Oversikt over hjernekartlegging - Outline of brain mapping

"Human Brain Mapping" omdirigerer her. For det vitenskapelige tidsskriftet, se Human Brain Mapping (journal) .

Følgende oversikt er gitt som en oversikt over og aktuell guide til hjernekartlegging:

Hjernekartlegging -sett med nevrovitenskapsteknikker basert på kartlegging av (biologiske) mengder eller egenskaper på romlige representasjoner av (menneskelig eller ikke-menneskelig) hjerne som resulterer i kart. Hjernekartlegging er videre definert som studiet av anatomi og funksjon av hjernen og ryggmargen ved bruk av avbildning (inkludert intraoperativ, mikroskopisk, endoskopisk og multimodal avbildning), immunhistokjemi, molekylær og optogenetikk, stamceller og cellulære biologi, ingeniørfag (materiale, elektrisk og biomedisinsk), nevrofysiologi og nanoteknologi.

Bredt omfang

Nevronlæren

  • Neuron doctrine - Et sett med nøye konstruerte elementære sett med observasjoner angående nevroner. For mer detaljnivå, mer oppdatert og mer avanserte emner, se cellenivå seksjon
  • Påstår at nevroner faller inn under den bredere celleteorien , som postulerer:
    • Alle levende organismer består av en eller flere celler.
    • Cellen er den grunnleggende enheten for struktur, funksjon og organisering i alle organismer.
    • Alle celler kommer fra eksisterende, levende celler.
  • Neuron -doktrinen postulerer flere elementære aspekter ved nevroner:
    • Hjernen består av individuelle celler (nevroner) som inneholder spesialiserte funksjoner som dendritter , en cellelegeme og et axon .
    • Nevroner er celler som er differensierbare fra andre vev i kroppen.
    • Nevroner varierer i størrelse, form og struktur i henhold til deres beliggenhet eller funksjonelle spesialisering.
    • Hvert nevron har en kjerne, som er det trofiske sentrum av cellen (delen som må ha tilgang til ernæring). Hvis cellen er delt, vil bare delen som inneholder kjernen overleve.
    • Nervefibre er et resultat av celleprosesser og utveksten av nerveceller. (Flere aksoner er bundet sammen for å danne en nervefibril. Se også: Neurofilament . Flere nervefibriller danner deretter en stor nervefiber. Myelin , en elektrisk isolator, dannes rundt utvalgte aksoner.
    • Neuroner genereres ved celledeling.
    • Neuroner er forbundet med kontaktsteder og ikke via cytoplasmatisk kontinuitet. (En cellemembran isolerer innsiden av cellen fra omgivelsene. Neuroner kommuniserer ikke via direkte cytoplasma til cytoplasmakontakt.)
    • Loven om dynamisk polarisering. Selv om axon kan lede i begge retninger, i vev er det en foretrukket retning for overføring fra celle til celle.
  • Elementer lagt til senere i den opprinnelige Neuron -doktrinen
    • Det finnes en barriere for overføring på stedet for kontakt mellom to nevroner som kan tillate overføring. (Synaps)
    • Overføringens enhet. Hvis det oppstår en kontakt mellom to celler, kan den kontakten enten være eksitatorisk eller hemmende , men vil alltid være av samme type.
    • Dales lov, hver nerveterminal frigjør en enkelt type nevrotransmitter.
  • Noen av de grunnleggende postulatene i Neuron -doktrinen er senere blitt stilt spørsmål ved, tilbakevist eller oppdatert. Se emner på mobilnivå for mer informasjon.

Kart-, atlas- og databaseprosjekter

  • Brain Activity Map Project 2013 NIH $ 3 milliarder prosjekt for å kartlegge hvert nevron i den menneskelige hjerne om ti år, basert på Human Genome Project.
  • NIH Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Initiative [1]
  • Fellesskapsoppsøkende nettsted for ovenfor der publikum kan kommentere [2]
  • Human Brain Project (EU) -1 milliard euro, 10-årig prosjekt for å simulere den menneskelige hjernen med superdatamaskiner.
  • BigBrain Et høyoppløselig 3D-atlas av den menneskelige hjerne opprettet som en del av HBP.
  • Human Connectome Project - NIH $ 30 millioner prosjekt i 2009 for å bygge et nettverkskart over den menneskelige hjerne, inkludert strukturelle (anatomiske) og funksjonelle elementer. Hovedvekten inkluderte forskning på dysleksi, autisme, Alzheimers sykdom og schizofreni. Se også Connectome, et omfattende kart over nevrale forbindelser i hjernen.
  • Allen Brain Atlas 2003 prosjekt på 100 millioner dollar finansiert av Paul Allen (Microsoft)
  • KOBLE TIL . Dette prosjektet samler EUs verdensledende diffusjons-MR-samfunn for å fokusere på de grunnleggende fremskrittsnøklene for langsiktig realisering av mikrostruktur og tilkoblingskartlegging av den levende menneskelige hjernen, samt utnyttelse av denne informasjonen fra medisinske og nevrovitenskapelige forskere.
  • BrainMaps National Institute of Health (NIH) database inkludert 60 terabyte med bildeskanninger av primater og ikke-primater, integrert med informasjon som dekker struktur og funksjon.
  • NeuroNames Definerer hjernen når det gjelder omtrent 550 primære strukturer (ca. 850 unike strukturer) som alle andre strukturer, navn og synonymer er knyttet til. Omtrent 15 000 neuroanatomiske termer kryssindekseres, inkludert mange synonymer på syv språk. Dekningen inkluderer hjernen og ryggmargen til de fire artene som oftest studeres av nevrovitenskapsmenn: menneske, makak (ape), rotte og mus. Det kontrollerte, standardiserte ordforrådet for hver struktur ligger i et entydig, strengt fysisk hierarki, og disse begrepene er valgt ut fra enkel uttale, mnemonisk verdi og bruksfrekvens i nyere nevrovitenskapelige publikasjoner. Forholdet mellom hver struktur og dens overbygninger og understrukturer er inkludert. Det kontrollerte vokabularet er egnet for unik indeksering av nevroanatomisk informasjon i digitale databaser.
  • Decade of the Brain 1990-1999 promotering av NIH og Library of Congress "for å øke offentlig bevissthet om fordelene som kommer fra hjerneforskning" . Kommunikasjon målrettet medlemmer av kongressen, staber og allmennheten for å fremme finansiering.
  • Talairach Atlas se Jean Talairach
  • Harvard Whole Brain Atlas ser menneskelig hjerne
  • MNI -mal se medisinsk bildedatabruk
  • Blue Brain Project og kunstig hjerne
  • International Consortium for Brain Mapping se Brain Mapping
  • Liste over nevrovitenskapelige databaser
  • NIH Toolbox National Institute of Health (USA) verktøykasse for vurdering av nevrologisk og atferdsfunksjon
  • Organization for Human Brain Mapping Organisasjonen for Human Brain Mapping (OHBM) er et internasjonalt samfunn dedikert til å bruke nevroimaging for å oppdage organisasjonen av den menneskelige hjernen.

Bilde- og opptakssystemer

Denne delen dekker bilde- og opptakssystemer. Den generelle delen dekker historie, nevroavbildning og teknikker for kartlegging av spesifikke nevrale forbindelser. Den spesifikke systemdelen dekker de forskjellige spesifikke teknologiene, inkludert eksperimentelle og vidt distribuerte bilde- og opptakssystemer.

Generell

Spesifikke systemer

  • Kortikal stimuleringskartlegging
  • Diffusjons -MR (dMRI) - inkluderer diffusjonstensoravbildning (DTI) og diffusjonsfunksjonell MR (DfMRI) . dMRI er et nylig gjennombrudd innen hjernekartlegging som tillater visualisering av kryssforbindelser mellom forskjellige anatomiske deler av hjernen. Det tillater ikke -invasiv avbildning av fiberstrukturen i hvitt materiale, og i tillegg til kartlegging kan det være nyttig i kliniske observasjoner av abnormiteter, inkludert skader fra slag.
  • Elektroencefalografi (EEG) Bruker elektroder i hodebunnen og andre teknikker for å oppdage den elektriske strømmen av strømmer.
  • Elektrokortikografi intrakranial EEG, praksisen med å bruke elektroder plassert direkte på den eksponerte overflaten av hjernen for å registrere elektrisk aktivitet fra hjernebarken.
  • Elektrofysiologiske teknikker for klinisk diagnose
  • Funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI)
  • Medisinsk image computing (hjerneforskning av ledende medisinske og kirurgiske bruksområder for kartteknologi)
  • Neurostimulering (i forskning brukes stimulering ofte i forbindelse med bildebehandling)
  • Positronemisjonstomografi (PET) en kjernefysisk medisinsk avbildningsteknikk som produserer et tredimensjonalt bilde eller bilde av funksjonelle prosesser i kroppen. Systemet oppdager par gammastråler som sendes indirekte ut av et positronemitterende radionuklid (sporstoff), som blir introdusert i kroppen på et biologisk aktivt molekyl. Tredimensjonale bilder av sporstoffkonsentrasjon i kroppen konstrueres deretter ved dataanalyse. I moderne skannere oppnås ofte tredimensjonal avbildning ved hjelp av en CT-røntgenundersøkelse utført på pasienten under samme økt, i den samme maskinen.

Komponenter for bildebehandling og innspilling

Elektrokjemisk

  • Hemodynamisk respons rask levering av blod til aktive nevronvev. Blodets oksygeneringsnivå Avhengig signal (BOLD), tilsvarer konsentrasjonen av deoksyhemoglobin. BOLD -effekten er basert på det faktum at når neuronal aktivitet økes i en del av hjernen, er det også en økt mengde cerebral blodstrøm til det området. Funksjonell magnetisk resonansavbildning aktiveres ved deteksjon av BOLD -signalet.
  • Hendelsesrelatert funksjonell magnetisk resonansavbildning kan brukes til å oppdage endringer i den oksygenivåavhengige (BOLD) hemodynamiske responsen på nevral aktivitet som reaksjon på visse hendelser.

Elektrisk

  • Hendelsesrelaterte potensielle positive og negative 10μ til 100μ Volt (μ er milliontedels) respons, målt via ikke-invasive elektroder festet til hodebunnen, som er de pålitelige og repeterbare resultatene av en bestemt spesifikk sensorisk, kognitiv eller motorisk hendelse. Disse kalles også en stereotyp elektrofysiologisk respons på en stimulans. De kalles somatosensorisk fremkalte potensialer når de fremkalles av sensoriske (vs. kognitive eller motoriske) hendelsesstimuli. Spenningssvingingssekvensene registreres og brytes ned av positive og negative, og etter hvor lenge etter stimulansen de blir observert. For eksempel er [N100] en negativ svingning observert mellom 80 og 120 millisekunder (100 er midtpunktet) etter starten av stimulus. Alternativt er spenningssvingene merket basert på rekkefølgen deres, N1 er den første negative svingen observert, N2 den andre negative svingen, etc. Se: N100 (nevrovitenskap) , N200 (nevrovitenskap) , P300 (nevrovitenskap) , N400 (nevrovitenskap) , P600 (nevrovitenskap) . De første negative og positive svingningene (se Visual N1 , C1 og P1 (nevrovitenskap) ) som respons på visuell stimulering er av særlig interesse for å studere sensitivitet og selektivitet av oppmerksomhet.

Elektromagnetisk

  • Magnetoencefalografi - en teknikk for å kartlegge hjerneaktivitet ved å registrere magnetiske felt produsert av elektriske strømmer som forekommer naturlig i hjernen, ved bruk av svært følsomme magnetometre I forskning er MEGs primære bruk måling av tidsforløp for aktivitet. MEG kan løse hendelser med en presisjon på 10 millisekunder eller raskere, mens funksjonell MR (fMRI), som er avhengig av endringer i blodstrømmen, i beste fall kan løse hendelser med en presisjon på flere hundre millisekunder. MEG peker også nøyaktig ut kilder i primære auditive, somatosensoriske og motoriske områder. For å lage funksjonelle kart over menneskelig cortex under mer komplekse kognitive oppgaver, kombineres MEG oftest med fMRI, ettersom metodene utfyller hverandre. Nevronale (MEG) og hemodynamiske (fMRI) data er ikke nødvendigvis enige, til tross for det tette forholdet mellom lokale feltpotensialer (LFP) og blodoksygeneringsnivåavhengige (BOLD) signaler

Radiologisk

  • Positronemitterende radionuklid (sporstoff). Se Positron -utslippstomografi
  • Altanserin en forbindelse som binder seg til en serotoninreseptor. Når den er merket med isotopen fluor-18, brukes den som en radioligand i positronemisjonstomografi (PET) studier av hjernen.

Visuell behandling og bildeforbedring

  • Vitenskapelig visualisering en tverrfaglig vitenskapsgren som først og fremst er opptatt av visualisering av tredimensjonale fenomener (inkludert medisinske, biologiske og andre), der det legges vekt på realistiske gjengivelser av volumer, overflater, belysningskilder og så videre, kanskje med en dynamikk (tid) komponent. Det regnes som en gren av informatikk som er en delmengde av datagrafikk. Hjernekartlegging er en ledende mottaker av fremskritt innen vitenskapelig visualisering.
  • Blobdeteksjon et område i datasyn. En blob er en region i et digitalt bilde der noen egenskaper (for eksempel lysstyrke eller farge, sammenlignet med områder som omgir disse områdene) er konstante eller varierer innenfor et foreskrevet verdiområde; alle punktene i en klatt kan på en eller annen måte betraktes som å være like hverandre

Informasjonsteknologi

  • Bestemme antall klynger i et datasett En typisk applikasjon er i datareduksjon: ettersom økningen i tidsoppløsning av fMRI -eksperimenter rutinemessig gir fMRI -sekvenser som inneholder flere hundre bilder, er det noen ganger nødvendig å påkalle funksjonsekstraksjon for å redusere dimensionaliteten til datarom.
  • Fraksjonell anisotropi et mål som ofte brukes i diffusjonsavbildning der det antas å reflektere fibertetthet, aksonal diameter og myelinisering i hvit substans. FA er en forlengelse av konseptet med eksentrisitet av kjeglesnitt i 3 dimensjoner, normalisert til enhetsområdet. Anisotropi er egenskapen til å være retningsavhengig, i motsetning til isotropi, noe som innebærer identiske egenskaper i alle retninger.
  • Generell lineær modell - en statistisk lineær modell. Det kan skrives som Y = XB +U hvor Y er en matrise med en rekke multivariate målinger, X er en matrise som kan være en designmatrise, B er en matrise som inneholder parametere som vanligvis skal estimeres, og U er en matrise inneholder feil eller støy. Det brukes ofte i analysen av flere hjerneskanninger i vitenskapelige eksperimenter der Y inneholder data fra hjerneskannere, X inneholder eksperimentelle designvariabler og forvirringer. Se også: statistisk parametrisk kartlegging
  • Resampling (statistikk) se avsnitt om permutasjonstester. Ikke -parametriske permutasjonstester brukes i fMRI.

Programvarepakker

  • Analyse av Functional NeuroImages et åpen kildekode-miljø for behandling og visning av funksjonelle MR-data
  • Cambridge Brain Analysis, et programvarelager utviklet ved University of Cambridge for funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) analyse under GNU General Public License og kjører under Linux.
  • Statistisk parametrisk kartlegging - en statistisk teknikk for å undersøke forskjeller i hjerneaktivitet registrert under funksjonelle neuroimaging -eksperimenter ved bruk av neuroimaging -teknologier som fMRI eller PET. Det kan også referere til en bestemt programvare laget av Wellcome Department of Imaging Neuroscience (en del av University College London) for å utføre slike analyser.
  • ITK-SNAP en interaktiv programvare som lar brukerne navigere i tredimensjonale medisinske bilder, manuelt avgrense anatomiske områder av interesse og utføre automatisk bildesegmentering. Den brukes oftest til å arbeide med datasett med magnetisk resonansavbildning (MR) og computertomografi (CT).
  • Den Budapest Referanse Connectome server genererer konsensus braingraphs med valgbare parametre; grafene kan lastes ned i kommentert GraphML -format, og kan også vises umiddelbart på nettstedet.

Forskere, akademikere og forskere

  • Mark S. Cohen nevrovitenskapelig professor ved UCLA. Tidlig pioner innen funksjonell hjernediagnostikk ved hjelp av magnetisk resonansavbildning (MR).
  • Anders Dale nevrovitenskapsmann og professor University of California, San Diego. Han utviklet FreeSurfer hjerneavbildningsanalyseprogramvare som letter visualisering av de funksjonelle områdene i den høyt foldede hjernebarken.
  • Pierre Flor-Henry demonstrerte i en studie av epileptisk psykose at schizofreni relaterer seg til venstre og manisk-depressive tilstander relaterer til epilepsier på høyre halvkule
  • Angela D. Friederici direktør ved Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences i Leipzig, Tyskland med en spesialisering innen nevropsykologi og lingvistikk.
  • Karl J. Friston britisk nevrovitenskapsmann og autoritet på hjernediagnostikk. Oppfinner av statistisk parametrisk kartlegging
  • Isabel Gauthier nevrovitenskapelig leder og leder for Object Perception Lab ved Vanderbilt University
  • Matthew Howard, III professor i nevrokirurgi ved University of Iowa kjent for bidrag innen kartlegging av menneskelig hjerne ved bruk av intrakranial elektrofysiologi.
  • Dr. Surbhi Jain, den første kvinnelige nevrokirurgen fra staten Rajasthan. Praksis ved Moffitt Cancer Center, Tampa, Florida, og har verdensrekord for flest pasienter behandlet med hjernekartlegging av guidet hjernekirurgi.
  • Gitte Moos Knudsen Gitte Moos Knudsen nevrobiolog og klinisk nevrologprofessor ved Københavns universitetssykehus.
  • Kenneth Kwong Forsker ved Harvard University kjent for sitt arbeid i fMRI
  • Robert Livingston (vitenskapsmann) (9. oktober 1918 - 26. april 2002) nevrovitenskapsmann i 1964 Livingston grunnla nevrovitenskapelig avdeling, den første i sitt slag i verden, ved det nybygde University of California, San Diego. Hans mest kjente forskning var innen datakartlegging og avbildning av den menneskelige hjerne. Interessen for hjernen strekker seg også til spørsmål om kognisjon, bevissthet, følelser og spiritualitet.
  • Helen S. Mayberg - professor i nevrologi og psykiatri ved Emory University. Spesialisering inkluderer avgrensning av unormal hjernefunksjon hos pasienter med alvorlig depresjon ved bruk av funksjonell nevroavbildning.
  • Geraint Rees leder for University College London Faculty of Brain Sciences
  • Sidarta Ribeiro nevrovitenskapsmann og direktør for Brain Institute ved Universidade Federal do Rio Grande do Norte
  • Perminder Sachdev Neuropsykiater professor ved University of New South Wales og direktør for Center for Healthy Brain Aging
  • Pedro Antonio Valdes-Sosa Visedirektør for det cubanske nevrovitenskapssenteret som han grunnla i 1990. Spesialiseringen hans inkluderer statistisk analyse av elektrofysiologiske målinger, nevrobilding (fMRI, EEG og MEG tomografi), ikke-lineær dynamisk modellering av hjernefunksjoner inkludert programvare og elektrofysiologisk utstyr utvikling. Medlem av redaksjonene i NeuroImage , Medicc, Audioology and Neurotology, PLosOne og Brain Connectivity.
  • Robert Turner direktør ved Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences i Leipzig, Tyskland med en spesialisering innen hjernefysikk og magnetisk resonansavbildning (MRI). Han får æren for å ha designet designet for spolene som finnes inne i hver MR -skanner.
  • Arno Villringer direktør ved Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences i Leipzig, Tyskland

Forskningsinstitusjoner

  • Laboratorium for Neuro Imaging forskningslaboratorium ved Institutt for nevrologi ved UCLA School of Medicine. Laboratoriet utfører et stort utvalg av hjernediagnostiske studier av normal hjernens anatomi og funksjon, utvikling, aldring og sykdom.
  • University of Texas Health Science Center Department of Radiology - er den nest største akademiske avdelingen i radiologiske vitenskaper i USA. Avdelingen var historisk sett det første programmet i USA som etablerte en doktorgrad. program for innbyggere i radiologi, som er kjent som Human Imaging -utdanningsprogrammet. Se også Stanford Radiology

Tidsskrifter

Se også

Se også kategorier

Notater og referanser