A series of articles on “Technology in Medicine” – Part 27

Lịch sử của sự phát triển cộng hưởng từ chức năng

  Trần Trí Năng

Trong loạt  bài viết trước, người viết đă tŕnh bày cấu trúc và nguyên lư hoạt động của ảnh hóa cộng hưởng từ MRI ( Magnetic Resonance Imaging), một công nghệ rất phổ biến hiện nay ở nhiều bệnh viện trên thế giới. MRI được dùng để khảo sát cấu trúc của năo bộ và những bộ phận khác trong cơ thể con người. Bắt đầu từ bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu một công nghệ khác được triển khai từ  MRI: cộng hưởng từ chức năng (functional Magnetic Resonance Imaging hay fMRI). Công nghệ này được dùng để theo dơi những hoạt động thần kinh và khảo sát những hoạt động của năo bộ.   

Công nghệ cộng hưởng từ chức năng đặc biệt này được khai phát để theo dơi hoạt động của năo bằng cách xét nghiệm lưu lượng máu trong các tế bào thần kinh. Cả MRI và fMRI có thể thực hiện trong cùng một bộ máy MRI, nhưng fMRI đ̣i hỏi số lượng h́nh chụp nhiều hơn (v́ thế tốn kém nhiều hơn) và tùy thuộc rất nhiều vào sự tiến bộ của công nghệ phần mềm và khả năng theo dơi và cắt nghĩa dữ liệu của những người làm công tác nghiên cứu. 

Bởi v́ fMRI là một công nghệ tương đối mới và vẫn c̣n nhiều vấn đề về kỹ thuật và độ tin cậy, fMRI thường không được sử dụng trong các công tác khảo sát lâm sàng ở bệnh viện. Tuy nhiên, fMRI càng lúc càng được phổ biến trong những nghiên cứu y học và là một công nghệ y khoa điện tử có nhiều triển vọng góp phần trong việc chửa trị những bệnh như Alzheimer, Parkinson và bệnh động kinh (epilepsy). 

1. Nguồn gốc của sự phát triển fMRI

Kể từ những năm 1890, người ta đă biết rằng những thay đổi trong lưu lượng máu và oxy hóa máu trong năo bộ con người  (gọi chung là huyết động học- hemodynamics) có liên kết chặt chẽ với hoạt động thần kinh. Khi các tế bào thần kinh hoạt động, lưu lượng máu cục bộ đến các vùng năo tăng lên và máu được cung cấp oxy – gọi là máu giàu oxy (oxygen-rich blood hay oxygenated blood) sẽ thay thế máu thiếu oxy (đă khử oxy, deoxygenated blood) xảy ra khoảng 2 giây sau đó. Sự gia tăng này sẽ lên đến đỉnh điểm trong ṿng 4–6 giây, trước khi giảm xuống trở lại mức ban đầu (và độ cao thường bị giảm đi một ít!). Oxy được vận chuyển bởi huyết sắc tố phân tử (hemoglobin molecule ) trong tế bào máu đỏ (red blood cells). Hemoglobin khử oxy (deoxygenated hemoglobin hay dHb) có nhiều từ tính hơn (thuận từ, paramagnetic) hơn hemoglobin được oxy hóa (oxygenated hemoglobin hay Hb); với Hb hầu như có khả năng chống lại với tính nghịch từ (diamagnetic). Sự khác biệt này dẫn đến sự cải thiện tín hiệu MR v́ máu nghịch từ (diamagnetic) gây nhiễu với  tín hiệu từ MR ít hơn. Sự cải thiện này được dùng trong việc lập bản đồ hiển thị và xác định vị trí những tế bào thần kinh đang hoạt động ở một thời điểm nhất định nào trong năo bộ [1]. 

2.  Giai đoạn ban đần

Vào cuối thế kỷ 19, Angelo Mosso đă khám phá  ra sự cân bằng của máu trong việc tuần hoàn trong cơ thể  con người, bằng cách quan sát và đo lường một cách không xâm lấn  lượng máu phân phối trong những hoạt động liên quan đến t́nh cảm và trí tuệ. Ông Mosso nghiên cứu một số biến số tới hạn (crtitical variables) hiện vẫn c̣n được dùng trong lănh vực h́nh ảnh thần kinh (neuroimaging) , chẳng hạn như “tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu“, sự lựa chọn phù hợp mô h́nh thực nghiệm (experimental paradigm)  và sự ghi nhận cùng một lúc các tham số sinh lư (physiological parameters) khác nhau [1]. Tuy nhiên, bản thảo của Mosso không đưa ra bằng chứng trực tiếp xác nhận sự cân bằng thực sự có thể đo lường những thay đổi trong lượng máu năo do nhận thức gây ra. Chi tiết về thí nghiệm của Mosso hầu như không được biết đến măi cho đến sau này khi Stefano Sandrone và đồng nghiệp đề cập và thảo luận trong những bản báo cáo của họ về những sự kiện liên quan đến thiết bị ban đầu của Mosso. Sau đó, David Field lập lại thí nghiệm dùng những thiết bị tân tiến và hiện đại mà Mosso không có được vào thời điểm ông này làm thí nghiệm. 

Năm 1890, tại Đại học Cambridge, Charles Roy và Charles Sherrington lần đầu tiên thực nghiệm và liên kết chức năng năo với lưu lượng máu trong năo. Bước tiếp theo đóng vai tṛ quan trọng trong việc giải quyết cách đo lượng máu đến năo là sự khám phá BOLD  của Linus Pauling và Charles Coryell vào năm 1936 (H́nh 1).  BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent Imaging) xác nhận rằng máu giàu oxy với Hb bị từ trường đẩy lùi với một sức yếu, trong khi máu thiếu oxy dHb được thu hút bởi một từ trường mạnh hơn. 

Linus Pauling 1962.jpg 

H́nh 1. Giáo sư Linus Pauling (1901-1994). B.S., Oregon State University, Ph.D., California Institute of Technology. Nobel Prize in Chemistry (1954) và  Nobel Peace Prize (1962).  

3.  Tiến tŕnh đưa đến việc h́nh thành fMRI

3.1  Nhóm John Belliveau

Cuối thập niên 80’s,  cộng đồng khoa học đă biết rằng lưu lượng máu ở thần kinh cục bộ (regional)  gia tăng gần vùng có hoạt động thần kinh. Nghiên cứu chụp cắt lớp positron (Positron Emission Tomography hay PET) ở độ phân giải thấp cũng được thực hiện ở con người. Nhưng phải đợi  cho đến khi John (Jack) Belliveau (H́nh 2), một sinh viên cao học và một số cộng tác viên thuộc Martinos Center của Massachusetts General Hosphital mới xác nhận được rằng h́nh ảnh của hoạt động năo bộ có thể  thực hiện được dùng công nghệ cộng hưởng từ MRI có độ phân giải cao. Nhóm này thực hiện sư khảo sát bằng cách sử dụng chất tương phản (hay cản quang)  Magnevist [2]- một chất sắt có thể c̣n lại trong máu sau khi tiêm tĩnh mạch (intravenous injection). Tuy nhiên, phương pháp này không được phổ biến trong việc dùng MRI để khảo sát những chức năng trong con người , v́ sự bất tiện của việc dùng chất cản quang và v́ chất này chỉ lưu lại trong máu trong một thời gian ngắn [3].

Ngày nay, phương pháp của GS Belliveau được gọi là Dynamic Susceptibility Contrast MRI hay gọi tắt là DSCMRI. H́nh ảnh tiếng vang mặt phẳng (echo-planar) của vỏ năo thị giác chính (primary visual cortex) đạt được trước và sau khi thuốc tương phản gadolinium  được tiêm vào trong khi những người t́nh nguyện  xem những mẫu h́nh trên bàn cờ đang chớp sáng lập ḷe (flashing checker board patterns) qua đôi kính bảo hộ (goggles).  Bằng cách khấu trừ thể tích máu trong năo tính được giữa trạng thái kích thích (stimulated) và trạng thái không kích thích (non-stimulated), một bản đồ chức năng (functional map) có thể đạt được. Bản đồ này biểu hiện sự gia tăng hoạt động trong năo bộ. Kết quả nghiên cứu của nhóm Belliveau  được đăng trong tạp chí Science và đă gây kích động khá lớn trong cộng đồng khoa học lúc bấy giờ. 

Phấn khởi với kết quả nghiên cứu của nhóm Belliveau,  Kenneth Kwong (lúc đó đang làm postdoc ở cùng Martinos Center) và các đồng nghiệp nghiên cứu fMRI bằng cách phối hợp tiếng vang građiên (gradient- echo) với  phép nghịch đảo phục hồi ảnh echo mặt phẳng (inversion recovery EPI) ở từ trường có cường độ 1,5 T.  Nhóm này t́m thấy sự hoạt động rơ rệt của huyết sắc tố trong thị giác con người (human visual cortex) [4].    

3.2 Nhóm Seiji Ogawa

Nhưng có lẽ nghiên cứu liên quan trực tiếp đến fMRI là nghiên cứu của TS Seiji Ogawa và đồng nghiệp ở AT & T Bell Laboratories. Nhóm Ogawa cộng tác với nhóm nghiên cứu của trường Đại học Minnesota (University of Minnesota)  trong việc triển khai hiện tượng BOLD của Linus Pauling và Charles Coryell [5]. Seiji Ogawa nhận ra rằng sự khám phá  của Linus Pauling và Charles Coryell có thể được sử dụng để gia tăng thêm ứng dụng của MRI, và có thể dùng để khảo sát cấu trúc tĩnh (static structure ) của năo. Mấu chốt chính nằm ở sự kiện là sự khác nhau về từ tính của huyết sắc tố khử oxy dHb và huyết sắc tố giàu oxy Hb gây ra  bởi lưu lựng máu dẫn đến vùng kích hoạt có thể tạo được những kết quả đo đạt đáng kể  trong tín hiệu MRI. Tương phản BOLD (hay BOLD contrast) trong h́nh ảnh tùy thuộc vào huyết sắc tố khử oxy dHb. Đây là cơ sở của sự h́nh thành kỹ thuật cộng hưởng từ chức năng fMRI.  

Trong một nghiên cứu năm 1990 dựa trên công tŕnh lúc trước của Thulborn và cộng sự, Ogawa và đồng nghiệp đă quét (scan) từ trường của MRI qua những con chuột và đồng thời theo dơi hoạt động trong năo của chúng bằng điện đồ năo ở một từ trường  có độ lớn 7.0 T. Để chứng ṭ rằng những thay đổi lưu lượng này có liên quan đến hoạt động chức năng của năo, họ điều chỉnh  lượng oxy trong máu bằng cách thay đổi tỷ lệ  của lượng oxy những con vật này hít thở, quét từ trường qua những con vật này và đồng thời theo dơi hoạt động trong năo bộ của chúng bằng điện đồ năo [6].   

Khi tỷ lệ này giảm, một bản đồ về lưu lượng máu trong năo có thể thiết lập với MRI. Họ kiểm chứng điều này bằng cách đặt trong năo các ống nghiệm có oxy hóa máu và khử oxy máu và tạo những h́nh ảnh riêng biệt. Họ cũng đă biểu hiện rằng những h́nh ảnh của tiếng vang građiên (gradient echo images) phụ thuộc vào dạng thức bị mất từ ​​tính (gọi là phân tích sự phân ră T 2*), và cho ra h́nh ảnh có chất lượng tốt [7]. 

Kết quả được đăng trong  Proceedings of the National Academy of Sciences USA.  Bởi v́ phương pháp này (fMRI) hoàn toàn không xâm lấn, không đ̣i hỏi tiêm chất tương phản, phương pháp dựa vào hiện tượng BOLD cho phép nhiều thí nghiệm về năo có thể thực hiện trong cùng một thiết đặt. Không bao lâu, phương pháp của nhóm Ogawa thay thế phương pháp DSCMRI của nhóm Belliveau  và nhanh chóng chiếm ưu thế trong việc khảo sát những hoạt động của năo.

 

H́nh 2.  

H́nh bên trái: Giáo sư John (Jack) Belliveau 1959-2014
 BS., California Institute of Technology 1981 và Ph.D., Harvard University, 1990.

H́nh bên phải: TS Seiji Ogawa, 1934-hiện tại  
B.S., University of Tokyo, và Ph.D., Stanford University.

4. Lời kết

Bởi v́ cộng hưởng từ chức năng fMRI là một công nghệ tương đối mới, khá tốn kém, tùy thuộc nhiều vào sự tiến bộ của phần mềm; và bởi v́ các kỹ thuật khác theo nguyên tắc cũng có thể dùng để theo dơi một số hoạt động của năo; fMRI thường không được sử dụng trong việc chẩn đoán và tầm soát lâm sàng ở bệnh viện. Tuy nhiên, fMRI càng lúc càng được phổ biến trong những công tác nghiên cứu y học.  

Dữ liệu đạt được từ fMRI được dùng để thiết lập bản đồ năo giúp bác sĩ  trong việc phẫu thuật năo cho những bệnh nhân có bệnh động kinh hoặc có khối u, đột quỵ, hoặc kiểm tra độ hiệu quả của một loại thuốc. Công nghệ fMRI cũng có thể phát hiện sự khởi phát của bệnh thoái hóa chức năng năo bộ như bệnh Alzheimer (chứng mất trí nhớ) hay chứng lú lẫn (dementia) và ghi nhận sự hiện diện của các rối loạn tinh thần như bệnh trầm cảm [1].  

Thêm vào đó, bản đồ năo thu thập được từ fMRI có triển vọng xác định các vùng liên quan đến những chức năng quan trọng như nói, di chuyển và cảm nhận. Ở một số trường hợp khi bác sĩ giải phẫu thần kinh muốn loại bỏ một khối u năo nằm gần các trung tâm ngôn ngữ của năo, fMRI có thể giúp họ thấy chính xác hơn khu vực nào của năo có liên quan đến ngôn ngữ.  

Bác sĩ c̣n có thể sử dụng fMRI để đánh giá mức độ rủi ro của phẫu thuật năo hoặc phương pháp điều trị xâm lấn đối với bệnh nhân và để t́m hiểu hoạt động của bộ năo b́nh thường, bị bệnh hoặc bộ năo bị thương. Công nghệ fMRI cũng có thể được sử dụng nhằm hướng dẫn việc thiết lập kế hoạch phẫu thuật và xạ trị. 

5. Tài liệu tham khảo

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Functional_magnetic_resonance_imaging

[2] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2020-04242022.htm

[3]   Belliveau JW, Kennedy DN, McKinstry RC, et al. Science 1991; 254:716-719.254 (5032)

[4]  Kwong, K K; Belliveau, J W; Chesler, D A; Goldberg, I E; Weisskoff, R M; Poncelet, B P; Kennedy, D N; Hoppel, B E; Cohen, M S; Turner, R. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (12): 5675–5679.

[5] Pauling L, Coryell CD.  Proc Natl Acad Sci 1936; 22:210-216. This is the first paper describing and explaining the diagmagnetic and paramagnetic properties of oxy- and deoxy-hemoglobin respectively.   

[6]    Ogawa S, Lee TM, Kay AR, Tank DW. Proc Natl Acad Sci USA 1990; 87:9868-72.

[7] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2021-05192022.htm

 

November 5, 2022