血中酸素濃度依存画像

血中酸素レベル依存画像法、またはBOLDコントラスト画像法は、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）において、特定の時点で活動している脳や他の臓器のさまざまな領域を観察するために使用される手法です。^[1]

理論

ニューロンは糖や酸素という形でエネルギーを内部に蓄えていないため、ニューロンが発火すると、より多くのエネルギーを迅速に取り込む必要が生じます。血行動態反応と呼ばれるプロセスを通じて、血液は活動中のニューロンに対して、活動していないニューロンよりも多くの割合で酸素を放出します。これにより、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビン（酸素化血液または脱酸素化血液）の相対的なレベルが変化し、その変化は、それらの磁気感受性の差に基づいて検出できます。

1990年に小川誠司氏らが発表した3本の論文では、ヘモグロビンは酸素化形態と脱酸素化形態で異なる磁気特性を持ち（脱酸素化ヘモグロビンは常磁性で、酸素化ヘモグロビンは反磁性）、 MRIを使用してその両方を検出できることが示されました。^[2]これにより、MRIスキャナーを使用して検出できる磁気信号の変化が起こります。思考、行動、または経験を何度も繰り返すと、統計的手法を使用して、結果としてこの違いが確実に大きくなる脳の領域、つまりその思考、行動、または経験中に最も活発になる脳の領域を特定できます。

批判と限界

fMRI 研究の大半では、脳のどの部分が最も活発に活動しているかを判断する方法として BOLD コントラスト画像法が使用されていますが、信号が相対的であり、個別に定量的ではないため、その厳密さに疑問を呈する人もいます。神経活動を直接測定することを提案する他の方法も試みられてきましたが (たとえば、脳の各領域における酸素抽出率 (OEF) の測定は、血液中の酸素ヘモグロビンが脱酸素ヘモグロビンに変換された量を測定するものです^[3] )、活動中のニューロンまたは発火ニューロンによって生成される電磁場は非常に弱いため、信号対雑音比が極めて低く、定量的データを抽出するために使用された統計的方法は、これまでのところほとんど成功していません。

BOLDコントラスト画像法における低周波信号の典型的な破棄は、1995年に、右手の動きを制御する脳の領域の「ノイズ」が、左手の動きに関連する脳の反対側の領域の同様の活動と一致して変動することが観察されたときに疑問視されました。^[1] BOLDコントラスト画像は、2つの脳の状態の違いにのみ敏感であるため、^[4]安静時fMRIと呼ばれるこれらの相関変動を分析するための新しい方法が必要でした。

歴史

血中酸素濃度依存コントラスト画像の概念実証は、生体内での血液酸素化の変化をMRIで検出できることを実証した実験に続いて、1990年に小川誠司らによって行われた。 ^[5]小川の実験では、空気のさまざまな成分におけるげっ歯類の脳切片の血中酸素濃度依存コントラスト画像が得られた。高磁場では、麻酔下の生きたマウスとラットの脳の水陽子磁気共鳴画像が勾配エコーパルスシーケンスによって測定された。実験では、呼吸ガス中の酸素含有量が徐々に変化すると、これらの画像のコントラストが徐々に変化することが示された。小川は、この違いの主な原因はオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンであると提案し、証明した。^[6]

BOLD fMRIの他の著名な先駆者としては、1992年に初めてこの技術を人間の被験者に使用したケネス・クォンとその同僚がいます。 ^[7]

参照

参考文献

^ ab E. Raichle, Marcus (2010). 「脳のダークエネルギー」. Scientific American . 302 (3): 44–49. Bibcode :2010SciAm.302c..44R. doi :10.1038/scientificamerican0310-44. PMID 20184182. fMRI信号は、通常、血中酸素濃度依存（BOLD）信号と呼ばれます。これは、この画像化方法が、血流の変化によって引き起こされる人間の脳内の酸素レベルの変化に依存しているためです。
^ Chou, I-han. 「マイルストーン19: (1990) 機能的MRI」. Nature . 2013年8月9日閲覧。
^ Yablonskiy, Dmitriy A.; Haacke, E. Mark (1994). 「磁気的に不均質な組織における NMR 信号挙動の理論: 静的位相ずれ状態」.磁気共鳴医学. 32 (6): 749–763. doi :10.1002/mrm.1910320610. PMID 7869897.
^ Langleben, Daniel D. (2008年2月1日). 「fMRIによる欺瞞の検出：その段階はもう来たか？」法と犯罪心理学. 13 (1): 1–9. doi :10.1348/135532507X251641.
^ Raichle, ME (1998 年 2 月 3 日). 「機能的脳画像の舞台裏: 歴史的および生理学的観点」.米国科学アカデミー紀要. 95 (3): 765–72. Bibcode :1998PNAS...95..765R. doi : 10.1073/pnas.95.3.765 . PMC 33796. PMID 9448239.小川らは、生体内での血液酸素化の変化を MRI で検出できることを実証しました。
^ 小川誠司 (1990). 「高磁場におけるげっ歯類脳の磁気共鳴画像における酸素化感受性コントラスト」.磁気共鳴医学. 14 (1): 68–78. doi :10.1002/mrm.1910140108. PMID 2161986. S2CID 12379024.
^ Roche, Richard AP; Commins, Seán; Dockree, Paul M. (2009). 「認知神経科学：序論と歴史的展望」。Roche, Richard AP; Commins, Seán (編)。認知神経科学の先駆的研究。メイデンヘッド、バークシャー：McGraw Hill Open University Press。p. 11。ISBN 978-0335233564。

[sciam2013-1] E. Raichle, Marcus (2010). 「脳のダークエネルギー」. Scientific American . 302 (3): 44–49. Bibcode :2010SciAm.302c..44R. doi :10.1038/scientificamerican0310-44. PMID 20184182. fMRI信号は、通常、血中酸素濃度依存（BOLD）信号と呼ばれます。これは、この画像化方法が、血流の変化によって引き起こされる人間の脳内の酸素レベルの変化に依存しているためです。

[2] Chou, I-han. 「マイルストーン19: (1990) 機能的MRI」. Nature . 2013年8月9日閲覧。

[3] Yablonskiy, Dmitriy A.; Haacke, E. Mark (1994). 「磁気的に不均質な組織における NMR 信号挙動の理論: 静的位相ずれ状態」.磁気共鳴医学. 32 (6): 749–763. doi :10.1002/mrm.1910320610. PMID 7869897.

[4] Langleben, Daniel D. (2008年2月1日). 「fMRIによる欺瞞の検出：その段階はもう来たか？」法と犯罪心理学. 13 (1): 1–9. doi :10.1348/135532507X251641.

[5] Raichle, ME (1998 年 2 月 3 日). 「機能的脳画像の舞台裏: 歴史的および生理学的観点」.米国科学アカデミー紀要. 95 (3): 765–72. Bibcode :1998PNAS...95..765R. doi : 10.1073/pnas.95.3.765 . PMC 33796. PMID 9448239.小川らは、生体内での血液酸素化の変化を MRI で検出できることを実証しました。

[6] 小川誠司 (1990). 「高磁場におけるげっ歯類脳の磁気共鳴画像における酸素化感受性コントラスト」.磁気共鳴医学. 14 (1): 68–78. doi :10.1002/mrm.1910140108. PMID 2161986. S2CID 12379024.

[7] Roche, Richard AP; Commins, Seán; Dockree, Paul M. (2009). 「認知神経科学：序論と歴史的展望」。Roche, Richard AP; Commins, Seán (編)。認知神経科学の先駆的研究。メイデンヘッド、バークシャー：McGraw Hill Open University Press。p. 11。ISBN 978-0335233564。