脳の機能的磁気共鳴分光法

脳の機能的磁気共鳴分光法( fMRS ) では、磁気共鳴画像法(MRI)を使用して、脳の活性化中の脳代謝を調べます。fMRS によって生成されるデータは通常、MRI のような脳画像ではなく共鳴のスペクトルを示します。スペクトルのピークの下の領域は、代謝物の相対濃度を表します。

fMRS は、生体内磁気共鳴分光法(MRS)と同じ原理に基づいています。ただし、従来の MRS が関心領域から代謝物の単一スペクトルを記録するのに対し、fMRS の主な関心は、複数のスペクトルを検出し、脳機能中の代謝物濃度の動態を研究することです。そのため、動的 MRS [1] [2]、イベント関連 MRS [3]、または時間分解 MRS [4] と呼ばれることもあります。fMRSの^{新しい変種} は^、脳活性^化時の脳代謝物の拡散特性を測定する機能的拡散強調分光法(fDWS) です。^[5]

臨床現場で集中的に使用されている in vivo MRS とは異なり、fMRS は主に研究ツールとして使用され、臨床の場では、例えばてんかん、片頭痛、失読症の患者の代謝動態の研究や、健康な脳の研究に使用されています。fMRS は、筋肉や心臓など、体の他の部分の代謝動態の研究にも使用できますが、脳の研究の方がはるかに人気があります。

fMRS 研究の主な目標は、脳内のエネルギー代謝の理解に貢献し、データ取得および定量化技術をテストおよび改善して、fMRS 研究の 妥当性と信頼性を確保および強化することです。

生体内MRSと同様に、fMRSは水素（^1H）や炭素（^13C）などのさまざまな核を調べることができます。1H核^は最も感度が高く、代謝物の濃度と濃度の動態を測定するために最も一般的に使用されていますが、^{13Cは脳の代謝の}流れと経路を特徴付けるのに最適です。脳内の13Cの天然存在比は約1％に過ぎないため、^13C fMRS^研究では通常、注入または摂取による同位体濃縮が行われます。^[6]

文献では^{13 C fMRSは一般的に}機能的¹³ C MRSまたは単に¹³ C MRSと呼ばれています。^[7]

通常、MRSでは、長い取得時間にわたって十分なスペクトルを平均化することで、単一のスペクトルが取得されます。^[8]平均化が必要なのは、複雑なスペクトル構造と多くの脳代謝物の比較的低い濃度が原因で、生きた脳のMRSでは 信号対雑音比（SNR）が低くなるためです。

fMRS は、被験者が MRI スキャナー内にいる間に、異なる時点で 1 つのスペクトルではなく複数のスペクトルを取得する点で MRS と異なります。したがって、時間分解能が非常に重要であり、代謝物濃度の変化の動的な速度を提供するために、取得時間を十分に短くする必要があります。

時間分解能と十分なSNRの必要性のバランスをとるために、fMRSには高い磁場強度（1.5T以上）が必要です。磁場強度が高いとSNRが高くなり、スペクトル分解能も向上するため、より多くの代謝物とより詳細な代謝物の動態を検出できるという利点があります。^[2]

fMRSは、より強力な磁石が利用できるようになり、より優れたデータ取得技術が開発されてスペクトルおよび時間分解能が向上するにつれて、継続的に進歩しています。7テスラの磁気スキャナーを使用すると、 ^1Hスペクトルの約18種類の代謝物を検出できます。これは、それほど強力ではない磁石に比べて大幅に改善されています。 ^{[9] [10]}時間分解能は、最初のfMRS研究の7分^[11]から、最近の研究では5秒に増加しました。^[4]

fMRS では、研究の焦点に応じて、単一ボクセルまたは複数ボクセルの分光技術を使用できます。

シングルボクセル fMRS では、タスクによって活性化される脳領域を特定するために、fMRS の前に機能的磁気共鳴画像法(fMRI) 検査を実行して関心領域 (VOI) を選択することがよくあります。シングルボクセル分光法では取得時間が短くて済むため、高い時間分解能が必要で関心領域がわかっている fMRS 研究に適しています。

マルチボクセル分光法はボクセルのグループに関する情報を提供し、データは2Dまたは3D画像で表示できますが、取得時間が長くなるため時間分解能が低下します。マルチボクセル分光法は通常、関心のある特定の体積が不明な場合や、より広い脳領域での代謝物の動態を研究することが重要な場合に実行されます。^[12]

fMRS には、他の機能的神経画像法や脳生化学検出法に比べていくつかの利点があります。プッシュプルカニューレ、マイクロダイアリシス、生体内ボルタンメトリーとは異なり、fMRS は活性化脳の生化学のダイナミクスを研究するための非侵襲的な方法です。陽電子放出断層撮影(PET) や単一光子放出コンピューター断層撮影(SPECT) 研究で行われるように、被験者を電離放射線にさらすことなく行われます。fMRS は、血行動態反応に依存し、脳活性化中の全体的なニューロンエネルギー摂取のみを示すBOLD fMRIや PET よりも、脳活性化中に発生する細胞イベントをより直接的に測定します。一方、fMRS は、機能する脳をサポートする基礎的な代謝プロセスに関する情報も提供します。^[6]

しかし、fMRSは非常に高度なデータ取得、定量化方法、結果の解釈を必要とします。これが、過去に他のMR技術よりも注目されなかった主な理由の1つですが、より強力な磁石が利用できるようになり、データ取得と定量化方法が改善されたことにより、fMRSはより普及しつつあります。^[13]

fMRS の主な制限は、信号感度と、潜在的に興味深い代謝物の多くが現在の fMRS 技術では検出できないという事実に関連しています。

fMRSは空間的および時間的解像度が限られているため、異なる細胞タイプの代謝物に関する情報、例えば、脳の活性化中に乳酸がニューロンによって使用されるのか、アストロサイトによって使用されるのかに関する情報を提供することはできません。現在fMRSで特徴付けることができる最小の体積は1 cm ³であり、異なる細胞タイプの代謝物を測定するには大きすぎます。この制限を克服するために、数学的および運動学的モデリングが使用されます。^{[14] [15]}

多くの脳領域は、小さすぎる（脳幹の小さな核など）か、骨組織、脳脊髄液、頭蓋外脂質に近すぎるため、ボクセルに不均一性が生じ、スペクトルが汚染される可能性があるため、fMRS研究には適していません。^[16]これらの困難を回避するために、ほとんどのfMRS研究では、刺激を受けやすく、エネルギー代謝が高く、良好なMRS信号を生成する視覚皮質から関心領域が選択されます。 ^[17]

臨床現場で集中的に使用されているin vivo MRSとは異なり、^[要出典] fMRSは主に研究ツールとして使用され、臨床現場では、例えばてんかん[18]、片頭痛[19] [20] [17]、失読症[16] [21]の患者の代謝動態の研究や、^健康 な脳^の研究に使用さ^れています。

^{fMRSは、筋肉[22]}や心臓^[23]など、体の他の部分の代謝動態を研究するためにも使用できますが、脳の研究の方がはるかに人気があります。

fMRS研究の主な目的は、脳内のエネルギー代謝の理解に貢献し、fMRS研究の妥当性と信頼性を確保・向上させるために、データ取得および定量化技術をテストし改善することです。 ^[24]

fMRSは1990年代初頭にMRSの拡張として開発されました。^[11] PET研究では結論が出なかった重要な研究課題、すなわち持続的な視覚刺激中の酸素とグルコースの消費量の不一致に適用されたとき、研究技術としてのその可能性は明らかになりました。^{[25] 1H} fMRS研究は、このプロセスにおける乳酸の重要な役割を強調し、脳活性化中の脳エネルギー代謝の研究に大きく貢献しました。持続的な視覚刺激中に乳酸が増加するという仮説を確認し^{[26] [27] [28] 、視覚刺激に基づく知見を聴覚刺激、 [29]} 、運動課題^[30] 、認知課題など他の種類の刺激に一般化することを可能にした。^{[16] [31]}

¹ H fMRS測定は、脳の激しい活性化の最初の数分間に乳酸値が上昇するという、ほとんどの研究者の間での現在のコンセンサスを得るのに役立ちました。しかし、増加の程度については一貫した結果はなく、脳のエネルギー代謝における乳酸の正確な役割についての疑問は未だに答えが出ておらず、継続的な研究の対象となっています。^{[32] [33]}

¹³ C MRSは、重要な神経生理学的フラックスを生体内でリアルタイムに測定し、健康な脳と病気の脳（例えば、ヒトの腫瘍組織^[34]）の両方の代謝活動を評価するのに特に適した特殊なタイプのfMRSです。これらのフラックスには、TCA回路、グルタミン酸-グルタミン回路、ブドウ糖と酸素の消費が含まれます。^{[6] 13 C MRSは、脳内のブドウ糖濃度が低く、 1} H MRSスペクトルでブドウ糖の共鳴が複数の多重線に広がるため、¹ H fMRSでは得られないブドウ糖の動態に関する詳細な定量情報を提供できます。^[35]

¹³ C MRSは、覚醒した非刺激（安静時）の人間の脳が非常に活発に活動しており、エネルギーの70%～80%をグルコース酸化に使用して、意識に必要であるとされる皮質ネットワーク内のシグナル伝達をサポートしていることを認識するのに非常に重要でした。^[36]この発見は、この高いベースライン活動が通常無視され、タスクへの反応がベースライン活動とは無関係に示されるBOLD fMRIデータの解釈に重要な意味を持ちます。13 C MRSの研究は、このアプローチではタスクによって引き起こされる脳活動を誤って判断したり、完全に見逃したりする可能性があることを示唆しています。^[37]

^{13C MRSの発見はPETやfMRI研究からの他の結果と組み合わされ、}デフォルトモードネットワークと呼ばれる安静時の活動の機能を説明するモデルにまとめられました。^[38]

¹³ C MRSのもう一つの重要な利点は、代謝プールの時間経過を決定し、TCAとグルタミン酸-グルタミンサイクルのターンオーバー率を測定するための独自の手段を提供することです。そのため、 ミトコンドリア代謝が加齢とともに低下し、認知機能と感覚機能の低下を説明できる可能性があることを明らかにし、老化研究において重要であることが証明されています。 ^[39]

通常、¹ H fMRS では、水よりもはるかに低濃度の代謝物を検出するために水信号が抑制されます。ただし、抑制されていない水信号を使用して、皮質活性化中の緩和時間T2*の機能的変化を推定することができます。

このアプローチは、BOLD fMRI技術の代替として提案されており、光刺激に対する視覚反応、指タッピングによる運動活性化、および発話処理中の言語野の活性化を検出するために使用されています。^[40]最近、機能的リアルタイムシングルボクセルプロトンスペクトロスコピー（fSVPS）は、7テスラ（7T）以上の磁場におけるリアルタイムニューロフィードバック研究のための技術として提案されています。 このアプローチは、BOLD fMRIよりも潜在的な利点を持つ可能性があり、現在研究されています。^[41]

fMRS は片頭痛と疼痛の研究に利用されてきた。これは、前兆を伴う片頭痛 (MwA) 患者におけるミトコンドリア機能不全という重要な仮説を裏付けている。ここでは、脳内の化学反応を経時的に測定する fMRS の能力が、反復光刺激が MwA 患者の視覚皮質における乳酸レベルの上昇と N-アセチルアスパラギン酸(NAA) レベルの減少を、前兆を伴わない片頭痛 (MwoA) 患者や健常者と比較して大きく引き起こすことを確認するのに非常に重要であることが証明された。^{[17] [19] [20]}

疼痛研究において、fMRSはfMRIおよびPET技術を補完するものである。fMRIおよびPETは脳内の疼痛処理領域を特定するために継続的に使用されているが、疼痛処理中の代謝物の変化に関する直接的な情報は提供できず、疼痛知覚の背後にある生理学的プロセスを理解し、疼痛に対する新たな治療法の開発につながる可能性がある。fMRSはこの制限を克服し、前帯状皮質^[42]、^[43]前島皮質^[4]および左島皮質[ ^44]における疼痛誘発性（冷圧、温熱、歯痛）神経伝達物質レベルの変化を研究するために使用されている。これらのfMRS研究は、研究対象の脳領域で疼痛刺激中に一部またはすべてのGlx化合物（グルタミン酸、GABA、グルタミン）が増加することを示す点で価値がある。

認知研究では、認知中のニューロン活動の検出が頻繁に利用されています。この目的での fMRS の使用は、現在主に実験レベルですが、急速に増加しています。fMRS が使用されている認知タスクと研究の主な結果を以下にまとめます。

• 脳の代謝
• 磁気共鳴画像
• 核磁気共鳴分光法
• フーリエ変換分光法
• 磁場の均一性の調整

• NMR と MRI 入門 (ビデオ シリーズ)
• プロトン NMR 分光法の紹介 (ビデオ シリーズ)
• 磁気共鳴分光法
• NMRの基礎