神経画像

神経画像
良性家族性大頭症患者の頭部の傍矢状方向MRI
目的	神経系の構造、機能、薬理を間接的（直接的）にイメージする

神経画像診断は、中枢神経系の構造と機能を研究するための定量的（計算的）技術の使用であり、健康な人間の脳を非侵襲的に科学的に研究する客観的な方法として開発されました。また、脳疾患や精神疾患の定量的研究にもますます使用されています。神経画像は、神経科学、コンピューター サイエンス、心理学、統計学を含む非常に学際的な分野であり、医学の専門分野ではありません。神経画像は、神経放射線学と混同されることがあります。

神経放射線学は、臨床現場で非統計的な脳画像診断を使用する医療専門分野であり、開業医である放射線科医が行います。神経放射線学は主に、血管疾患、脳卒中、腫瘍、炎症性疾患などの脳病変の認識に焦点を当てています。神経画像診断とは対照的に、神経放射線学は定性的（主観的な印象と広範な臨床研修に基づく）ですが、基本的な定量的方法を使用することもあります。機能的磁気共鳴画像診断（fMRI）などの機能的脳画像診断技術は、神経画像診断では一般的ですが、神経放射線学ではほとんど使用されません。神経画像は、2 つの大きなカテゴリに分類されます。

• 構造イメージングは​​、例えば ボクセルベースの形態測定法を使用して脳の構造を定量化するために使用されます。
• 機能的イメージングは​​、脳機能の研究に使用され、多くの場合 fMRI や PET、MEG などの他の技術が使用されます (以下を参照)。

神経画像診断の歴史の第一章は、感情的および知的活動中の血液の再分配を非侵襲的に測定できる「人間の循環バランス」を発明したイタリアの神経科学者アンジェロ・モッソに遡ります。^[1]

1918 年、アメリカの脳神経外科医ウォルター・ダンディが脳室造影法という技術を導入しました。脳内の脳室系のX 線画像は、濾過した空気を脳の片側または両側の側脳室に直接注入することで得られました。ダンディはまた、腰椎穿刺によってくも膜下腔に注入された空気が脳室に入り、脳の基底部および表面の脳脊髄液区画を明らかにできることを観察しました。この技術は気脳造影法と呼ばれました。^{[出典が必要]}

1927 年、エガス・モニスは脳血管造影法を導入し、これにより脳内および脳周囲の正常血管と異常血管の両方を非常に正確に視覚化できるようになりました。

1970 年代初頭、アラン・マクロード・コーマックとゴッドフリー・ニューボルド・ハウンズフィールドがコンピューター断層撮影(CAT または CT スキャン)を導入し、診断や研究の目的で、これまで以上に詳細な脳の解剖学的画像が利用可能になりました。コーマックとハウンズフィールドは、この研究により 1979 年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。1980 年代初頭に CAT が導入されて間もなく、放射性リガンドの開発により、脳の 単一光子放出コンピューター断層撮影(SPECT) と陽電子放出断層撮影(PET)が可能になりました。

ほぼ同時期に、ピーター・マンスフィールドやポール・ラウターバーなどの研究者によって磁気共鳴画像法（MRI または MR スキャン）が開発され、2003 年にノーベル生理学・医学賞を受賞しました。1980年代初頭に MRI が臨床導入され、1980 年代には技術的な改良と診断用 MR アプリケーションの爆発的な増加が起こりました。科学者はすぐに、PET で測定される大きな血流変化は、適切なタイプの MRI でも画像化できることを知りました。機能的磁気共鳴画像法（fMRI）が誕生し、1990 年代以降、fMRI は侵襲性が低く、放射線被ばくがなく、比較的広く利用できることから、脳マッピング分野を席巻してきました。

2000 年代初頭、神経イメージングの分野は、機能的脳イメージングの限定的な実用化が実現可能になる段階に達しました。主な応用分野は、脳とコンピューターのインターフェースの粗い形式です。

全脳MRI画像の空間解像度の世界記録は、2019年に達成された100マイクロメートルの体積（画像）でした。サンプルの取得には約100時間かかりました。^[2]あらゆる方法による人間の脳全体の空間世界記録は、ESRF（欧州シンクロトロン放射光施設）で行われたX線断層撮影スキャンであり、解像度は約25ミクロンで、約22時間を要しました。このスキャンは、同じ解像度で人体の他の臓器のX線断層撮影スキャンを含む人体臓器アトラスの一部でした。^{[3] [4]}

磁気共鳴イメージングの重要なアイデアは、スピン状態間のエネルギー差に等しい周波数のエネルギーをスピン システムに照射することで、純磁化ベクトルを移動できるというものです (たとえば、無線周波数パルスによって)。十分なエネルギーがシステムに供給されると、純磁化ベクトルを外部磁場の磁化ベクトルと直交させることができます。

神経放射線学は、神経疾患がある、またはある可能性がある患者を医師がより詳しく調べる必要があると判断した神経学的検査の後に行われることが多い。

神経画像診断の一般的な臨床適応症には、頭部外傷、脳卒中のような症状（半身の突然の衰弱/しびれ、会話や歩行の困難）、発作、突然の激しい頭痛、原因不明の意識レベルの突然の変化などがあります。

神経放射線学のもう一つの適応症は、頭蓋内腫瘍、動静脈奇形、その他の外科治療可能な疾患の治療のためのCT、MRI、PET誘導 定位手術または放射線手術である。 ^{[5] [6] [7]}

人が経験する可能性のある最も一般的な神経学的問題の1つは、単純性失神です。^{[8] [9]}患者の病歴から他の神経学的症状が示唆されない単純性失神の場合には、診断には神経学的検査が含まれますが、中枢神経系に原因が見つかる可能性は極めて低く、患者がこの処置から利益を得る可能性は低いため、定期的な神経学的画像診断は適応になりません。^[9]

片頭痛と診断された安定した頭痛の患者には、神経放射線学は適応とならない。^[10]研究では、片頭痛の存在は患者の頭蓋内疾患のリスクを高めないことが示されている。^[10]乳頭浮腫などの他の問題がないことが示された片頭痛の診断は、放射線学的検査の必要性を示すものではない。^[10]慎重な診断を行う過程で、医師は頭痛が片頭痛以外の原因によるものであり、放射線学的検査が必要であるかどうかを検討する必要がある。^{[10] [11]}

コンピュータ断層撮影（CT）またはコンピュータ体軸断層撮影（CAT）スキャンでは、頭部をさまざまな方向から撮影した一連のX線画像を使用します。通常、脳損傷を迅速に観察するために使用されるCTスキャンでは、測定されたX線シリーズに対して数値積分計算（逆ラドン変換）を実行するコンピュータプログラムを使用して、脳の小さな体積でX線ビームがどれだけ吸収されるかを推定します。通常、情報は脳の断面として表示されます。^[12]

磁気共鳴画像法（MRI）は、磁場と電波を利用して、電離放射線（X線）や放射性トレーサーを使用せずに、脳構造の高品質な2次元または3次元画像を生成します。

死後の完全な脳全体の最高の空間解像度の記録は、マサチューセッツ総合病院による100ミクロンです。このデータは2019年10月30日にScientific Dataに掲載されました。 ^[13]

陽電子放出断層撮影（PET）と脳陽電子放出断層撮影は、血流に注入された放射性標識された代謝活性化学物質からの放出を測定する。放出データはコンピュータ処理され、脳全体の化学物質の分布の2次元または3次元画像を生成する。^{[14] ：57}使用される陽電子放出放射性同位体はサイクロトロンによって生成され、化学物質はこれらの放射性原子で標識される。標識された化合物は放射性トレーサーと呼ばれ、血流に注入され、最終的に脳に到達します。PETスキャナーのセンサーは、化合物が脳のさまざまな領域に蓄積するにつれて放射能を検出します。コンピューターはセンサーによって収集されたデータを使用して、化合物が脳のどこで作用するかを示す多色の2次元または3次元画像を作成します。特に有用なのは、神経伝達物質の活動のさまざまな側面をマッピングするために使用されるさまざまなリガンドであり、これまでのところ最も一般的に使用されている PET トレーサーは、標識されたグルコースです (フルデオキシグルコース (18F) (FDG) を参照)。

PETスキャンの最大の利点は、様々な化合物を使って、機能している脳の組織内の血流や酸素およびグルコースの 代謝を表示できることです。これらの測定値は、脳のさまざまな領域における脳活動の量を反映し、脳の働きについてより詳しく知ることができます。PETスキャンは、最初に利用可能になったとき、解像度と完了速度（わずか30秒）の点で他のすべての代謝イメージング方法よりも優れていました。解像度が向上したため、特定のタスクによって活性化される脳の領域について、より優れた研究を行うことができました。PETスキャンの最大の欠点は、放射能が急速に減衰するため、短いタスクの監視に限定されることです。^{[14] ：60} fMRIテクノロジーが登場する前は、PETスキャンは機能的（構造的ではなく）脳イメージングの好ましい方法であり、神経科学に大きく貢献し続けています。

PET スキャンは脳疾患の診断にも使用されます。特に脳腫瘍、てんかん、および認知症を引き起こす神経損傷疾患 (アルツハイマー病など) はいずれも脳代謝に大きな変化を引き起こし、その結果 PET スキャンで容易に検出できる変化を引き起こします。PET は、特定の認知症 (典型的な例はアルツハイマー病とピック病) の初期症例で最も有用であると考えられます。これらの初期症例では、初期の損傷が広範囲に及んでおり、脳の容積と全体的な構造にほとんど変化がないため、CT 画像や標準的な MRI 画像の変化が不十分で、老化 (すべての人ではないが多くの人に起こる) に伴って臨床的認知症を引き起こさない「正常」範囲の皮質萎縮と確実に区別することができません。

FDG-PETスキャンは、適切な治療にもかかわらず発作が続くてんかん患者の評価にもよく使用されます。発作が脳の小さな部分で始まり、他の部分に広がる焦点性てんかんでは、発作の開始に関与する脳の領域を特定するために使用する多くのモダリティの1つです。通常、発作が始まる脳の領域は、患者が発作を起こしていないときでも機能不全に陥っており、健康な脳領域と比較してグルコースの摂取量が少ないため、FDGも少なくなります。^[15]この情報は、薬剤抵抗性てんかんの治療としててんかん手術を計画するのに役立ちます。

他の放射性トレーサーも発作開始部位の特定に使用されていますが、臨床使用のために市販されていません。これには、¹¹ C-フルマゼニル、11 ^C-アルファ-メチル-L-トリプトファン、¹¹ C-メチオニン、¹¹ C-セルフェンタニルが含まれます。^[15]

単光子放出コンピュータ断層撮影(SPECT) は PET に似ており、ガンマ線を放出する放射性同位元素とガンマカメラを使用して、コンピュータが脳の活動領域の 2 次元または 3 次元画像を作成するために使用するデータを記録します。^[16] SPECT は、脳に急速に取り込まれますが再分配されない放射性トレーサー、つまり「SPECT 剤」の注入に依存しています。SPECT 剤の取り込みは 30 ～ 60 秒以内にほぼ 100% 完了し、注入時の脳血流(CBF) を反映します。SPECT のこれらの特性により、患者の動きやさまざまな発作の種類の問題により通常は困難になるてんかんの画像化に特に適しています。SPECT では、発作終了後にスキャンを取得できるため (発作時に放射性トレーサーが注入されている限り)、脳血流の「スナップショット」が得られます。 SPECT の大きな限界は、MRI に比べて解像度が低い (約 1 cm) ことです。現在、デュアル検出器ヘッドを備えた SPECT 装置が一般的に使用されていますが、トリプル検出器ヘッド装置も市販されています。断層撮影再構成(主に脳の機能的「スナップショット」に使用) には、人間の頭蓋骨の周りを回転する検出器ヘッドからの複数の投影が必要であるため、一部の研究者は、イメージング時間を短縮し、より高い解像度を得るために、6 検出器ヘッドおよび 11 検出器ヘッドの SPECT 装置を開発しました。^{[17] [18]}

PETと同様に、SPECTも認知症を引き起こすさまざまな種類の病気のプロセスを区別するために使用することができ、この目的でますます使用されています。I-123で標識されたイソフルパンを使用したSPECTスキャン（DaTスキャンとも呼ばれる）は、パーキンソン病を他の振戦の原因と区別するのに役立ちます。^[19]

SPECT スキャンは薬剤耐性てんかんの評価にも使用されます。このスキャンでは、トレーサーとして Tc ⁹⁹標識ヘキサメチルプロピレンアミンオキシム (Tc ⁹⁹ HMPAO) またはエチルシステイン酸二量体 (Tc ⁹⁹ ECD) を使用します。放射性トレーサーは、発作の開始が検出されるとすぐに患者の静脈に注入され、発作が終わってから数時間以内にスキャンが行われます。この技術は発作時 SPECT と呼ばれ、発作中に発作開始部位の CBF が増加することを利用します。発作間欠期 SPECT は、同じトレーサーを使用して患者が発作を起こしていないときに行われるスキャンです。発作の合間には、発作開始部位の CBF の減少が見られ、発作中の血流増加ほど顕著ではありません。^[20]

頭蓋超音波は通常、乳児にのみ使用されます。乳児の頭蓋泉門は音響窓を提供し、脳の超音波画像化を可能にします。利点としては、電離放射線がなく、ベッドサイドでスキャンできる点が挙げられますが、軟部組織の詳細が欠如しているため、一部の症状ではMRIが好まれます。

^[21]

機能的磁気共鳴画像法(fMRI) と動脈スピン標識法(ASL) は、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの常磁性特性を利用して、神経活動に関連する脳内の血流の変化を画像化します。これにより、さまざまなタスクの実行中または安静時にどの脳構造が (どのように) 活性化されるかを示す画像を作成できます。酸素化仮説によると、認知活動または行動活動中の局所脳血流における酸素使用量の変化は、取り組んでいる認知活動または行動タスクに直接関連する局所ニューロンと関連付けることができます。

ほとんどの fMRI スキャナーでは、被験者にさまざまな視覚画像、音、触覚刺激を提示し、ボタンを押す、ジョイスティックを動かすなどのさまざまな動作をさせることができます。その結果、fMRI は、知覚、思考、行動に関連する脳構造とプロセスを明らかにするために使用できます。fMRI の解像度は現在約 2 ～ 3 ミリメートルで、神経活動に対する血行動態反応の空間的広がりによって制限されます。脳の活性化パターンの研究において、fMRI は PET に大きく取って代わっています。ただし、PET は、放射性標識受容体「リガンド」 (受容体リガンドは受容体に付着する化学物質) を画像化する能力により、特定の神経伝達物質に関連する特定の脳受容体(またはトランスポーター) を識別できるという大きな利点を維持しています。また、fMRI 分析で使用される統計の一部の妥当性、つまり多くの fMRI 研究から得られる結論の妥当性に関しても大きな懸念があります。^[22]

確率が0.8%であるのに対し、72%から90%の精度で、fMRI技術は被験者が一連の既知の画像のうちどれを見ているのかを判定することができる。 [ ^{23 ]}

精神医学における機械学習に関する最近の研究では、fMRIを使用して、自殺行動のある人とない人を区別できる機械学習モデルを構築しています。機械学習アルゴリズムと組み合わせた画像研究は、患者の自殺リスクに基づいて層別化を可能にし、個々の患者に最適な治療法や治療法を開発するのに役立つ可能性のある神経画像診断における新しいマーカーの特定に役立つ可能性があります。^[25]

拡散光イメージング（DOI）または拡散光トモグラフィー（DOT）は、近赤外光を使用して身体の画像を生成する医療用画像診断法です。この技術はヘモグロビンの光吸収を測定し、酸素化状態によって変化するヘモグロビンの吸収スペクトルに依存しています。高密度拡散光トモグラフィー（HD-DOT）は、両方の技術で研究された被験者の視覚刺激に対する反応を使用してfMRIと直接比較され、安心できるほど同様の結果が得られました。^[26] HD-DOTは、言語タスクと安静時機能的結合の点でもfMRIと比較されています。^[27]

事象関連光信号(EROS) は、光ファイバーを通して赤外線を使用し、大脳皮質の活動領域の光学特性の変化を測定する脳スキャン技術です。拡散光イメージング(DOT) や近赤外線分光法 (NIRS) などの技術はヘモグロビンの光吸収を測定するため血流に基づいていますが、EROS はニューロン自体の散乱特性を利用し、細胞活動をより直接的に測定します。EROS は、脳内の活動をミリメートル単位 (空間的) およびミリ秒単位 (時間的) で正確に特定できます。最大の欠点は、数センチメートル以上の深さの活動を検出できないことです。EROS は、被験者に侵襲性のない新しい比較的安価な技術です。イリノイ大学アーバナシャンペーン校で開発され、現在は Gabriele Gratton 博士と Monica Fabiani 博士の認知神経画像研究室で使用されています。

脳磁図法（MEG）は、超伝導量子干渉素子（SQUID）やスピン交換緩和フリー^[28] （SERF）磁力計などの極めて高感度の装置を介して、脳内の電気活動によって生成される磁場を測定する画像化技術である。MEG は、非常に高い時間分解能と比較的低い空間分解能で、（例えば fMRI と比較して）神経の電気活動を非常に直接的に測定する。神経活動によって生成される磁場を測定する利点は、脳波記録法（EEG）によって測定される電界と比較して、周囲の組織（特に頭蓋骨と頭皮）による歪みが少ないことである。具体的には、頭部を、それぞれが等方性均質導体である同心球殻のセットとしてモデル化した場合、電気活動によって生成される磁場は周囲の頭部組織の影響を受けないことがわかる。実際の頭部は非球形で、導電性はほぼ異方性である（特に白質と頭蓋骨）。頭蓋骨の異方性は（EEGとは異なり）MEGにほとんど影響を与えませんが、白質の異方性は放射状および深部音源のMEG測定に強く影響します。^[29]ただし、この研究では頭蓋骨が均一に異方性であると仮定しましたが、実際の頭部ではそうではありません。双極子層と表層の絶対的および相対的な厚さは、頭蓋骨間および頭蓋骨内で異なります。このため、MEGも頭蓋骨の異方性の影響を受ける可能性がありますが、^[30] EEGほどではない可能性があります。

MEG には、外科医が病変の位置を特定するのを支援したり、研究者が脳のさまざまな部分の機能を判断するのを支援したり、ニューロフィードバックなど、多くの用途があります。

機能的超音波画像診断(fUS) は、通常、血流または血行動態の変化を測定することにより、神経活動または代謝の変化 (脳活動の場所など) を検出または測定する医療用超音波画像診断技術です。機能的超音波は、高感度血流画像診断を可能にする超高感度ドップラーおよび超高速超音波画像診断に依存しています。

2021年6月、研究者らは、磁気イメージングを使用し、新しい全脳スキャン手法となる可能性のある初のモジュール式量子脳スキャナーの開発を報告した。^{[31] [32]}

fMRI は、他の画像診断法に比べて非侵襲性であるため、一般的には最小限から中程度のリスクに分類されます。fMRI は、血液酸素化レベル依存 (BOLD) コントラストを使用して画像診断を行います。BOLD コントラストは体内で自然に発生するプロセスであるため、同様の画像診断を行うために放射性マーカーを必要とする画像診断法よりも fMRI が好まれることが多いです。^[33] fMRI の使用に関する懸念は、体内に医療用インプラントや医療機器、金属物がある人への使用です。機器から放出される磁気共鳴 (MR) は、適切に検査しないと医療機器の故障を引き起こし、体内の金属物を引き寄せる可能性があります。現在、FDA は医療用インプラントと医療機器を、MR 適合性に応じて MR 安全 (すべての MR 環境で安全)、MR 非安全 (どの MR 環境でも安全ではない)、MR 条件付き (特定の環境では MR 適合性がありますが、追加情報が必要) の 3 つのカテゴリに分類しています。^[34]

• インプラントおよび機器の FDA MR 安全ラベル
• 
  MRセーフ^[35]
• 
  MR条件付き
• 
  MR 安全でない

CTスキャンは1970年代に導入され、すぐに最も広く使用されている画像診断法の1つになりました。CTスキャンは1秒未満で実行でき、臨床医にとって迅速な結果をもたらします。その使いやすさにより、米国でのCTスキャンの実施件数は1980年の300万件から2007年には6200万件に増加しました。臨床医は複数回のスキャンを行うことが多く、CTスキャンの使用に関するある調査では、患者の30％が少なくとも3回のスキャンを受けています。^[36] CTスキャンは、従来のX線よりも100〜500倍高いレベルの放射線に患者をさらす可能性があり、放射線量が高いほど解像度の高い画像が得られます。^[37]使いやすい一方で、特に無症状の患者におけるCTスキャンの使用の増加は、患者がかなり高いレベルの放射線にさらされるため、懸念事項となっています。^[36]

PETスキャンでは、画像化は内因性の生物学的プロセスに依存せず、血流に注入された異物が脳に移動するのに依存しています。患者には、脳内で代謝されて陽電子を放出し、脳活動を視覚化する放射性同位元素が注入されます。^[33] PETスキャンで患者が浴びる放射線の量は比較的少なく、個人が1年間に浴びる環境放射線の量に匹敵します。PET放射性同位元素は、通常、半減期が非常に短く（約2時間）、急速に崩壊するため、体内での曝露時間は限られています。^[38]現在、fMRIは、放射線を伴わず、PETよりも時間分解能が高く、ほとんどの医療現場でより容易に利用できるため、PETと比較して脳活動を画像化する好ましい方法です。^[33]

MEG と EEG は時間分解能が高いため、脳の活動をミリ秒単位で測定できます。MEG と EEG はどちらも機能するために患者を放射線にさらす必要はありません。EEG 電極はニューロンによって生成された電気信号を検出して脳の活動を測定し、MEG はこれらの電流によって生成された磁場の振動を使用して活動を測定します。MEG が広く使用されるのを妨げる要因は価格です。MEG システムは数百万ドルかかる場合があります。EEG は、このような時間分解能を達成するためにはるかに広く使用されている方法であり、EEG システムは MEG システムよりもはるかに安価です。EEG と MEG の欠点は、両方の方法とも fMRI と比較して空間分解能が低いことです。^[33]

ウィキメディア・コモンズには、神経画像に関連するメディアがあります。

• ハーバード大学全脳アトラス
• ウィル・ペニー（ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジ）による神経画像の数学的側面に関する講義ノート
• 「経頭蓋磁気刺激」。マイケル・レベントン著、 MIT AI ラボと共同制作。
• NeuroDebian – 神経画像処理をターゲットにした完全なオペレーティングシステム