. Nguồn gốc của những tín hiệu bên trong được cho là do những thay đổi trong thể tích và dòng chảy trong các vi mạch, những thay đổi về hấp thu ánh sáng hoặc huỳnh quang cũa các chromophores bên trong (ví dụ như hemoglobin) và các tín hiệu tỏa sáng từ nước và các ion. Trong giới hạn ánh sáng có thể nhìn thấy (540-630 nm), tín hiệu dường như đến trước hết từ sự tăng deoxyhemoglobin (bắt đầu khoảng 200 ms sau kích thích), sau đó do tăng thể tích và dòng máu. Một thành phần nhỏ hơn của tín hiệu được phản xạ bởi tăng mức oxyhemoglobin, bắt đầu khoảng 15 giây sau khi bắt đầu kích thích. Ở mức ánh sáng cận hồng ngoại tín hiệu trội hơn nữa so với ánh sáng phân tán. Hình ảnh quang học có thể cũng được thực hiện bằng cách dùng các thuốc nhuộm nhạy cảm điện áp, điều này được áp dụng đối với não hoặc phần chuẩn bị trước ghi. Thuốc nhuộm kết lại đối với những màng dễ bị kích thích điện và biến đổi điện thế màng thành tín hiệu quang học và thu được bằng mạng photodiode phản ánh trực tiếp hoạt động của các nơ-ron.

LỊCH SỬ          

Lịch sử của hình ảnh quang học bao gồm các nguyên lý, thực hành và các quan sát của nhiều nhà nghiên cứu qua nhiều thập kỷ. Sự thay đổi các tính chất quang học của mô thần kinh xuất hiện cùng với các hoạt động điện và chuyển hóa đã được biết từ lâu, nhưng những thay đổi này nhỏ và khó tạo thành hình ảnh. Những tiến bộ về sau này sử dụng các thuốc nhuộm nhạy cảm điện áp bên ngoài làm biến đổi màu sắc của mô và các mạng photodiode đã phát hiện một tín hiệu nhanh mà có thể tạo được hình ảnh và đã phản ánh trực tiếp hoạt động của các nơ-ron.

Vào năm 1986, Blasdel và Salama dùng các thuốc nhuộm nhạy cảm điện áp đối với vỏ não thể vân của khỉ, một máy quay video và một phương pháp phân tích mới lần đầu tiên đã cho những hình ảnh phân giải cao đẹp mắt của ocular dominance và orientaton columns trêân vivo của khỉ. Người ta cũng đã chú ý tới một tín hiệu chậm trong suốt quá trình ghi nhưng hình như đã không coi tín hiệu này có vai trò đóng góp quan trọng với các hình ảnh thu được. Về sau, Grinvald và cộng sự đã chỉ ra rằng các tín hiệu chậm như vậy, tín hiệu bên trong có thể được dùng để khám phá cấu trúc chức năng, đặc biệt, những orientation columns của mèo và whisker barrels của chuột không sử dụng thuốc nhuộm.

Frostig và cộng sự đã thông báo hình ảnh quang học phân giải cao (100-150 (m, 200ms) của những tín hiệu nội tại của ocular dominance và orientation columns  của mèo và khỉ sử dụng một camera CCD và gợi ý rằng nguồn gốc chính của những tín hiệu (dùng ánh sáng có bước sóng 570 nm) là do những thay đổi về thể tích dòng máu nhưng chỉ có 5% tín hiệu phản xạ lại. Ở mức 600 nm, tín hiệu có thể liên quan nồng độ oxy và hoặc với tình trạng bão hòa của hemoglobin và 30-40% tín hiệu phản xạ lại. Người ta cũng đã ghi nhận rằng tín hiệu đó xuất hiện trước những thay đổi thể tích máu về mặt thời gian. Tại bước sóng cận hồng ngoại 810nm, người ta đã có thể vẽ hình orientaton columns qua màng cứng, và ở bước sóng hồng ngoại (930 nm), người ta có thể vẽ hình qua lớp xương mỏng ở mèo. Ánh sáng phát tán dường như đóng vai trò nổi bật trong việc góp phần tạo tín hiệu ở bước sóng cận hồng ngoại và đã góp chỉ khoảng 10% tín hiệu.

Bằng cách sử dụng hình ảnh quang phổ và phương pháp đo lưu lượng dòng máu bằng laser-doppler ở mèo, Malonek và cộng sự đã thấy rằng sau khi kích thích cảm giác thị giác, có sự tăng ban đầu của deoxyhemoglobin (bắt nguồn từ mao mạch) sau đó giảm từ từ và liên quan cùng với việc tăng toàn bộ lượng hemoglobin, tiếp theo bằng tăng dòng máu não và  mức hemoglobin được oxy hóa khi mức deoxyhemoglobin bắt đầu giảm. Sự tăng về sau này của dòng máu và nồng độ oxyhemoglobin đã được xem là ít khu trú đối với những vùng hoạt động của các nơ-ron được so sánh với sự tăng nồng độ deoxyhemoglobin dựa trên những sự quan sát sớm hơn của Malonek và Grinvald, điều này đã chỉ ra rằng sự tăng oxyhemoglobin được ghi nhận theo không gian ít cùng với cortical columns được hoạt hóa liên quan với việc tăng sớm các mức deoxyhemoglobin. Người ta đã kết luận rằng các phương pháp hình ảnh dựa đơn độc trên những đáp ứng thứ phát của mạch máu như là chụp cắt lớp phát tia positron hoặc hình ảnh cộng hưởng từ nhạy cảm với dòng máu thì có thể cung cấp hình ảnh có độ phân giải thấp hơn những phương pháp dựa trên sự tăng khởi đầu của deoxyhemoglobin.

PHƯƠNG PHÁP

Phần lớn những hình ảnh vivo được thực hiện mới đây trên các động vật bị gây mê, nhưng chúng có thể thực hiện ở các động vật và ngườit thức tỉnh. Hình ảnh quang học ở người đòi hỏi một số biến đổi so với các bước ở động vật. Để tạo hình ảnh những tín hiệu bên trong  ở mèo và khỉ, một thủ thuật mở sọ được thực hiện trên vùng não muốn tạo hình ảnh, và một buồng kim loại được đặt trên vị trí  và đánh dấu sọ bằng bột hàn răng. Màng cứng được lấy bỏ ở phần lớn các trường hợp và sau đó buồng kim loại được đổ đầy dầu silicone và được bịt kín bằng nắp thủy tinh. Hệ thống bịt kín này giúp giảm sự rung động của mạch máu não, điều có thể cản trở việc tạo hình ảnh. Trong nghiên cứu ở người, thủ thuật khoan sọ được thực hiện, một miếng kính mỏng có thể được đặt trên  bề mặt của vỏ não để làm giảm rung động. Bề mặt não được chiếu sáng dùng thiết bị dẫn ánh sáng dẻo và trong suốt được cung cấp bởi nguồn cung cấp năng lượng có khả năng sản xuất ra dòng điện trực tiếp có thể điều biến được và đèn halogen tungsteng. Bộ lọc được sử dụng để tạo ra các bước sóng theo yêu cầu. Một bộ lọc xanh lá cây (546 nm) được dùng để thu những hình ảnh ranh giới của bề mặt mạch máu vỏ não và bộ lọc màu cam (603) nm thường được dùng để thu những hình ảnh toàn thể. Trong những nghiên cứu ở người, cơ cấu này được biến đổi để chứa nguồn sáng trong kính hiển vi trong phẫu thuật. Camera (video hoặc CCD) được đặt trên vỏ não và dụng cụ dẫn ánh sáng được đặt trên dụng cụ chống rung tự do. Trong những nghiên cứu ở người, camera được gắn với kính hiển vi phẫu thuật. . Các ống kính được gắn để quan sát đầu tận cùng của camera và tập trung vào các mạch máu vỏ não để thu được hình ảnh ban đầu của ánhh sáng xanh (tranh 2A-B,trên đỉnh). Về sau, camera được tập trung xuống sâu khoảng vài trăm (m cho đến khi các mạch máu bị mờ đi và bộ lọc được điều chỉnh để tạo được hình ảnh như mong muốn.

Kích thích cảm giác (thị giác, cảm giác thân thể, thính giác...) được thực hiện đối với động vật theo một tỷ lệ qui định và camera tập hợp ánh sáng phản xạ từ bề mặt não trong suốt thời gian kích thích. Khi camera video được sử dụng, một hệ thống số hóa các tín hiệu video và gửi nó tới máy vi tính, ở đó các tín hiệu được trung bình hóa. Các tín hiệu thu được khác nhau và có thể sử dụng quá trình phân tích. Phóng đại hình ảnh trước khi số hóa có thể thực hiện bằng phép trừ vi sai của hình ảnh tương tự từ hình ảnh video. Các tín hiệu sau đó được phóng đại. Các hình ảnh khác nhau có thể được quan sát trên monitor, điều này giúp thông tin phản hồi nhanh chóng trong quá trình nghiên cứu. Các tín hiệu được vẽ bản đồ hoặc bản đồ của các tín hiệu bên trong thu được nhờ sự kết hợp khác nhau của phép trừ và phép chia lẫn nhau của những tín hiệu được trung bình hoá. Tín hiệu ánh sáng được phản chiếu từ bề mặt não rất nhỏ (0,5-5%) khi so sánh với hoạt động cơ sở; dường như cần nhiều kích thích để trung bình hóa với nhau giúp cải thiện tình trạng nhiễu. Để thu bản đồ của ocular dominance, tín hiệu đã thu từ kích thíchø mắt phải có thể bị chia hoặc bị trừ với tín hiệu thu từ kích thích mắt trái hoặc từ tình trạng không kích thích. Đối với những bản đồ định hướng, những tín hiệu sinh ra từ lưới đứng dọc có thể được trừ với những tín hiệu sinh ra từ lưới ngang hoặc từ một phức hợp của những tín hiệu kết hợp được chọn lựa trong quá trình đáp ứng với nhiều hướng của lưới. Vùng sẫm (hấp thu ánh sáng) trên bản đồ là vùng của vỏ não đã được hoạt hoá trong quá trình đáp ứng với kích thích (tranh 2).

KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG LÂM SÀNG

Hiện nay, hình ảnh quang học của hoạt động não người là một kỹ thuật mới được nghiên cứu, nhưng đã có nhiều nghiên cứu trên người đáng chú ý. Haglund và cộng sự đã xây dựng được bản đồ quang học  của những bệnh nhân đã phẫu thuật điều trị động kinh và so sánh chúng với ghi hoạt động điện bề mặt vỏ não. Bản đồ của hoạt động điện bề mặt vỏ não đã thu được trong quá trình hoạt động nhận thức và trong lúc phóng điện kiểu động kinh. Trong nghiên cứu hoạt động nhận thức, cố gắng để xác địng vùng Broca và Wernicker đã được thực hiện ở những bệnh nhân được gây tê cục bộ trong quá trình nghiên cứu. Các hình ảnh đã được ghi nhận lúc nghỉ ngơi, lúc bệnh nhân cử động lưỡi, lúc tập nói rõ từ và trong lúc kích thích bề mặt để làm ngừng nói. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng vùng liên quan trong lúc nói rõ từ  đã khác với vùng lúc cử động lưỡi. Những nghiên cứu như vậy có thể giúp xác định tốt hơn các vùng trong não và sau đó có thể hướng dẫn để bảo toàn hơn nữa việc cắt bỏ trong phẫu thuật.

Trong những nghiên cứu về phóng điện trong động kinh, Haglund đã tìm ra rằng những thay đổi về mặt quang học cho thấy mức độ đáp ứng liên quan với thời khoảng và cường độ của kích thích (các diện cực kích thích-bề mặt), điều này liên quan với những thay đổi về điện. thêm vào đó, những thay đổi về mặt quang học đi xuống dưới vạch ranh giới sau giai đoạn phóng điện ở nhiều bệnh nhân gợi ý khả năng ức chế các nơ-ron hoặc ức chế bề mặt hoặc các nguyên nhân khác.

Hình ảnh quang học của hoạt động dạng động kinh trong các phần não đã cho thấy nó là một phương pháp có ích đối với các hướng nghiên cứu đa dạng theo thời gian và không gian của cơn động kinh lan tỏa. Ở giai đoạn sớm trong những nghiên cứu vivo, đã thấy ổ động kinh không cố định . Mới đây hơn, những lớp cắt đã giúp làm sáng tỏ vai trò của những lớp mỏng vỏ não khác nhau đã liên quan tới khởi phát và lan truyền động kinh. Những lớp cắt não từ bệnh phẩm của người hoặc động vật cho cơ hội để nghiên cứu hoạt động của tất cả các lớp vỏ não được so sánh với hình ảnh quang học trong vivo, các hình ảnh được giới hạn ở bề mặt các thùy và thông thường vài trăm (m độ sâu đầu tiên của vỏ não. những quá trình như vậy thêm vào cùng với hình ảnh quang học  cũng có thể có ích đối với việc nghiên cứu cơ chế hoạt động  và hiệu quả của một số thuốc chống động kinh và dĩ nhiên cả những thuốc khác được dùng trong  các bệnh lý thần kinh khác.

Lợi ích tiềm tàng khác của hình ảnh quang học  ở người là để xác định ranh giới của u trước phẫu thuật cắt bỏ. Trong một nghiên cứu đáng lưu ý trên vivo của Haglund và cộng sự ở chuột, hình ảnh quang học có dùng thuốc nhuộm tiêm vào trong tĩnh mạch của những khối u và ranh giới của nó được phân biệt với mô bình thường kề nó có độ nhậy cảm và đặc hiệu cao. Khả năng có lợi của việc cắt bỏ chính xác hơn là điều mong muốn rõ ràng.

Mặc dầu hình ảnh quanh học có thể ứng dụng để nghiên cứu bệnh tâm-thể ở người đối với những chức năng nhận thức cao cấp, những nghiên cứu hiện nay được giới hạn đối với những người phải phẫu thuật thần kinh. Dường như những nghiên cứu như vậy có thể được bổ xung bằng cách sử dụng hình ảnh tín hiệu quang học liên quan biến cố (EROS) sử dụng ánh sáng cận hồng ngoại. Kỹ thuật này hiện nay được sử dụng để tạo hình ảnh đã gợi nên hoạt động của vỏ não cao hơn qua hộp sọ ở người và mới đây mang lại độ phân giải không gian vài mm (ít hơn rõ rệt hình ảnh quang học nhưng tương tự với hình ảnh cộng hưởng từ chức năng) và độ phân giải theo thời gian khoảng 20 ms (tỷ lệ lấy mẫu camera).

NHỮNG ỨNG DỤNG TRONG KHOA HỌC THầN KINH.

Hình ảnh quang học của các tín hiệu não đã mang lại nhiều cách nhìn mới thú vị trong nghiên cứu  chức năng  của vỏ não. Trong nghiên cứu của Blasdel và Salama về ocular dominance và orientaton columns ở khỉ, các tác giả đãõ chứng minh rằng cấu trúc về chức năng của orientation column đã không được sắp xếp thành các thanh kẻ vạch vì các cột định hướng xen kẽ như đã được gợi ý sớm hơn bởi Hubel và Wiesel (mặc dầu họ đã suy xét rằng các cột không sắc nét về cấu tạo). Thay vào đó chúng xuất hiện nhiều hình hoa thị. Nghiên cứu đó và một nghiên cứu khác trên mèo của Bonhoeffer và Grinvald đã dẫn đến việc chứng minh dạng tháp hoa nhỏ nhiều hơn trong sắp xếp các orientation column.

Hiện nay, người ta thừa nhận là tính linh động của não không giới hạn  cho đến thời kỳ phát triển tới hạn của nhiều tổ chức, và phương pháp đo về khía cạnh không gian của việc tổ chức lại các phần tiếp nhận hoặc sự lan rộng thường được giới hạn bằng việc ghi với các điện cực đơn chậm và khó khăn. Hình ảnh quang học đã được chứng ming là một phương pháp có ích để đo đạc những thay đổi động lực trong một số lớn các nơ-ron tại một khoảng thời gian và do đó có ích lợc đặc biệt trong việc nghiên cứu tính linh động của não không chỉ theo thời gian mà còn cả theo không gian. Polley và cộng sự đã tiến hành  một quan sát thú vị ở vùng vỏ não liên quan với vùng vỏ não whisker-barrels những con chuột trưởng thành, đã cho thấy tính mềm dẻo của vùng xuất chiếu của whisker-barrels ở vỏ não do chức năng cảm giác bị mất và kích thích của môi trường mới. Trong nghiên cứu đó, người ta đã lấy tất cả những râu lớn của chuột chỉ để lại một râu và đã quan sát thấy sự lan rộng của vùng xuất chiếu chức năng còn lại của râu chuột ở vỏ não. Dường như khi động vật bị lấy ra khỏi chuồng của chúng và đặt vào một môi trường mới để khảo sát đã có sự co nhỏ rõ rệt  của vùng xuất chiếu của barrel ở vỏ não. Việc co nhỏ và giãn nở của vùng vỏ não liên quan với whisker-barrels chuột đã đảo ngược trong lúc râu mọc lại.

Quan sát không công bố của Szapiel và cộng sự đã phát hiện dạng sọc trong hoạt động  của thùy đỉnh sau của một con khỉ nâu thức tỉnh khi đáp ứng với dòng kích thích thị giác lan rộng gợi ý một cấu trúc chức năng không nhìn thấy được mới đây đối với những dạng kích thích sử dụng kỹ thuật hình ảnh quang học này. Dòng thị giác là tri giác chuyển động khi chúng ta quay về phía trước hoặc phía sau qua môi trường. Khi chuyển động lên phía trước vật có xu hướng chạy về phía sau chúng ta ở dạng lan rộng từ một điểm trung tâm, khi di chuyển ra sau, dạng xuất hiện là co nhỏ. Một dạng chuyển động của các điểm thu nhỏ hoặc phóng to bắt nguồn từ hoặc đi về phía điểm trung tâm trên màn hình máy tính  có thể kích thích dòng thị giác khi được nhìn bởi một người ở một khoảng cách đặc biệt so với màn hình. Vỏ não thùy đỉnh dưới của khỉ nâu đã cho thấy chứa nhiều nơ-ron để đáp ứng với dòng thị giác.

Hình ảnh quang học phân giải cao của các tín hiệu nội tại và hình ảnh quang học thời gian thực cùng với thuốc nhuộm màu nhậy cảm điện áp trong vivo và vitro liên tục làm tăng thêm hiểu biết của chúng ta về cấu trúc và chức năng cơ bản của não, và nó sẽ cung cấp một phương tiện quan trọng để hiểu biết và điều trị  các bệnh thần kinh.