A series of articles on Technology in Medicine - Part 30

 

Tại sao tn hiệu BOLD gia tăng với hoạt động của no?

 

Trần Tr Năng
 

 

Với hoạt động của tế bo no, lượng huyết cầu tố được oxy ha (oxygenated hemoglobin hay oxy-Hb) được tiu thụ nhiều hơn khi lượng huyết cầu tố khử oxy (deoxyhemoglobin hay deoxy-Hb) gia tăng. Lượng oxy cn lại v thế sẽ bị giảm; kết quả l tn hiệu BOLD sẽ phải suy giảm. Nhưng kết quả đạt được trn thực tế th ngược lại: tn hiệu BOLD gia tăng với hoạt động của tế bo no như người viết đ trnh by ở bi viết trước [1].

Đy c phải l sự nghịch l hay khng!? 

Nếu c qu bạn đọc no nghĩ như thế, bạn  khng phải l người đầu tin đu!

Nghi vấn về kết quả BOLD đ gy nhiều thắc mắc trong cộng đồng nghin cứu về cộng hưởng từ chức năng fMRI trong nhiều năm. Chng ta hy cng tm hiểu nguyn do gy nn hiện tượng ny. 

1. Khm ph của Fox v Raichle

Mi cho đến nhiều năm sau khi cu hỏi về sự kiện c vẻ nghịch l ny được đặt ra, Fox v Raichle mới tm được giải đp với khm ph hiện tượng xc định rằng khi tế bo no bi kch hoạt, mạch mu nới rộng ra; lượng oxy ha mới được cung cấp trở nn nhiều hơn lượng  mu cần thiết [2]. Hai ng tm được sự kết nối khng đồng bộ giữa lưu lượng mu trong no v lượng oxy đi hỏi. Kết quả nghin cứu ny cho thấy với sự kch hoạt của tế bo no, lưu lượng mu cục bộ ở no (regional cerebral blood flow hay CBF) gia tăng; tuy nhin lượng oxy tiu thụ ở no(cerebral metabolic rate of oxygen consumption hay CMRO2) khng tăng theo cng một tỉ lệ. Thm vo đ, lượng mu giu oxy mới  được cung cấp đến vng kch hoạt trở nn nhiều hơn so với lượng mu đi hỏi.  

Sự tăng vọt của lượng mu giu oxy c nghĩa l hm lượng tương đối của hemoglobin khử oxy trong vng hoạt động no sẽ giảm.  Kết quả l hiệu quả lm giảm thời gian hồi gin T2/T2* của deoxy-Hb sẽ giảm v v thế tn hiệu BOLD trong những vng ny sẽ gia tăng (sẽ sng hơn).  

2. L do tổng qut về sự gia tăng của tn iệu BOLD với hoạt động no

2.1 Tnh nghịch từ của oxy-Hb v v thuận từ của deoxy-Hb

C vi điểm cần ghi nhận ở đy: (i) BOLD khng đo lường trực tiếp hoạt động của no v sự đo đạc chỉ c tnh cch định tnh; (ii) thm vo đ l tnh khng đồng nhất gy nn bởi sự biến đổi tỉ số của hemoglobin khử oxy (deoxy-Hb) v hemoglobin oxy ha (oxy-Hb) v (iii) độ tương phản BOLD sẽ được dng để đo tnh khng đồng nhất ny.  

Trong cc hoạt động ở vng cục bộ trong no, nếu tỉ số deoxy-Hb/ oxy-Hb thấp, tn hiệu BOLD (hay tn hiệu MR) sẽ gia tăng theo quy trnh dưới đy [3]:

V tế bo thần kinh (neurons) khng c nguồn năng lượng nội bộ thuộc dạng glucose v  oxygen, nn sự kch hoạt đi hỏi nhiều năng lượng để chuyển tải theo một qu trnh  gọi l đp ứng huyết động lực học (hemodynamic response). Ở qu trnh ny, mu phn phối oxy đến tế bo thần kinh đang hoạt động ở một tỉ xuất lớn hơn so với lượng mu đến tế bo thần kinh khng hoạt động. Huyết cầu tố (hemoglobin) c tnh nghịch từ (diamagnetic) khi oxy ha  nhưng c tnh thuận từ (paramagnetic)  khi khử oxy (Bảng 1). 

Tnh thuận từ dựa vo cấu trc của huyết sắc tố khử oxy với 4 điện tử khng ghp cặp ở mỗi trung tm của nguyn tử sắt (Hnh 1c v Hnh 2). Trong khi đ, v huyết sắc tố oxy ha khng c điện tử khng ghp cặp, nn mang tnh nghịch từ mặc d rất yếu [1]. 

Bảng 1. Đặc tnh của hemoglobin khử oxy v hemoglobin được oxy ha.

Độ cảm từ (magnetic susceptibility)) tỉ lệ với số điện tử khng ghp cặp N theo dạng thức N(N+2); với N= số điện tử khng ghp cặp. Thời gian hồi giản T2 v T2* tỉ lệ với bnh phương của độ cảm từ (nguồn: Dr. Kliozes lecture)..

2.2 L do tổng qut

Mu lun lưu trong cơ thể theo một hệ thống tuần hon kn (closed circulating system).

Mu giu oxy chảy từ phổi ngang  qua buồng bn tri của tim đến những m chuyển ha (metabolizing tissues)  của cơ thể (đi theo hướng xa rời tim). Mu chảy từ phổi thu ht lượng  oxy trong khng kh thng qua chất đạm ở huyết cầu tố (hemoglobin protein)  trong tế bo mu đỏ. Mu ny giu oxy, mang nhiều chất dinh dưỡng như glucose, amino acids v vitamins. Mu khử oxy chảy từ những m chuyển ha của cơ thể xuyn qua buồng tim bn phải đến buồng phổi (đi về hướng tim). Mu ny giu bicarbonate HCO3 v chất thải chuyển ha (metabolic waste) như chất ur  (urea).

Hnh 1 biểu hiện một phần của sự lun lưu ny. 

 

Hnh 1. Sự chuyển lưu của mu ở  trạng thi tĩnh với động mạch nhỏ (arterioles)  v tĩnh mạch nhỏ (venules) vận chuyển lượng oxy trong cơ thể. Sự phn phối của hemoglobin được oxy ha v hemoglobin khử oxy theo thứ tự nằm ở pha bn tri v bn phải trong hnh (Google Images). 

Hnh 1(a):

Động mạch (artery) v tĩnh mạch (vein)  đều l những mạch mu (blood vessel) vận chuyển oxy trong cơ thể. Về cấu trc, tĩnh mạch gồm c bức tường c mn cơ bắp mỏng v đn hồi. Trong khi đ động mạch c một lớp cơ bắp dy v đn hồi. Giữ động mạch dy l điều quan trọng trong việc  xử l p xuất cao của mu cung cấp từ tim (120/80 mm Hg). Tĩnh mach  mang mu thiếu oxy (khử oxy)  đến tim trong khi đ động mạch vận chuyển  mu giu oxy ra khỏi buồng tim. Tĩnh mạch khng cần phải dy v chỉ hoạt động với mu ở p xuất thấp (5 mmHg). Sự khc nhau chnh giữa động mạch v tĩnh mạch nằm ở sự kiện l tĩnh mạch lin quan đến việc loại bỏ chất phế thải từ mi trường ngoi tế bo; trong khi đ sự hoạt động của động mạch lin quan đến việc cung cấp dinh dưỡng v oxy đến tế bo trong cơ thể.  

Trong hnh ny, venule l mạch mu (vein) rất nhỏ, đặc biệt dng để thu thập mu từ mao quản (capillaries) . Tương tự như vậy, động mạch nhỏ (arteriole)  l nhnh nhỏ của động mạch (artery) dẫn vo mao quản.  

Mao quản l những mạch mu (vessels)  nhỏ c tường mỏng nối động mạch nhỏ (arterioles) với venules (tĩnh mạch nhỏ).  Qua mao quản, chất dinh dưỡng v chất phế thải c thể hon đổi giữa mu v m cơ thể (body tissues)  

Hnh 1(b) v Hnh 2(a) : triển khai cấu trc ở Hnh 1(a):

Phần c mu đỏ (pha bn tri trong hnh) dnh để cung cấp oxy (oxy Hb), trong khi đ phần mu xanh nằm pha bn phải của hnh biểu hiện sự hoạt động của hemoglobin khử oxy (deoxy-Hb).  Ở trạng thi tĩnh, neurons để vng mu xanh ở trạng thi tĩnh-khng can thiệp

Astrocyte l một tế bo lớn, hnh sao dng để giữ tế bo thần kinh (nerve cells) ở vị tr quy định v gip những tế bo ny pht triển v hoạt động theo khả năng định sẵn.  

Những tế bo nơ rn nhằm hổ trợ sự kch thch chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitter) chung quanh neurons được gọi l astrocytes. Những tế bo ny nhằm cung cấp chất dinh dưỡng v nới rộng mạch mu (vessel). Nhiều oxy v chất dinh dưỡng được chuyển tải đến những tế bo thần kinh đang hoạt động vng mu đỏ sẽ gin nở rộng lớn hơn. 

Ngay sau khi bị kch hoạt, sẽ c nhiều lượng oxy thu ht từ mao quản (capillaries), để lại một số lớn deoxy-Hb. V chng ta sẽ nghĩ l sẽ c một số lượng lớn đng kể deoxy-Hb, đưa đến sự giảm thiểu tn hiệu BOLD?  

Thế tại sao tn hiệu BOLD lại gia tăng với hoạt động của no? 

No khng tồn  trữ năng lượng; v vậy ty thuộc hon ton vo sự cung cấp năng lượng từ lượng mu cục bộ. Hầu hết những m chuyển ha đang hoạt động (metabolically active tissues)  trong cơ thể sở hữu dưới một số dạng thức như  nguồn dự trữ  oxy cục bộ v năng lương  c thể được dng đến trong giai đoạn c nhu cầu cao.  Tn hiệu BOLD sẽ cao hơn  ty thuộc vo sự gia tăng  hm lượng huyết cầu tố được oxy ha v v  sự cải thiện về  độ cảm biến từ (susceptibility artifacts)  do độ cảm ứng từ của mu  lc ny  ăn khp hơn với độ cảm ứng  từ của m.

Trở về trường hợp của lưu lượng mu.  Khi sự suy giảm của lưu lượng mu cục bộ ở no (CBF) vượt qu sự thay đỗi trong lượng oxy tiu thụ, cường độ của tn hiệu BOLD sẽ giảm. Tnh trạng ngược lại sẽ đưa đến sự gia tăng tn hiệu BOLD.

Những sự biến đổi ny c thể dương (positive) hay m (negative)  ty thuộc vo sự thay đổi  tương đối ở lưu lượng mu trong no (CBF) v tỉ suất chuyển ha của lượng oxy tiu thụ (CMRO2). Mạch mu gin nở rộng hơn, lưu lượng mu ở no CBF gia tăng nhiều hơn.  Với lượng oxy cung cấp nhiều hơn lượng oxy cần thiết, sự kiện ny sẽ đưa đến sự gia tăng oxy như được biểu hiện ở phần bn phải- mu xanh giờ trở thnh mu đỏ ở Hnh 2(c). Điều sẽ xảy ra khi sự gia tăng ở CBF vượt qu lượng tiu thụ oxy. Kết quả l tn hiệu BOLD tăng ln (sng hơn)  do sự gia tăng lượng hemoglobin được oxy ha như c thể thấy ở Hnh 2(b). 

Bắng cch thu thập dữ liệu trong MRI scanner  với sự thay đổi tuần tự  của độ cảm từ, chng ta c thể đnh gi sự thay đổi của tn hiệu BOLD.  Mặc d sự khc biệt ny rất nhỏ để c thể ghi nhận, nhưng cứ lập lại th nghiệm nhiều lần v với  phương php thống k hữu hiệu, chng ta c thể xc định vng hoạt động trong no bộ một cch đng tin cậy hơn. 

Hnh 2. Sự phn phối của hemoglobin đựợc oxy ha v hemoglobin khử oxy khi tế bo no ở trạng thi tĩnh (Hnh 2a) v trong trạng thi hoạt động (hnh 2c) . Vng kch thch sng ln v sự gia tăng hemoglobin được oxy ha (Hnh 2b).  Trong hnh ny, mao quản (capillaries)  l những mạch mu nhỏ c tường mỏng kết nối arterioles với venules (tĩnh mạch nhỏ).  Qua mao quản, chất dinh dưỡng (nutrients)  v chất phế thải (waste) c thể hon đổi giữa mu v m cơ thể (body tissues)  (Google Images). 

3. Kết từ

Cộng hưởng từ chức năng fMRI được thiết lập dựa vo sự gia tăng tn hiệu BOLD với hoạt động của no bộ. Đ mất cộng động khoa học nhiều  năm trước khi tm được l do để cắt nghĩa hiện tượng c vẻ nghịch l ny. 

Trn thực tế th oxy hay những nguồn năng lượng hầu hết đến từ lưu lượng mu cục bộ. V lượng mu ny cung cấp oxy với một số lượng rất nhiều so với số lượng đi hỏi. Kết qu l lượng mu giu oxy gia tăng đưa đến sự gia tăng tn hiệu BOLD. V khu vực c hoạt động no sẽ sng hơn l khu vực ở trạng thi tĩnh. Tương phản hnh BOLD đạt được do sự biến đổi hm lượng  mu cục bộ  của oxy-Hb đối với deoxy-Hb. Thời gian hồi gin T2* v v thế tn hiệu MRI sẽ gia tăng ở vng no hoạt động.  

Trong bi tới, người viết sẽ trnh by những kết quả thực nghiệm lin quan đến đề ti ny.

 

4. Ti liệu tham khảo

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2028-Hieu-Ung-BOLD.htm

[2] M.D. Fox and M. E. Raichle. Spontaneous fluctuations in brain activity observed with functional magnetic resonance imaging . 2007 Sep;8(9):700-11. doi: 10.1038/nrn2201.

 

February 9, 2023