Trong bài viết trước, người viết đã trình bày một số lý do tổng quát tạo nên sự gia tăng của tín hiệu BOLD với hoạt động của não [1].   

Não không tồn  trữ năng lượng; vì vậy hoạt động của não tùy thuộc hoàn toàn vào sự cung cấp năng lượng từ lượng máu cục bộ. Lưu lượng máu trong não (cerebral blood flow hay CBF) và tỉ suất chuyển hóa của lượng oxy tiêu thụ (cerebral metabolic rate of oxygen consumption hay CMRO2) đóng vai trò then chốt. Mạch máu giãn nở rộng hơn; lưu lượng máu ở não CBF cũng sẽ gia tăng nhiều hơn.  Với lượng oxy cung cấp nhiều hơn lượng oxy cần thiết, lượng oxy sẽ gia tăng – và màu xanh ở Hình 1(a) giờ trở thành màu đỏ ở Hình 1(b). Điều sẽ xảy ra khi sự gia tăng CBF vượt quá lượng tiêu thụ oxy. Kết quả là tín hiệu BOLD tăng lên do sự gia tăng lượng huyết cầu tố (hemoglobin) được oxy hóa. 

Hình 1 (a và b):  Sự phân phối của hemoglobin đựợc oxy hóa và hemoglobin khử oxy khi tế bào não ở trạng thái tĩnh (Hình 1a) và trong trạng thái hoạt động (Hình 1b). Trong hình này, mao quản (capillaries) là những mạch máu nhỏ có tường mỏng kết nối động mạch nhỏ (arterioles) với tĩnh mạch nhỏ (venules). Qua mao quản, chất dinh dưỡng (nutrients)  và chất phế thải (waste) có thể hoán đổi giữa máu và mô cơ thể (body tissues)  (Nguồn: Google Images). 

1. Sự chuyển hóa háo khí và sự chuyển hóa kỵ khí

Lượng oxy rất cao trong máu ngay khi não ở trạng thái tĩnh.  

Não bộ chỉ chiếm 2-3% trọng lượng của thân thể người lớn, nhưng tiêu thụ 20-25% tổng số lượng oxy cần thiết của toàn cơ thể.  Sự chuyển hóa ở não (cerebral metabolism) cần cả hai quá trình: háo khí (aerobic) và kỵ khí (anaerobic)  để sản xuất năng lượng cho tế bào (cellular energy) . Nói chung, sự chuyển hóa háo khí (aerobic metabolism) cho ra 34 phân tử adenosine triphosphate ATP (một chỉ tiêu về số lượng oxygen và glucose). Đây là một con số khá lớn. Trong khi đó,  sự chuyển hóa kỵ khí (anaerobic metabolism) không cần oxy và chỉ tạo được 2 phân tử ATP cho mỗi phân tử glucose (glucose molecule).  

Cơ cấu BOLD dựa vào cả hai quá trình: chuyển hóa háo khí và chuyển hóa kỵ khí. Trong quá trình chuyển hóa háo khí, lượng oxy được cung cấp nhiều hơn hàm lượng cần thiết.  

Ghi chú: chữ “aerobic”  thường dùng trong một số vận động thể dục, dùng để ám chỉ việc vận động với khí oxy (háo khí), giúp người tập thể dục có thể vận động được một thời gian dài. Trong lúc aerobic workouts, cơ thể dùng lượng oxy để tạo adenosine triphosphate - một phân tử tế bào nhằm cung cấp năng lượng trong lúc chúng ta tập thể dục.  Ngược lại chuyển hóa kỵ khí thì khác! Trong quá trình chuyển hóa này, lượng oxy sẽ không đủ để cho tế bào trong cơ thể tạo ATP dùng trong năng lượng. Thay vì vậy, lượng đường phải bị phá vỡ để cung cấp đủ năng lượng cho việc vận động và tạo một lượng dư lactate trong quá trình.

Hình 2. Quá trình chuyển hóa háo khí (aerobic metabolism)
và chuyển hóa kỵ khí (anaerobic metabolism)  (Nguồn: Malonek & Grinvald, 1998).

Trong hình 2(a), phản ứng hóa học cho thấy môt phân tử glucose cần 6 phân tử oxy. Nhưng trên thực tế , tỉ số oxygen/glucose là 5.5.

Trong hình 2(b), Malonek & Grinvald khảo sát lương huyết cầu tố được oxy hóa hay oxy-Hb (màu đỏ- màu trong thí nghiệm khi ánh sáng soi vào) và lượng huyết cầu tố khử oxy hay deoxy-Hb (màu xanh) trong não bộ con mèo (dùng optical imaging). Như chúng ta có thể thấy từ hình này, lúc đầu, có sự tiêu thụ oxy, nhưng sau đó, deoxy-Hb giảm xuống trong khi oxy-Hb tăng lên. Có nghĩa là, mặc dù có sư di chuyển lượng oxy đến vùng não bị kích hoạt, số lượng oxy này rất nhỏ so với lượng oxy đã có ban đầu (trong trạng thái tĩnh).

Trên thực tế thì nguồn năng lượng trong não hầu hết đến từ lưu lượng máu cục bộ. Và lượng máu này cung cấp với một số lượng oxy rất nhiều so với số lượng đòi hỏi. Kết quà là lượng máu với oxy gia tăng đưa đến sự gia tăng tín hiệu BOLD. Và khu vực có hoạt động não sẽ sáng hơn là khu vực não ở trạng thái tĩnh. Hình tương phản (image contrast) ở BOLD đạt được do sự biến đổi hàm lượng máu cục bộ (changing regional blood concentrations) của oxy-Hb và deoxy-Hb. Giá trị cục bộ của thời gian hồi giãn T2* cũng sẽ gia tăng ở vùng não hoạt động. Thêm vào đó, độ tương phản còn tùy thuộc vào sức mạnh từ (field strength), tần số xung (pulse sequence) và thời vang TE. 

2. Kết quả thực nghiệm về sự liên hệ giữa tín hiệu BOLD và hoạt động của não

Kết quả thực nghiệm của GS Nikos Logethetis ở Max Plack Institute cho thấy một sự liên hệ khá mật thiết giữa tín hiệu BOLD và hoạt động não (Hình 3).

Hình 3. Tín hiệu BOLD từ fMRI (màu đỏ) tương ứng khá tốt với tín hiệu của não bộ (màu đen) mặc dù có sự trì hoãn về thời gian đáp ứng (Nguồn: Nikos K. Logethetis, Max Planck Institute (2001) [2]

RMS: root mean square (indicating the existence of neural activity)

mETP: mean extracellular  field potential 

Trong hình 3, đường cong màu đỏ biểu hiện sự biến đổi tín hiệu của fMRI; trong khi đó đường cong màu đen chỉ định tín hiệu của não được ghi nhận từ những phương pháp khác. Cả hai hình đều biểu hiện một đỉnh cao (peak) mặc dù có một sự trì hoãn về thời điểm nơi sự phản ứng xảy ra.  

3. Kết từ

Đã mất cộng động khoa học nhiều  năm trước khi tìm được lý do để cắt nghĩa hiện tượng về sự gia tăng tín hiệu BOLD với hoạt động của não bộ.

Hai ông Fox và Raichle đã tìm được giải đáp sự nghịch lý của hiện tượng BOLD và  xác định rằng khi tế bào não bi kích hoạt, mạch máu nới rộng ra; lượng oxy hóa mới được cung cấp trở nên nhiều hơn lượng  máu cần thiết [3]. Sau khám phá này, nhiều lý luận và thí nghiệm đã được thực hiện; điển hình nhất là kết quả thí nghiệm của Nikos K. Logethetis. Ông này đã tìm  được một sự  tương ứng khá mật thiết giữa tín hiệu fMRI  với tín hiệu của não bộ mặc dù có sự chậm trễ về thời gian phản ứng. Kết quả này là một bằng chứng cụ thể chứng tỏ rằng cộng hưởng từ chức năng fMRI có thể dùng như một công cụ không xâm lấn hữu hiệu để khảo sát các hoạt động của não bộ.  

4. Tài liệu tham khảo

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2030-Taisao.htm

[2]A. Schurr and E. Gozal. Aerobic Production and Utilization of Lactate Satisfy Increased Energy Demands Upon Neuronal Activation in Hippocampal Slices and Provide Neuroprotection Against Oxidative Stress. Front Pharmacol. 2011: 2: 96

Published online 2012 Jan 13. doi: 10.3389/fphar.2011.00096

PMCID: PMC3257848

PMID: 22275901

[3] 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 25, 2023