fMRI_principle

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BOLD法によるfMRIの原理

プロトンを観測核としたMRIで生体から得られる情報は、測定対象の持つ形態情報と水分子をとりまく生理環境情報を中心とする。生理環境情報とは、組織中の水分子の運動の自由度と移動（拡散）の速さが信号強度の差として反映されるものである。これらの情報が時系列デ－タとなった場合に機能情報としての意味を持つ。

我々がfMRIで検出しているものは、神経細胞の興奮に伴う血流の変化が、形態情報や生理環境情報に基づく信号強度をさらに修飾する現象である。fMRIの代表的な測定原理であるBOLDコントラストは脳内の血液中酸素量の変化に伴う磁化率効果の変動を検出して脳神経細胞の活動の状態を計測する方法である。被験者に課せられたパラダイム（実行課題）の周期と局所の血液動態分布の変化に伴い発生する信号強度の変化との相関性を探し出し、それを神経興奮を間接的に表現するものとして検出する。神経興奮を一次シグナル、それに伴う代謝変化を２次シグナルと呼ぶが、そういう観点から考えればfMRIは「３次シグナル」と言える。

BOLDコントラストの原理

酸素と結合していないヘモグロビン（デオキシ・ヘモグロビン）は４個の不対電子を持っているため、磁化率が大きい常磁性体としての性質を持つので、ＭＲＩの信号強度を減弱する。この時の見かけの緩和時間をT2*と呼ぶ。一方、脳の賦活が起こると局所への血流量が増加し、血中の酸素結合型ヘモグロビンが多くなる。その結果、ＭＲＩ信号の減衰は少なくなり、T2*は相対的に延長するので、局所神経組織の賦活によりＭＲＩ信号は増強されて観察される。この二つの状態の差を神経活動のＯＮ/ＯＦＦに起因するものとして取り扱う。

1. fMRI計測は線型と見なせるか？： 指の系列運動を用いた実験で課題負荷量と賦活領域と判定された部分のピクセル数との関連を調べると、得られる曲線には線型領域と非線型領域が認められること、それぞれの運動野は線型、非線型の領域を含むBOLD信号のダイナミックレンジの中で、異なったスケールに位置することが確認された。対側の一次感覚運動野では1Hz以上の速度での運動では非線型領域（飽和領域）での測定になっており、同側の一次感覚運動野、補足運動野などは線型領域になっている。また、磁場強度との関連で見ると、通常の高磁場（1.5T）での測定は、特に非線型領域において、inflowの影響を著明に受けているが、超高磁場（3T）では、その影響は無視できる程度であった。以上の結果により、同一データ内に、課題負荷量に対して線型の部分と、非線型の部分とが混在すると考えられ、線型モデルに基づいているデータ解析法を使用する場合、特にタスク間比較を行う場合には、その影響について留意しておく必要があろう。
2. 順序効果の扱い： 指の系列運動の実験を繰り返し施行した場合、補足運動野において有意の順序効果が認められたが、一次感覚運動野、運動前野の賦活には順序効果は認められなかった。順序効果の程度については、課題の構成や被験者のバックグラウンドが強く作用すると考えられるが、影響が予測される領域と、されない領域が存在する事を考慮した実験のデザインを行う必要がある。
3. 静磁場強度と検出限界： 静磁場の強度は、課題の低負荷時における信号検出感度に強く影響している。超高磁場における計測は検出感度の向上とinflowの排除による線型性の維持にその意義が見いだされた。指の系列運動においては対側の一次感覚運動野以外の運動領域で超高磁場による有意の信号検出能の向上を認めた。
4. 血液動態モデル： あるピクセルのBOLD信号が有意水準に達するかどうかは参照関数にも依存する。BOLD信号の波形はCBF-CBVの解離により修飾されるが、その程度は個々の領域により異なる可能性がある。我々は指の系列運動課題の実行時に一次感覚運動野と補足運動野ではCBF-CBV解離の程度が異なる事を示唆する変化を観測した。従って領域による検定精度の不均等を抑えるためには、血液動態の位相成分だけでなく波形特性も考慮に入れた解析が必要となる。
5. 生理的ノイズとバルクモーションの処理： 体動による偽賦活を除外するために、再構成された画像に対して、空間補正変換（realignment）を行うことが一般的になっている。画像再構成時における位相補正法との組み合わせによる比較を行ったところ、検出限界付近の信号の回復率は位相補正により著明に向上し（2~3倍）、空間補正変換は主にノイズの抑制に作用している事が確認された(2)。基底核の運動領域など、比較的狭い範囲の検出能の向上には、位相補正の方がより有効であった。但し、これらの補正の効果はデータ収集時の空間周波数分布特性による影響も受けていると考えられる。
6. 脳機能のモデル化という視点から複数の健常被験者を対象とした定性的な実験を行う場合は、データの加算により充分信頼性のあるデータが期待できる。しかし、疾患例に対してfMRIを使用する場合、上記の要因以外に疾患による血液動態への影響が加わると考えられ、臨床目的で個別のデータ解析を行うためにはそれぞれの病態下における血液動態反応モデルについて充分な基礎検討を行う事が今後の課題と考えられる。

Reference

• Nakai T, Matsumura A, Nose T, Kato C, Glover GH, Matsuo K, The effect of task block arrangement on the detectability of activation in fMRI, Magnetic Resonance Imaging, 21, 941-947, 2003
• T Nakai, K Matsuo, C Kato, T Okada, T Moriya, H Isoda, Y Takehara and H Sakahara, BOLD contrast on a 3T magnet - detectability of the motor areas, Journal of Computer Assisted Tomography(J Comput Assist Tomogr), 25, P436-445, 2001
• T Nakai, K Matsuo, C kato, Y Takehara, H Isoda, T Moriya, T Okada and H Sakahara, Post-stimulus response in the hemodynamics observed by functional magnetic resonance imaging - difference between the primary sensorymotor area and the supplementary motor area, Magnetic Resonance Imaging, 18, P1215-1219, 2000
• T.Nakai et al, Noise Reduction for fMRI by Navigator Echo and / or Spatial Realignment on a 3.0T System, Proc. Int. Soc. Magn. Reson. Med., vol 3, 1498, 1998

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