Trong loạt  bài viết trước, người viết đã trình bày cấu trúc và nguyên lý 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 não 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 dõi những hoạt động thần kinh và khảo sát những hoạt động của não bộ.   

Công nghệ cộng hưởng từ chức năng đặc biệt này được khai phát để theo dõi hoạt động của não 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 đòi hỏi số lượng hình chụp nhiều hơn (vì thế tốn kém nhiều hơn) và tùy thuộc rất nhiều vào sự tiến bộ của công nghệ phần mềm và khả năng theo dõi và cắt nghĩa dữ liệu của những người làm công tác nghiên cứu. 

Bởi vì fMRI là một công nghệ tương đối mới và vẫn còn 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 đã biết rằng những thay đổi trong lưu lượng máu và oxy hóa máu trong não 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 não 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 (đã khử oxy, deoxygenated blood) xảy ra khoảng 2 giây sau đó. Sự gia tăng này sẽ lên đến đỉnh điểm trong vòng 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 vì 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 não bộ [1]. 

2.  Giai đoạn ban đần

Vào cuối thế kỷ 19, Angelo Mosso đã 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 tình cảm và trí tuệ. Ông Mosso nghiên cứu một số biến số tới hạn (crtitical variables) hiện vẫn còn được dùng trong lãnh vực hình ảnh thần kinh (neuroimaging) , chẳng hạn như “tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu“, sự lựa chọn phù hợp mô hình thực nghiệm (experimental paradigm)  và sự ghi nhận cùng một lúc các tham số sinh lý (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 não do nhận thức gây ra. Chi tiết về thí nghiệm của Mosso hầu như không được biết đến mãi 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 não với lưu lượng máu trong não. Bước tiếp theo đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết cách đo lượng máu đến não là sự khám phá BOLD  của Linus Pauling và Charles Coryell vào năm 1936 (Hình 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. 

Hình 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 trình đưa đến việc hình thành fMRI

3.1  Nhóm John Belliveau

Cuối thập niên 80’s,  cộng đồng khoa học đã 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 (Hình 2), một sinh viên cao học và một số cộng tác viên thuộc Martinos Center của Massachusetts General Hosphital mới xác nhận được rằng hình ảnh của hoạt động não 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 còn 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 , vì sự bất tiện của việc dùng chất cản quang và vì 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. Hình ảnh tiếng vang mặt phẳng (echo-planar) của vỏ não thị giác chính (primary visual cortex) đạt được trước và sau khi thuốc tương phản gadolinium  được tiêm vào trong khi những người tình nguyện  xem những mẫu hình trên bàn cờ đang chớp sáng lập lòe (flashing checker board patterns) qua đôi kính bảo hộ (goggles).  Bằng cách khấu trừ thể tích máu trong não 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 não bộ. Kết quả nghiên cứu của nhóm Belliveau  được đăng trong tạp chí Science và đã 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 tìm thấy sự hoạt động rõ 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 não. 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 hình ảnh tùy thuộc vào huyết sắc tố khử oxy dHb. Đây là cơ sở của sự hình thành kỹ thuật cộng hưởng từ chức năng fMRI.  

Trong một nghiên cứu năm 1990 dựa trên công trình lúc trước của Thulborn và cộng sự, Ogawa và đồng nghiệp đã quét (scan) từ trường của MRI qua những con chuột và đồng thời theo dõi hoạt động trong não của chúng bằng điện đồ não ở một từ trường  có độ lớn 7.0 T. Để chứng tò rằng những thay đổi lưu lượng này có liên quan đến hoạt động chức năng của não, 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 dõi hoạt động trong não bộ của chúng bằng điện đồ não [6].   

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

Kết quả được đăng trong  Proceedings of the National Academy of Sciences USA.  Bởi vì phương pháp này (fMRI) hoàn toàn không xâm lấn, không đòi hỏi tiêm chất tương phản, phương pháp dựa vào hiện tượng BOLD cho phép nhiều thí nghiệm về não 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 não.

Hình 2.  

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

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

4. Lời kết

Bởi vì 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 vì các kỹ thuật khác theo nguyên tắc cũng có thể dùng để theo dõi một số hoạt động của não; 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 não giúp bác sĩ  trong việc phẫu thuật não 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 não 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 não 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 não nằm gần các trung tâm ngôn ngữ của não, fMRI có thể giúp họ thấy chính xác hơn khu vực nào của não có liên quan đến ngôn ngữ.  

Bác sĩ còn có thể sử dụng fMRI để đánh giá mức độ rủi ro của phẫu thuật não hoặc phương pháp điều trị xâm lấn đối với bệnh nhân và để tìm hiểu hoạt động của bộ não bình thường, bị bệnh hoặc bộ não 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