2017-11

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脳について3

現在までの、主な、脳を計測する技術についてのまとめです。


MRIの原理について

一定周波数の電磁場のもとでは、ある種の原子核は電磁波の軸のまわりに、独楽のようなスピン現象をひきおこす。
これを核磁気共鳴(NMR)とよぶ。(核という文字が入っているが、放射能に関連したものではない)
これを人体に応用して、核磁気共鳴強度の空間分布を画像化したものを核磁気共鳴画像(MRI)という。
また、同じ原子核でもどのような分子の一部であるかによって、共鳴周波数にわずかなずれが生じることを利用して、組織の化学的組成をスペクトルとして検出しようとする、磁気共鳴スペクトロスコピーという方法もある。
MRIを施行するには強力な磁場が必要となる。

MRI
MRIの場合は、水の分子のなかにあるプロトンのNMRによって生じる信号を、コンピュータ断層法(CTスキャン)の方法で画像化したものである。
脳では神経細胞の多い灰白質と軸索の多い白質の境界が明瞭に区別できる。

機能的MRI(fMRI)
一般のMRI検査では脳の構造を知るだけであったが、血液中のヘモグロビンの酸化還元状態を利用すると、血流量の変化を画像化することができる。
これを機能的MRIという。
赤血球中のヘモグロビンは肺で酸化され酸化ヘモグロビンとなり、組織で酸素を渡して、自身は還元ヘモグロビンとなる。
還元ヘモグロビンは酸化ヘモグロビンよりも磁化しやすいので、ごく短時間でスキャンすると信号強度に差が出来る。
これを原理として脳の血流量の変化を画像化するのである。
脳の血流量は神経活動にある程度相関しているので、最終的には特定の脳領域の活動を知ることができる。
十分な解像度を得るためには、強い磁場が必要となるが、特定の刺激に対する脳の反応を調べるのに適している。
そのため、この方法を用いた脳の高次機能の解析が進められている。

MRS
プロトンが水分子中にあるか、あるいはグルタミン酸などのアミノ酸分子中にあるか、などによって生じるわずかな共鳴周波数のずれを横軸とし、縦軸に信号の強度をとると、生体中にあるこれらの分子の濃度を推測できる。
この方法は生体をまったく侵襲することなく、その成分を測定できる方法である。
実際には、プロトンだけではなくリンや炭素などのスペクトルが応用されつつある。
現時点ではMRIよりもさらに強力な磁場が必要なことや、脳の特定領域からの信号を得ることがむずかしいことから、研究段階にとどまっている。

脳と生体統御98
放送大学

参考
核磁気共鳴画像法
http://ja.wikipedia.org/wiki/MRI
fMRI
http://ja.wikipedia.org/wiki/FMRI
MRスペクトロスコピー
http://ja.wikipedia.org/wiki/MR%E3%82%B9%E3%83%9A%E3%82%AF%E3%83%88%E3%83%AD%E3%82%B9%E3%82%B3%E3%83%94%E3%83%BC

脳磁図(MEG)の原理

神経細胞の活動は電気的な情報によって神経細胞を伝わっていく。
この電気的な活動には、神経細胞を伝わっていく活動電位とシナプスでのシナプス電位がある。(神経細胞上に数多くあるシナプスでのシナプス電位の総和が、ある一定の値を超えると活動電位となる。)
大脳皮質の神経細胞は解剖学的にも一定の配列を持って並んでおり、電気的にも集団的に活動することが知られている。
この活動を頭皮上から観測したのが脳波とよばれるものである。
ところで、この集団的な神経細胞の電気活動があれば、脳内に一方向の電流が流れる。
このとき、電気物理学の原理によれば、微弱ではあるが磁場が発生するはずである。
実際、この時の磁場の強さは10の-13乗テスラと見積もられる。
地磁気の10の-5乗テスラに比べると、1億分の1にすぎない。
しかしこの微弱な磁場も超伝導現象を利用した超伝導量子干渉計SQUIDを用いれば観測できる。
これをMEGとよんでいる。
MEGは磁気を測定するものなので、脳波と違って頭蓋骨や皮膚などによって減衰することはない。
したがって、脳のどこに磁場が発生しているかを正確に推定することができる。
しかも、脳から出てくる磁気を測定するだけなので、ヒトに対してはまったく害を及ぼさない。
ヒトは一定の視覚などの知覚の刺激を受けると、集中的な神経活動が生じる。
このときMEGの信号を検出すると、刺激後、どれくらいの時間で脳のどのようなところで集中的な神経活動が生じたかわかる。
しかし、一度期に多数の脳部位が活性化し、磁場の生ずる部位が多数あるような場合は、誤作が生じやすいので、複雑な脳の高次機能に対しては慎重な検討が必要である。
MEGは脳の活動をきわめて短い時間で、しかもかなり空間的な精度で脳内の位置を特定することができる。
実際にはMEGで得られた情報を、MRIなどの画像の上に重ねて示すことが多い。

脳と生体統御98
放送大学

参考
脳磁図
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%84%B3%E7%A3%81%E5%9B%B3


CTの原理です。

コンピュータ断層法は、X線を身体のある断面について360度の方向から当てて、その透過率を測定し、コンピュータを用いてもとの断面X線の吸収度を計算し、画像化するものをいう。
この方法は1970年代にイギリスのハンスフィールドによって実用化された。

X線の吸収度の高い造影剤を投与して組織に移行させれば、血流量の変化を高いコントラストをつけて表すことができる。
実際に脳梗塞や脳腫瘍の診断の際などは、この方法が使われる。

脳と生体統御98
放送大学

参考
コンピュータ断層撮影
http://ja.wikipedia.org/wiki/CT


ポジトロン断層法(PETについて)

脳の機能を画像化する技術がPETである。
PETは陽電子(ポジトロン)を放出する放射性同位元素で標識した薬物(トレーサー)を用い、脳の血流量・酸素代謝・糖代謝の程度や受容体の分布などを画像化することができる。
トレーサーは生体内に取り込まれると、崩壊して陽電子を放出する。
この陽電子はただちに周囲の電子と衝突して消滅し、180度の向きに2本の放射線を放出する。
この放射線は組織を容易に透過するので、体外に検出器を置くことによってその信号を検出できる。
この信号をX線をCTのような断層撮影の原理を援用すると、トレーサーの体内分布を断層像として得ることができる。
分解能はCTやMRIほど高くなく、画像の鮮明度はそれらに劣る。
また、トレーサーは寿命の短い放射線核種を用いるので、その合成には小型のサイクロトロンと精製技術が必要となる。
そのため費用がかかり簡便なシステムとはいいがたい。
しかし、定量性に優れることや、適当なトレーサーを合成すればいろいろな脳の機能を調べることができるなどの他にはない長所を持っている。
一般に糖代謝の高い部位や、血流量の高い部位は神経活動も亢進していると見てよいので、糖代謝や血流量の変化は、神経活動のよい指標となるのである。
神経伝達物質の受容体もこのPETの技術で測定することができる。
適当なリガンドを用いれば、特定の受容体の分布やリガンドとの親和性などを生きたままの脳で調べることができる。

脳と生体統御98
放送大学

ポジトロン断層法
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9D%E3%82%B8%E3%83%88%E3%83%AD%E3%83%B3%E6%96%AD%E5%B1%A4%E6%B3%95



シングルフォトン断層法(SPECT)

SPECTではガンマ線を放出するトレーサーを用いる。
これらは原子番号の大きいテクネシウムやヨウ素などが多く、半減期もそれぞれ6時間と13時間なので、集中的に特定の施設で製造すれば、一般の病院でも医薬品として利用できる。
SPECTの欠点としては、テクネシウムやヨウ素などの原子量の大きい原子で標識するので、標識された分子の構造が変化しやすく、プローブとして適当な化合物を設計することがむずかしいこと、一度のスキャンにPETより時間のかかること、定量性にかけることなどがある。

脳と生体統御98
放送大学

単一光子放射断層撮影
http://ja.wikipedia.org/wiki/SPECT


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