پردازش تصاویر fMRI - قسمت دوم

رابطه جریان خون و فعالیت نورونی:

تصویر برداری تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI)، از این واقعیت بهره می برد که وقتی نورون ها در مغز فعال می شوند، حجم خون در آن منطقه افزایش می یابد. نقطه قابل توجه این است که خونی که به منطقه فعال مغز فرستاده می شود بیشتر از حد مورد نیاز برای رساندن اکسیژن به سلول های فعالی است که اکسیژن خود را مصرف کرده ‌اند، بنابراین جریان خون افزایش یافته در اثر فعالیت نورونی، منجربه افزایش اکسیژن محلی خون می شود. سیگنالی که در fMRI اندازه گیری می شود به این تغییرات اکسیژنی وابسته است، در نتیجه به این سیگنال وابسته به سطح اکسیژن خون، یا سیگنال BOLD گفته می شود.

شکل 1. افزایش سطح اکسیژن محلی در اطراف محل فعالیت نورونی

پاسخ همودینامیک:

پس از فعالیت نورونی، افزایش جریان خونی دریک بازه زمانی کوتاه اتفاق می‌افتد، که به آن پاسخ همودینامیک می‌گویند (شکل زیر). دو نکته در مورد پاسخ همودینامیک قابل اهمیت است، اولا پاسخ همودینامیک کند است، در حالیکه فعالیت نورونی تنها چند میلی ثانیه طول می کشد، افزایش جریان خونی که در اثر این فعالیت به وجود می‌آید در حدود 5 ثانیه طول می کشد تا به پیک خود برسد. این پیک سپس با یک فروجهش بلند ادامه می‌یابد، که تا حدود 15 تا 20 ثانیه طول می کشد تا به خط مبنا باز گردد. نکته دوم این است که می‌توان با پاسخ همودینامیک مثل یک سیستم خطی تغییر ناپذیر با زمان برخورد کرد. این موضوع در آینده با جزئیات بیشتری بیان می شود ولی ایده اصلی این است که پاسخ به قطار طولانی از فعالیت نورونی را می توان با استفاده از جمع کردن نسخه های شیفت یافته پاسخ به قطار کوتاه‌ از فعالیت نورونی تخمین زد. این خطی بودن این امکان را فراهم می کند تا یک مدل ساده آماری ساخته شود که در آن سری زمانی سیگنال همودینامیک، با استفاده از عملیات ریاضی به اسم کانولوشن، بخشی از سری زمانی فعالیت نورونی را نشان می دهد.

شکل 1. یک مثال از پاسخ همودینامیک برای 4 شخص متفاوت در ناحیه V1