Phương pháp ghi từ não trong chẩn đoán thần kinh

ĐỊNH NGHĨA

Ghi từ não (magnetoencephalography, viết tắt là MEG) là một kỹ thuật tạo bản đồ hoạt động não không can thiệp, không xâm hại, dùng) ghi từ trường được sinh ra do hoạt động điện của não bộ. MEG có thể phân giải một vùng to chức não kích thước 2mm trong khoảng thời gian 1ms, có thể định khu và xác định đặc tính điện học của não thông qua việc đo từ trường được phát ra từ phân tổ chức não đó. Máy ghi từ não sử dụng một thiết bị cực nhậy đó là “thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn” (superconducting quantum interference devices, viết tắt là SQUIDs). MEG thường được ứng dụng trong nghiên cứu và trong điều trị. Một số chỉ định lâm sàng thường gặp là định khu ổ bệnh lý phục vụ phẫu thuật, giúp các nhà khoa học xác định chức năng của các cấu trúc khác nhau trong não, nghiên cứu đáp ứng thần kinh (neurofeedback) và nhiều vấn đề khác.

Lịch sử của MEG

Phương pháp ghi từ não được phát triển từ những năm 1960, nhưng đã và đang được hỗ trợ rất tích cực bởi những tiến bộ trong kỹ thuật vi tính, sự kết hợp giữa sự phân giải không gian và thời gian (< 1ms). Vì MEG ghi các số liệu trực tiếp từ hoạt động của bản thân các neuron thần kinh nên độ phân giải về thời gian của nó có thể so sánh với các điện cực nội sọ.

David Cohen là người đầu tiên đo MEG vào năm 1968 (khi đó còn chưa có thiết bị SQUID), tác giả chỉ sử dụng cuộn dây đồng cảm ứng làm đầu dò. Để làm giảm nhiễu từ, việc đọ MEG phải tiến hành trong phòng cách từ chuyên dụng. Nhưng do cường độ của cuộn dây đầu dò còn yếu nên tín hiệu ghi được không rõ, MEG có nhiều nhiễu và rất khó có thể ứng dụng được vào thực tế. Sau độ tác giả hoàn thiện một phòng cách từ tốt hơn và sử dụng một trong những thiết bị SQUID đầu tiên (khi đó vừa mới được Zimmerman sáng chế) để đo lại MEG. Lần này tín hiệu thu được gần rõ bằng điện não đồ, thành công này đã cổ vũ các nhà nghiên cứu khai thác tiềm năng của MEG được ứng dụng rộng rãi và hàng loạt typ MEG tự phát hoặc MEG kích thích được triển khai nghiên cứu.

Đầu tiên đầu dò SQUID chỉ được sử dụng đơn độc, sau đó số lượng đầu dò được tăng dần (từ 1980’s), mũ mang đầu dò phủ kín phần lớn đầu của bệnh nhân. Ngày nay hệ thống điện cực có hình chiếc mũ sắt và mang khoảng 300 đầu dò phủ kín hầu hết diện da đầu. Bằng cách này MEG’S của một người được ghi nhanh hơn và hiệu quả hơn (hình 8.117).

Hình 8.117. Ghi từ não

A: Sơ đồ “thiết bị giao thoa siêu dẫn lượng tử” (SQUID), máy ghi từ (magnetometer) được nối với một cuộn đầu dò (coil détection) và ngâm trong heli lỏng. Máy được đặt sát đầu bệnh nhân, kết quả thu được tính bằng volt và tỷ lệ thuận với từ trường được thăm dò.

B: Các gai nhọn điện từ (magnetic spikes) được đo tại trên 20 vị trí cảm ứng (sensor positions) được sắp xếp cách nhau 2cm.

C: Các điểm chấm biểu hiện vị trí để đo từ não.

D: Mỗi một trong 4 điểm ở cực thái dương sẽ cho một loại gai từ.

Hình 8.118. Nguồn gốc từ trường của não, dùng điện đồng thời tạo ra điện não

Nguyên lý của phương pháp ghi MEG và cơ sở của các tín hiệu MEG

Các chỉ định của MEG Mọi dòng điện đều sinh ra từ trường theo định luật bàn tay phải trong vật lý học. Định luật này cũng được ứng dụng vào trung ương thần kinh, theo đó dòng điện chạy dọc tế bào thần kinh cũng có một từ trường kèm theo. MEG ghi khi có dòng điện giữa các tế bào thần kinh trong não một cách tự phát hoặc sau một kích thích. Các tín hiệu từ có thể được đo dễ dàng với việc sử dụng cuộn dây cảm ứng. Từ trường xuất hiện và phát ra từ não có thể gây ra dòng điện trong cuộn dây, dòng điện này lại sinh ra một từ trường trong một thiết bị đặc biệt Khi thời gian thay đổi, luồng từ đi vuông góc với cuộn dây sẽ sinh ra dòng điện thay đổi theo thời gian ở trong cuộn dây. Đối với những dây kim loại thông thường, dòng điện biến đi rất nhanh ở dạng nhiệt do điện trở của dây dẫn. Vì vậy, dụng cụ đo từ sinh học lâm sàng phải sử dụng cuộn cảm ứng làm bằng sợi siêu dẫn. Cuộn cảm siêu dẫn không có điện trở, như vậy dòng điện được sinh ra trong cuộn dây vẫn để lại dấu vết ngay lập tức, mặc dù chỉ có sự thay đổi rất nhỏ về độ lớn của luồng từ tạo ra nó. Trong dụng cụ đo từ sinh học lâm sàng, cuộn cảm ứng được nối với một thiết bị siêu dẫn thứ hai. Một SQUID hoạt động như là một máy biến đổi “dòng – thành điện thế” (current – to – voltage converter) với độ nhiễu rất thấp và hiệu quả cao. Đây là thiết bị đủ nhậy để phát hiện các tín hiệu từ – thần kinh (neuromagnetic signals) dù cho chúng chỉ có độ lớn với vài fT (femto tesla).

Nguồn gốc từ trường não là dòng điện của não bộ, nó cũng đồng thời sinh ra các sóng điện não đồ. Các tín hiệu MEG và EEG xuất phát từ hiệu ứng lưới của các dòng ion lan truyền trong các đuôi gai các tế bào thần kinh và lan truyền qua si – náp. Theo phương trình Maxwell, mọi dòng điện đều sinh ra một từ trường trực giao với nó, đó chính là từ trường có thể đo được bằng MEG. Các dòng lưới có thể được coi như là các dòng lưỡng cực (current dipoles), đó là các dòng được xác định là có vị trí, định hướng và độ lớn nhưng không có lan truyền không gian. Theo định luật bàn tay phải, một dòng dipole sẽ làm xuất hiện một từ trường quanh trục vector của nó (hình 8.118).

Để phát sinh ra một tín hiệu có thể phát hiện thấy được thì cần phải có gần 50.000 tế bào thần kinh hoạt động. Vì các dòng dipoles phải có hướng như nhau để phát sinh ra các từ trường tương hô nhau, đó thường là lớp các tế bào tháp ở vỏ não, chúng thường vuông góc với bề mặt của nó và làm tăng khả năng ghi từ trường. Hơn nữa, các bó neuron thường nằm ở các rãnh cuộn não trên vỏ não và có hướng song song với bề mặt của đầu và phóng chiếu từ trường của nó ra ngoài da đầu.

Các dòng điện neuron chỉ sinh ra từ trường rất ỵếu nhưng còn ghi đươc bằng MEG. Nhưng từ trường của não còn nhỏ hơn rất nhiều (10fT đối với hoạt tính vỏ và 10^sfT đối với nhịp alpha ở người) trong khi nhiễu từ ở vùng rừng núi lại có cường độ là 10⁸ Từ đó nảy sinh ra vấn đề khó khăn trong nghiên cứụ về từ sinh học: đó là tín hiệu hữu ích yếu và sức mạnh của nhiễu từ lại lớn. Sự sáng chế thiết bị SQUID tạo điều kiện cho các cơ sở y học phân tích từ trường não và giải quyết các vấn đề nêu trên.

Cho tới giờ, phương pháp ghi từ có thể được ứng dụng để ghi từ não (MEG), tim (MCG) và từ não thai nhi (fetal magnetoencephalygraphy = fMEG).

Các chỉ định của MEG

Tìm ổ động kinh

ứng dụng lâm sàng của MEG là để phát hiện và định khu các ổ hoạt tính nhọn dạng động kinh ở các bệnh nhân động kinh và định khu các vùng vỏ não tương ứng phục vụ điều trị phẫu thuật động kinh khó trị và cắt bỏ u não. Mục tiêụ điều trị phẫu thuật động kinh là lấy bỏ phần tổ chức sinh cơn động kinh, đồng thời bảo tồn phần tổ chức não lành, tránh gây các tổn thương chức năng não khu trú.

Định vị các vùng não chức năng

Các vùng chức năng vỏ não như vận động, cảm giác, thị giác và ngôn ngữ, có ý nghĩa rất quan trọng. Kích thích vỏ não trực tiếp và điện thế kích thích cảm giác thân thế được ghi trên ECoG được coi là tiêu chuẩn vàng trong định khu các vùng chức năng não. Các kỹ thuật này có thể tiến hành trong khi mổ hoặc theo dõi lâu dài thông qua một lưới điện cực đặt dưới màng cứng, thế nhưng cả 2 phương pháp này đều là các kỹ thuật xâm hại.

Việc định khu rãnh trung tâm bằng MEG thu được do ghi từ trường kích thích cảm giác thân thể (somatosensory evoked magnetic fields) và cho thấy độ chính xác cao như các phương pháp xâm hại nói trên.

MEG giúp làm sáng tỏ phân bố chức năng của vỏ não cảm giác thân thể cấp I, xác định độ rộng của vùng xuất chiếu vỏ não cảm giác thân thể của bàn tay thông qua kích thích từng ngón tay.

Ứng dụng nghiên cứu chức năng nhận thức

Gần đây MEG cũng được ứng dụng nghiên cứu các quá trình nhận thức (như các quá trình thính giác và ngôn ngữ…).

So sánh với các kỹ thuật khác

Thông tin thu được từ MEG hoàn toàn khác so với các thông tin thu được từ phương pháp chụp cắt lớp vi tính hoặc tạo ảnh cộng hưởng từ. Trong khi 2 phương pháp trên cho ta các thông tin về cấu trúc, giải phẫu thì MEG cung cấp các thông tin bản đồ chức năng. Khả năng tạo ảnh chức năng của MEG sẽ bổ sung cho khả năng tạo ảnh giải phẫu của hai phương pháp chụp cắt lớp vi tính và chụp MRI. Sử dụng MEG, ta có thể đo được hoạt tính của não vào những thời điểm tức thì. Não bộ được quan sát trong tình trạng hoạt động (in action) chứ không chỉ được quan sát như hình ảnh cộng hưởng từ tĩnh lặng. Các số liệu của MEG cho biết chức năng của cấu trúc não cả trong tình trạng bình thường và rối loạn, sự kết hợp MEG với kỹ thuật MRI sẽ tạo ra tiềm năng ứng dụng lâm sàng đáng kể.

MEG kết hợp được lợi thế của nhiều kỹ thuật tạo hình chức năng mới khác, như điện não đồ (EEG), positron emission tomography (PET) và MRI chức năng (fMRI). Các kỹ thuật đó tuy có hại rất ít và đo được các tín hiệu sinh ra do sự thay đổi dòng máu. Tuy nhiên, trong PET các hoạt chất phúng xạ đánh dấu được tiêm vào máu của đối tượng và ở MRI chức năng, bệnh nhân sẽ phải phơi nhiễm trong từ trường tĩnh cường độ cao và một trường tần số radio thay đổi nhanh. Thời gian phân giải của PET tính bằng nhiều giây và của fMRI trong khoảng thời gian 50 – 100ms. Những thay đổi của dòng máu sẽ hạn chế thời gian phân giải của fMRI là 1s, tuy nhiên thời gian phân giải của MEG chỉ là 1ms và chứng tỏ lợi thế hơn nhiều so với các phương pháp khác có độ phân giải không gian tương đương.

So sánh EEG với MEG: mặc dù EEG và MEG đều là sản phẩm của cùng một quá trình sinh lý thần kinh, nhưng chúng cũng có những điểm khác nhau quan trọng.

+ Từ trường ít bị thay đổi so với điện trường khi xuyên qua hộp sọ, vì vậy MEG có độ phân giải không gian tốt hơn.

+ MEG ghi chọn lọc hoạt tính của các rãnh giữa các cuộn não, trong khi EEG ngoài da đầu ghi hoạt tính của cả các rãnh cuộn não và đỉnh của các cuộn vỏ não, những ưu thế đối với các hoạt tính có nguồn gốc xuyên tâm (radial sources).

+ EEG ngoài da đầu nhậy đối với các dòng điện sinh ra bởi các điện thế sau si – náp (dòng điện ngoài tế bào), trong khi MEG cơ bản phát hiện các dòng điện đi theo điện thế si – náp (dòng điện trong tế bào), vì vậy, MEG nhậy hơn với hoạt tính vỏ não nông và rất hữu ích trong nghiên cứu động kinh vỏ não mới.

+ Cuối cùng, MEG không cần cực đối chiếu, mà cực đối chiếu hoạt động có thể dẫn tới những khó khăn rất lớn khi xử lý kết quả.