التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي

لاحظ مايكل فاراداي لأول مرة أن الدم المجفف ليس مغناطيسيًا و"يجب تجربة الدم السائل الحديث". في مذكراته المؤرخة في 8 نوفمبر 1845. وقد تم الاستشهاد بهذا في بولينج وكورييل (1945).

في أواخر القرن التاسع عشر، ابتكر أنجيلو موسو "ميزان الدورة الدموية البشرية"، الذي كان يقيس إعادة توزيع الدم أثناء النشاط العاطفي والفكري بطريقة غير جراحية. ^{[ 12 ]} ومع ذلك، ورغم إشارة ويليام جيمس إليه بإيجاز عام 1890، ظلت تفاصيل هذا الميزان وآلية عمله الدقيقة، بالإضافة إلى التجارب التي أجراها موسو عليه، مجهولة إلى حد كبير حتى الاكتشاف الأخير للجهاز الأصلي، فضلاً عن تقارير موسو التي نشرها ستيفانو ساندرو وزملاؤه. ^{[ 13 ]} درس أنجيلو موسو العديد من المتغيرات الحاسمة التي لا تزال ذات صلة في التصوير العصبي الحديث، مثل " نسبة الإشارة إلى الضوضاء "، والاختيار المناسب للنموذج التجريبي ، وضرورة التسجيل المتزامن لمعايير فسيولوجية مختلفة . ^{[ 13 ]} لا تقدم مخطوطات موسو دليلاً مباشراً على أن الميزان كان قادراً بالفعل على قياس التغيرات في تدفق الدم الدماغي بسبب الإدراك ، ^{[ 13 ]} ومع ذلك فقد أثبتت عملية إعادة إنتاج حديثة أجراها ديفيد تي فيلد ^{[ 14 ]} الآن - باستخدام تقنيات معالجة الإشارات الحديثة غير المتاحة لموسو - أن جهاز الميزان من هذا النوع قادر على اكتشاف التغيرات في حجم الدم الدماغي المرتبط بالإدراك.

في عام 1890، ربط تشارلز روي وتشارلز شيرينغتون، لأول مرة، وظائف الدماغ بتدفق الدم فيه تجريبيًا، وذلك في جامعة كامبريدج . ^{[ 15 ]} وكانت الخطوة التالية لحل مسألة قياس تدفق الدم إلى الدماغ هي اكتشاف لينوس باولينغ وتشارلز كورييل في عام 1936 أن الدم الغني بالأكسجين (Hb) يتنافر بشكل طفيف مع المجالات المغناطيسية، بينما ينجذب الدم الفقير بالأكسجين (dHb) إلى المجال المغناطيسي، وإن كان ذلك بدرجة أقل من العناصر المغناطيسية الحديدية كالحديد. أدرك سيجي أوغاوا في مختبرات AT&T Bell أن هذا الاكتشاف يمكن استخدامه لتعزيز التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، الذي يقتصر على دراسة البنية الثابتة للدماغ، حيث أن اختلاف الخصائص المغناطيسية لـ dHb و Hb الناتج عن تدفق الدم إلى مناطق الدماغ النشطة سيؤدي إلى تغييرات قابلة للقياس في إشارة الرنين المغناطيسي. BOLD هو تباين الرنين المغناطيسي لـ dHb، والذي اكتشفه أوغاوا في عام 1990. في دراسة رائدة أُجريت عام 1990، استنادًا إلى عمل سابق لثولبورن وآخرين، قام أوغاوا وزملاؤه بتصوير القوارض بالرنين المغناطيسي في مجال مغناطيسي قوي (7.0 تسلا ). وللتحكم في مستوى الأكسجين في الدم، قاموا بتغيير نسبة الأكسجين التي تتنفسها الحيوانات. ومع انخفاض هذه النسبة، ظهرت خريطة لتدفق الدم في الدماغ في صور الرنين المغناطيسي. وقد تحققوا من ذلك بوضع أنابيب اختبار تحتوي على دم مؤكسج أو غير مؤكسج، وإنشاء صور منفصلة. كما أظهروا أن صور صدى التدرج، التي تعتمد على شكل من أشكال فقدان المغنطة يُسمى اضمحلال T2 _* ^، تُنتج أفضل الصور. ولإثبات أن هذه التغيرات في تدفق الدم مرتبطة بنشاط الدماغ الوظيفي، قاموا بتغيير تركيبة الهواء الذي تتنفسه الفئران، وتصويرها بالرنين المغناطيسي مع مراقبة نشاط الدماغ باستخدام تخطيط كهربية الدماغ. ^{[ 16 ]} أُجريت أول محاولة للكشف عن نشاط الدماغ الإقليمي باستخدام الرنين المغناطيسي من قِبل بيليفو وزملاؤه ^{[ 17 ]} في جامعة هارفارد باستخدام عامل التباين ماغنيفست، وهي مادة بارامغناطيسية تبقى في مجرى الدم بعد الحقن الوريدي. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة ليست شائعة في التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي البشري، بسبب صعوبة حقن عامل التباين، ولأن العامل يبقى في الدم لفترة قصيرة فقط. ^{[ 18 ]} 

كانت ثلاث دراسات أُجريت عام ١٩٩٢ أول من استكشف استخدام تباين BOLD في البشر. فقد نشر كينيث كوونغ وزملاؤه، باستخدام كلٍ من تسلسل التصوير بالرنين المغناطيسي بتقنية صدى التدرج وتقنية استعادة الانعكاس بالتصوير بالرنين المغناطيسي الصدوي المستوي (EPI) عند قوة مجال مغناطيسي ١.٥ تسلا، دراساتٍ تُظهر تنشيطًا واضحًا للقشرة البصرية البشرية . ^{[ ١٩ ]} وبذلك، أظهر فريق جامعة هارفارد أن كلاً من تدفق الدم وحجمه يزدادان موضعيًا في الأنسجة العصبية النشطة. وأجرى أوغاوا وأوغوربيل دراسةً مماثلة باستخدام مجال مغناطيسي أعلى (٤.٠ تسلا) في مختبر أوغوربيل بجامعة مينيسوتا ، مما أدى إلى إنتاج صور عالية الدقة أظهرت نشاطًا يتبع إلى حد كبير المادة الرمادية للدماغ، كما هو متوقع؛ بالإضافة إلى ذلك، أظهروا أن إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي تعتمد على انخفاض في T2*، بما يتوافق مع آلية BOLD. يحدث اضمحلال T2* نتيجة فقدان النوى الممغنطة في حيز مكاني لتماسكها المغناطيسي (المغنطة المستعرضة) بسبب تصادمها واختلاف شدة المجال المغناطيسي بين المواقع (عدم تجانس المجال الناتج عن تدرج مكاني). استخدم بانديتيني وزملاؤه التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (EPI) عند 1.5 تسلا لإظهار تنشيط القشرة الحركية الأولية، وهي منطقة دماغية تقع في المرحلة الأخيرة من الدوائر العصبية المسؤولة عن التحكم في الحركات الإرادية. لا تزال المجالات المغناطيسية وتسلسلات النبضات والإجراءات والتقنيات المستخدمة في هذه الدراسات المبكرة مستخدمة في دراسات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الحالية. ولكن في الوقت الحاضر، يجمع الباحثون عادةً البيانات من شرائح أكثر (باستخدام تدرجات مغناطيسية أقوى)، ويقومون بمعالجة البيانات وتحليلها باستخدام تقنيات إحصائية. ^{[ 20 ]}

لا يخزن الدماغ كميات كبيرة من الجلوكوز، وهو مصدره الرئيسي للطاقة. عندما تنشط الخلايا العصبية، يتطلب إعادتها إلى حالتها الأصلية من الاستقطاب ضخ الأيونات بنشاط عبر أغشية الخلايا العصبية، في كلا الاتجاهين. وتُستمد الطاقة اللازمة لهذه المضخات الأيونية بشكل رئيسي من الجلوكوز. يتدفق المزيد من الدم لنقل المزيد من الجلوكوز، حاملاً معه أيضاً المزيد من الأكسجين على شكل جزيئات الهيموجلوبين المؤكسج في خلايا الدم الحمراء. وينتج هذا عن زيادة معدل تدفق الدم وتوسع الأوعية الدموية. ويقتصر تغير تدفق الدم على مسافة 2 أو 3  ملم من موضع النشاط العصبي. عادةً ما يكون الأكسجين المتدفق أكثر من الأكسجين المستهلك في حرق الجلوكوز (لم يُحسم بعد ما إذا كان معظم استهلاك الجلوكوز مؤكسداً)، مما يؤدي إلى انخفاض صافٍ في الهيموجلوبين غير المؤكسج (dHb) في الأوعية الدموية لتلك المنطقة من الدماغ. يُغير هذا من الخصائص المغناطيسية للدم، مما يجعله أقل تداخلاً مع المغنطة وتلاشيها النهائي الناتج عن عملية التصوير بالرنين المغناطيسي. ^{[ 21 ]}

يختلف تدفق الدم الدماغي (CBF) باختلاف مناطق الدماغ تبعًا لكمية الجلوكوز المستهلكة. تشير النتائج الأولية إلى أن تدفق الجلوكوز الوارد يفوق استهلاكه في مناطق مثل اللوزة الدماغية ، والعقد القاعدية ، والمهاد ، والقشرة الحزامية ، وهي جميعها مناطق تُستدعى للاستجابات السريعة. أما في المناطق التي تتطلب تفكيرًا معمقًا، كالفصين الجبهي والجداري الجانبيين ، فيبدو أن التدفق الوارد أقل من الاستهلاك، مما يؤثر على حساسية إشارة BOLD. ^{[ 22 ]}

يختلف الهيموجلوبين في استجابته للمجالات المغناطيسية، تبعًا لارتباطه بجزيء أكسجين. ينجذب جزيء الهيموجلوبين غير المؤكسج (dHb) إلى المجالات المغناطيسية بشكل أكبر، مما يؤدي إلى تشويه المجال المغناطيسي المحيط الناتج عن جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي، وبالتالي فقدان النوى لمغنطتها بسرعة أكبر عبر اضمحلال T2*. لذا، _تُظهر ^{تسلسلات} نبضات الرنين المغناطيسي الحساسة لـ T2 _* ^إشارة رنين مغناطيسي أقوى في المناطق الغنية بالأكسجين، وإشارة أضعف في المناطق الفقيرة به. ويزداد هذا التأثير مع مربع شدة المجال المغناطيسي. لذلك، تتطلب إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) مجالًا مغناطيسيًا قويًا (1.5  تسلا أو أعلى) وتسلسل نبضات مثل EPI، الحساس لتباين _T2 ^* . ^{[ 23 ]}

تُحدد استجابة تدفق الدم الفيزيولوجية إلى حد كبير الحساسية الزمنية، أي مدى دقة قياس نشاط الخلايا العصبية، في التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي المعتمد على مستوى الأكسجين في الدم (BOLD fMRI). يُرمز إلى مُعامل الدقة الزمنية الأساسي (زمن أخذ العينات) بـ TR؛ حيث يُحدد TR عدد مرات تحفيز شريحة دماغية معينة والسماح لها بفقدان مغنطتها. تتراوح قيم TR من قصيرة جدًا (500 مللي  ثانية) إلى طويلة جدًا (3  ثوانٍ). بالنسبة للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي تحديدًا، تستمر الاستجابة الديناميكية الدموية لأكثر من 10 ثوانٍ، وتزداد بشكل مضاعف (أي كنسبة من القيمة الحالية)، لتصل إلى ذروتها عند 4 إلى 6 ثوانٍ، ثم تنخفض بشكل مضاعف. تُدمج التغيرات في نظام تدفق الدم، أي الجهاز الوعائي، الاستجابات للنشاط العصبي بمرور الوقت. ولأن هذه الاستجابة دالة متصلة سلسة، فإن أخذ العينات بقيم TR أسرع لا يُفيد؛ بل يُضيف فقط المزيد من النقاط على منحنى الاستجابة الذي يُمكن الحصول عليه عن طريق الاستيفاء الخطي البسيط على أي حال. يمكن للنماذج التجريبية مثل التداخل عند تقديم المحفز في تجارب مختلفة أن تحسن الدقة الزمنية ، ولكنها تقلل من عدد نقاط البيانات الفعالة التي يتم الحصول عليها. ^{[ 24 ]}

تشير الدقة المكانية لدراسة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) إلى مدى قدرتها على التمييز بين المواقع المتقاربة. تُقاس هذه الدقة بحجم وحدات البكسل (فوكسل)، كما هو الحال في التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). وحدة البكسل عبارة عن متوازي مستطيلات ثلاثي الأبعاد، تُحدد أبعاده بسُمك الشريحة ومساحتها والشبكة المفروضة عليها أثناء عملية المسح. تستخدم دراسات الدماغ الكامل وحدات بكسل أكبر، بينما تستخدم الدراسات التي تركز على مناطق محددة أحجامًا أصغر. تتراوح الأحجام من 4 إلى 5  ملم، أو إلى أقل من المليمتر في التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ذي الدقة الطبقية (lfMRI). ^{[ 28 ]} تحتوي وحدات البكسل الأصغر على عدد أقل من الخلايا العصبية في المتوسط، وتُظهر تدفقًا دمويًا أقل، وبالتالي إشارة أضعف من وحدات البكسل الأكبر. تستلزم وحدات البكسل الأصغر أوقات مسح أطول، حيث يزداد وقت المسح طرديًا مع عدد وحدات البكسل في الشريحة وعدد الشرائح. قد يؤدي ذلك إلى شعور المريض بعدم الراحة داخل جهاز التصوير، وإلى فقدان إشارة المغنطة. تحتوي وحدة الفوكسل عادةً على بضعة ملايين من الخلايا العصبية وعشرات المليارات من المشابك العصبية ، ويعتمد العدد الفعلي على حجم الفوكسل ومنطقة الدماغ التي يتم تصويرها. ^{[ 29 ]}

يتفرع الجهاز الشرياني الوعائي الذي يزود الدماغ بالدم النقي إلى أوعية أصغر فأصغر كلما دخل سطح الدماغ ومناطقه الداخلية، وصولاً إلى شبكة شعيرية متصلة داخل الدماغ. وبالمثل، يندمج نظام التصريف في أوردة أكبر فأكبر وهو يحمل الدم المستنفد للأكسجين. وتأتي مساهمة الهيموجلوبين المختزل (dHb) في إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي من كلٍّ من الشعيرات الدموية القريبة من منطقة النشاط والأوردة المصرفة الأكبر حجماً التي قد تكون أبعد. وللحصول على دقة مكانية جيدة، يجب كبح الإشارة القادمة من الأوردة الكبيرة، لأنها لا تتوافق مع منطقة النشاط العصبي. ويمكن تحقيق ذلك إما باستخدام مجالات مغناطيسية ثابتة قوية أو باستخدام تسلسلات نبضات صدى الدوران. ^{[ 30 ]} باستخدام هذه التقنيات، يمكن للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي فحص نطاق مكاني من المليمترات إلى السنتيمترات، وبالتالي يمكنه تحديد مناطق برودمان (بالسنتيمترات)، والنوى تحت القشرية مثل النواة المذنبة ، والبطامة، والمهاد، والحقول الفرعية للحصين مثل التلفيف المسنن / CA3 ، و CA1 ، والطبقة تحت الحصين . ^{[ 31 ]}

الدقة الزمنية هي أصغر فترة زمنية للنشاط العصبي يمكن فصلها بدقة باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. أحد العوامل المؤثرة في ذلك هو زمن أخذ العينات (TR).  مع ذلك، عند زمن أخذ عينات أقل من ثانية أو ثانيتين، ينتج عن المسح منحنيات استجابة ديناميكية دموية (HR) أكثر وضوحًا فقط، دون إضافة معلومات إضافية تُذكر (على سبيل المثال، ما يتجاوز ما يمكن تحقيقه رياضيًا من خلال استكمال فجوات المنحنى عند زمن أخذ عينات أقل). يمكن تحسين الدقة الزمنية عن طريق توزيع عرض المحفزات على التجارب. فإذا تم أخذ عينات ثلث بيانات التجارب بشكل طبيعي، وثلث آخر عند  ثانية واحدة، و4  ثوانٍ، و7  ثوانٍ، وهكذا، والثلث الأخير عند ثانيتين  ، و5  ثوانٍ، و8  ثوانٍ، فإن البيانات المجمعة توفر دقة زمنية قدرها  ثانية واحدة، ولكن مع ثلث عدد الأحداث الإجمالي فقط.

تعتمد الدقة الزمنية المطلوبة على زمن معالجة الدماغ للأحداث المختلفة. ومن الأمثلة على هذا النطاق الواسع نظام المعالجة البصرية. فما تراه العين يُسجّل على مستقبلات الضوء في الشبكية في غضون جزء من الألف من الثانية تقريبًا. وتصل هذه الإشارات إلى القشرة البصرية الأولية عبر المهاد في غضون عشرات الأجزاء من الألف من الثانية. ويستمر النشاط العصبي المرتبط بعملية الرؤية لأكثر من 100  جزء من الألف من الثانية. أما رد الفعل السريع، كالانحراف لتجنب حادث سيارة، فيستغرق حوالي 200  جزء من الألف من الثانية. وبعد حوالي نصف ثانية، يبدأ الوعي بالحادث والتفكير فيه. وقد يستغرق تذكر حدث مماثل بضع ثوانٍ، بينما قد تستمر التغيرات العاطفية أو الفسيولوجية، كالشعور بالخوف، دقائق أو ساعات. أما التغيرات المكتسبة، كتمييز الوجوه أو المشاهد، فقد تستمر أيامًا أو شهورًا أو سنوات. وتدرس معظم تجارب التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي عمليات الدماغ التي تستمر لبضع ثوانٍ، حيث تُجرى الدراسة على مدى عشرات الدقائق. وقد يحرك المشاركون رؤوسهم خلال هذه الفترة، ويجب تصحيح حركة الرأس هذه، وكذلك الانحراف في إشارة خط الأساس بمرور الوقت. قد يؤدي الملل والتعلم إلى تعديل كل من سلوك الفرد وعملياته المعرفية. ^{[ 32 ]}

عندما يؤدي الشخص مهمتين في آنٍ واحد أو بشكل متداخل، يُتوقع أن تتجمع استجابة BOLD خطيًا. هذا افتراض أساسي في العديد من دراسات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي، ويستند إلى مبدأ أن الأنظمة القابلة للتفاضل باستمرار يُتوقع أن تتصرف خطيًا عند حدوث اضطرابات طفيفة؛ فهي خطية من الدرجة الأولى. يعني الجمع الخطي أن العملية الوحيدة المسموح بها على الاستجابات الفردية قبل دمجها (جمعها معًا) هي تغيير مقياس كل منها على حدة. بما أن تغيير المقياس هو مجرد ضرب في عدد ثابت، فهذا يعني أن حدثًا ما يُثير، على سبيل المثال، ضعف الاستجابة العصبية لحدث آخر، يمكن نمذجته على أنه الحدث الأول مُقدم مرتين في آنٍ واحد. وبالتالي، فإن معدل ضربات القلب للحدث المُضاعف هو ضعف معدل ضربات القلب للحدث الفردي.

بقدر ما يكون السلوك خطيًا، يمكن نمذجة المسار الزمني لاستجابة BOLD لأي محفز عن طريق دمج ذلك المحفز مع استجابة BOLD النبضية. وتُعدّ نمذجة المسار الزمني بدقة أمرًا بالغ الأهمية في تقدير حجم استجابة BOLD. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

دُرست هذه الفرضية القوية لأول مرة عام 1996 من قِبل بوينتون وزملاؤه، الذين فحصوا تأثيرات أنماط تومض 8  مرات في الثانية وتُعرض لمدة تتراوح بين 3 و24  ثانية على القشرة البصرية الأولية. وأظهرت نتائجهم أنه عند زيادة التباين البصري للصورة، ظل شكل معدل ضربات القلب ثابتًا، لكن سعته زادت بشكل متناسب. وباستثناءات قليلة، يمكن استنتاج الاستجابات للمنبهات الأطول من خلال جمع الاستجابات لمنبهات أقصر متعددة، بحيث يكون مجموعها مساويًا لنفس المدة الأطول. وفي عام 1997، اختبر ديل وباكنر ما إذا كانت الأحداث الفردية، بدلًا من مجموعات ذات مدة معينة، تتجمع بنفس الطريقة، ووجدا أنها كذلك. لكنهما وجدا أيضًا انحرافات عن النموذج الخطي في فترات زمنية أقل من ثانيتين  .

يُعزى أحد مصادر اللاخطية في استجابة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي إلى فترة الاستجابة، حيث يُثبط نشاط الدماغ الناتج عن مُحفز مُقدم النشاطَ اللاحق عند التعرض لمُحفز مُشابه. ومع قصر مدة المُحفزات، تُصبح فترة الاستجابة أكثر وضوحًا. لا تتغير فترة الاستجابة مع التقدم في العمر، وكذلك سعة معدل ضربات القلب . وتختلف هذه الفترة بين مناطق الدماغ المختلفة. ففي كلٍ من القشرة الحركية الأولية والقشرة البصرية، تتناسب سعة معدل ضربات القلب خطيًا مع مدة المُحفز أو الاستجابة. أما في المناطق الثانوية المُقابلة، وهي القشرة الحركية التكميلية المسؤولة عن تخطيط السلوك الحركي، ومنطقة V5 الحساسة للحركة، فتُلاحظ فترة استجابة قوية، وتبقى سعة معدل ضربات القلب ثابتة عبر نطاق واسع من مدد المُحفز أو الاستجابة. يُمكن استخدام تأثير فترة الاستجابة بطريقة مُشابهة للتعود لمعرفة خصائص المُحفز التي يُميزها الشخص على أنها جديدة. ^{[ 35 ]} توجد حدود أخرى للخطية بسبب التشبع: مع مستويات التحفيز الكبيرة يتم الوصول إلى أقصى استجابة BOLD.

التشويش هو تغيرات غير مرغوب فيها في إشارة الرنين المغناطيسي ناتجة عن عناصر لا تهم الدراسة. المصادر الخمسة الرئيسية للتشويش في التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي هي: التشويش الحراري، وتشويش النظام، والتشويش الفيزيولوجي، والنشاط العصبي العشوائي، والاختلافات في الاستراتيجيات الذهنية والسلوك بين الأفراد وبين المهام المختلفة لدى الشخص الواحد. يتضاعف التشويش الحراري مع شدة المجال المغناطيسي الثابت، بينما يتضاعف التشويش الفيزيولوجي مع مربع شدة المجال. ولأن الإشارة تتضاعف أيضًا مع مربع شدة المجال، ولأن التشويش الفيزيولوجي يشكل نسبة كبيرة من إجمالي التشويش، فإن شدة المجال المغناطيسي الأعلى من 3  تسلا لا تُنتج دائمًا صورًا أفضل بشكل متناسب.

تتسبب الحرارة في حركة الإلكترونات وتشويه التيار في كاشف التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي، مما ينتج عنه ضوضاء حرارية. تزداد الضوضاء الحرارية مع ارتفاع درجة الحرارة، وتعتمد أيضًا على نطاق الترددات التي يرصدها ملف الاستقبال ومقاومته الكهربائية. وتؤثر هذه الضوضاء على جميع وحدات البكسل بشكل متساوٍ، بغض النظر عن التركيب التشريحي. ^{[ 56 ]}

ينشأ تشويش النظام من أجهزة التصوير. أحد أشكاله هو انحراف الماسح الضوئي، الناتج عن انحراف مجال المغناطيس فائق التوصيل بمرور الوقت. شكل آخر هو تغيرات في توزيع التيار أو الجهد في الدماغ نفسه، مما يُحدث تغيرات في ملف الاستقبال ويقلل من حساسيته. تُستخدم عملية تُسمى مطابقة المعاوقة لتجاوز تأثير الحث هذا. قد يكون هناك أيضًا تشويش ناتج عن عدم انتظام المجال المغناطيسي. غالبًا ما يتم تعديل ذلك باستخدام ملفات ضبط المجال، وهي عبارة عن مغناطيسات صغيرة تُدخل فعليًا، مثلاً في فم الشخص الخاضع للفحص، لسد المجال المغناطيسي. غالبًا ما تكون حالات عدم الانتظام بالقرب من الجيوب الأنفية الدماغية مثل الأذن، وقد يكون سد التجويف لفترات طويلة مزعجًا. تلتقط عملية المسح إشارة الرنين المغناطيسي في فضاء k، حيث تُمثل الترددات المكانية المتداخلة (أي الحواف المتكررة في حجم العينة) بخطوط. يؤدي تحويل هذا إلى فوكسلات إلى بعض الفقد والتشوهات. ^{[ 57 ]}

ينتج التشويش الفيزيولوجي عن حركة الرأس والدماغ داخل جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي، نتيجة التنفس، ونبضات القلب، أو حركات الجسم اللاإرادية كالتململ والتوتر، أو القيام بردود فعل جسدية مثل الضغط على الأزرار. وتؤدي حركات الرأس إلى تغيير في ربط وحدات البكسل بالخلايا العصبية أثناء عملية التصوير. ويُعدّ التشويش الناتج عن حركة الرأس مشكلة خاصة عند العمل مع الأطفال، على الرغم من وجود تدابير يمكن اتخاذها للحدّ من حركة الرأس أثناء تصوير الأطفال، مثل تعديل تصميم التجربة والتدريب قبل جلسة التصوير. ^{[ 58 ]} وبما أن التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي يُجرى على شكل شرائح، فإن وحدة البكسل، بعد الحركة، تستمر في الإشارة إلى نفس الموقع المطلق في الفضاء، بينما تتغير الخلايا العصبية الموجودة أسفلها. ومن مصادر التشويش الفيزيولوجي الأخرى التغير في معدل تدفق الدم وحجمه واستهلاك الأكسجين مع مرور الوقت. ويساهم هذا المكون الأخير في ثلثي التشويش الفيزيولوجي، الذي يُعدّ بدوره المساهم الرئيسي في إجمالي التشويش. ^{[ 59 ]}

حتى مع أفضل تصميم تجريبي، لا يمكن التحكم في جميع المحفزات الخلفية الأخرى التي تؤثر على الشخص الخاضع للدراسة، مثل ضوضاء جهاز التصوير، والأفكار العشوائية، والأحاسيس الجسدية، وما شابه. فهذه المحفزات تُنتج نشاطًا عصبيًا مستقلًا عن التدخل التجريبي، ولا يمكن نمذجة هذه المحفزات رياضيًا، بل يجب التحكم فيها من خلال تصميم الدراسة.

تتغير استراتيجيات الشخص في الاستجابة للمؤثرات وحل المشكلات بمرور الوقت وبين المهام المختلفة. وينتج عن ذلك تباينات في النشاط العصبي من تجربة لأخرى لدى الشخص نفسه. كما يختلف النشاط العصبي بين الأفراد لأسباب مماثلة. غالبًا ما يُجري الباحثون دراسات تجريبية لمعرفة أداء المشاركين المعتاد في المهمة قيد الدراسة. كما يُدرّبون المشاركين عادةً على كيفية الاستجابة في جلسة تدريبية تجريبية قبل جلسة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. ^{[ 60 ]}

تُنشئ منصة الماسح الضوئي  مجسمًا ثلاثي الأبعاد لرأس الشخص الخاضع للفحص في كل دورة زمنية (TR). يتكون هذا المجسم من مصفوفة من قيم شدة البكسل، قيمة واحدة لكل بكسل في المسح. تُرتّب البكسلات واحدة تلو الأخرى، لتُشكّل البنية ثلاثية الأبعاد في خط واحد. تُدمج عدة مجسمات من جلسة واحدة لتكوين مجسم رباعي الأبعاد  يُطابق مدة الجلسة، أي الفترة الزمنية التي قضاها الشخص الخاضع للفحص داخل الماسح الضوئي دون تغيير وضعية رأسه.  يُعدّ هذا المجسم الرباعي الأبعاد نقطة البداية للتحليل، وتتمثل المرحلة الأولى من هذا التحليل في المعالجة المسبقة.

تتمثل الخطوة الأولى في المعالجة المسبقة عادةً في تصحيح توقيت الشرائح. يقوم جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي بتصوير شرائح مختلفة ضمن حجم دماغي واحد في أوقات مختلفة، وبالتالي تمثل هذه الشرائح نشاط الدماغ في نقاط زمنية مختلفة. ولأن هذا يُعقّد التحليل اللاحق، يُطبّق تصحيح التوقيت لجعل جميع الشرائح متوافقة مع نفس النقطة الزمنية المرجعية. ويتم ذلك بافتراض أن المسار الزمني لوحدة البكسل (فوكسل) يكون سلسًا عند تمثيله بخط منقط. ومن ثم، يمكن حساب قيمة شدة البكسل في أوقات أخرى خارج الإطارات المأخوذة عن طريق ملء النقاط لإنشاء منحنى متصل.

يُعدّ تصحيح حركة الرأس خطوةً شائعةً أخرى في المعالجة المسبقة. فعندما يتحرك الرأس، تتحرك الخلايا العصبية الموجودة أسفل كل فوكسل، وبالتالي يُصبح مسارها الزمني مُشابهًا إلى حد كبير لمسار فوكسل آخر في الماضي. ومن ثم، يتم فعليًا قصّ منحنى المسار الزمني ولصقه من فوكسل إلى آخر. يحاول تصحيح الحركة طرقًا مختلفةً لعكس هذا التأثير لمعرفة أيّها يُنتج مسارًا زمنيًا أكثر سلاسةً لجميع الفوكسلات. ويتمّ ذلك بتطبيق تحويل الجسم الصلب على الحجم، وذلك عن طريق إزاحة بيانات الحجم بأكملها وتدويرها لمراعاة الحركة. تتمّ مقارنة الحجم المُحوّل إحصائيًا بالحجم عند النقطة الزمنية الأولى لمعرفة مدى تطابقهما، باستخدام دالة تكلفة مثل الارتباط أو المعلومات المتبادلة . ويتمّ اختيار التحويل الذي يُعطي أقلّ دالة تكلفة كنموذج لحركة الرأس. ونظرًا لأنّ الرأس يُمكن أن يتحرك بطرقٍ مُتنوّعةٍ للغاية، فليس من الممكن البحث عن جميع الخيارات المُحتملة؛ كما لا توجد حاليًا خوارزمية تُقدّم حلًا أمثل عالميًا مُستقلًا عن التحويلات الأولى التي نُجرّبها في سلسلة التحويلات.

تُعالج تصحيحات التشوه عدم تجانس المجال المغناطيسي في الماسح الضوئي. إحدى الطرق، كما ذُكر سابقًا، هي استخدام ملفات ضبط المجال. طريقة أخرى هي إعادة إنشاء خريطة المجال الرئيسي من خلال التقاط صورتين بزمن صدى مختلف. إذا كان المجال متجانسًا، فإن الفروق بين الصورتين ستكون متجانسة أيضًا. تجدر الإشارة إلى أن هذه ليست تقنيات معالجة مسبقة حقيقية لأنها مستقلة عن الدراسة نفسها. يُعد تقدير مجال الانحياز تقنية معالجة مسبقة حقيقية تستخدم نماذج رياضية للضوضاء الناتجة عن التشوه، مثل حقول ماركوف العشوائية وخوارزميات التوقع والتعظيم ، لتصحيح التشوه.

بشكل عام، تُجري دراسات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) الحصول على صور وظيفية متعددة باستخدام تقنية fMRI، بالإضافة إلى صورة هيكلية باستخدام تقنية الرنين المغناطيسي (MRI). تتميز الصورة الهيكلية عادةً بدقة أعلى، وتعتمد على إشارة مختلفة، وهي اضمحلال المجال المغناطيسي T1 بعد الإثارة. لتحديد مناطق الاهتمام في الصورة الوظيفية، يلزم محاذاتها مع الصورة الهيكلية. حتى عند إجراء تحليل للدماغ بأكمله، يتطلب تفسير النتائج النهائية، أي تحديد المناطق التي تقع فيها وحدات البكسل النشطة، محاذاة الصورة الوظيفية مع الصورة الهيكلية. يتم ذلك باستخدام خوارزمية تسجيل مشترك تعمل بشكل مشابه لخوارزمية تصحيح الحركة، إلا أن الدقة هنا مختلفة، ولا يمكن مقارنة قيم الشدة مباشرةً لاختلاف الإشارة المُولِّدة.

تُجرى عادةً دراسات التصوير بالرنين المغناطيسي على عدة أشخاص مختلفين. ولدمج النتائج بين هؤلاء الأشخاص، يتمثل أحد الحلول في استخدام أطلس دماغي مشترك، وتعديل جميع الأدمغة لتتوافق مع هذا الأطلس، ثم تحليلها كمجموعة واحدة. ومن الأطالس الشائعة الاستخدام أطلس تالايراخ، وهو عبارة عن دماغ امرأة مسنة أنشأه جان تالايراخ ، وأطلس معهد مونتريال للأعصاب (MNI). أما الأطلس الثاني فهو خريطة احتمالية تُنشأ بدمج صور مسح لأكثر من مئة شخص. ويتم هذا التوحيد وفقًا لنموذج قياسي من خلال التحقق رياضيًا من أي توليفة من التمديد والضغط والتشويه تُقلل الفروقات بين الهدف والمرجع. ورغم أن هذا يشبه من حيث المفهوم تصحيح الحركة، إلا أن التغييرات المطلوبة أكثر تعقيدًا من مجرد النقل والدوران، وبالتالي فإن التحسين يعتمد بشكل أكبر على التحويلات الأولى في سلسلة التحويلات التي يتم فحصها.

الترشيح الزمني هو إزالة الترددات غير المرغوب فيها من الإشارة. يمكن تمثيل تغير شدة الفوكسل بمرور الوقت كمجموع عدد من الموجات المتكررة المختلفة ذات فترات وارتفاعات متباينة. يُطلق على الرسم البياني الذي تُمثل فيه هذه الفترات على المحور السيني والارتفاعات على المحور الصادي اسم طيف القدرة ، ويتم إنشاء هذا الرسم باستخدام تقنية تحويل فورييه . يتمثل الترشيح الزمني في إزالة الموجات الدورية غير المرغوب فيها من طيف القدرة، ثم جمع الموجات مرة أخرى، باستخدام تحويل فورييه العكسي لإنشاء مسار زمني جديد للفوكسل. يقوم مرشح الترددات العالية بإزالة الترددات المنخفضة، وأقل تردد يمكن تحديده بهذه التقنية هو مقلوب ضعف زمن التكرار (TR). يقوم مرشح الترددات المنخفضة بإزالة الترددات العالية، بينما يقوم مرشح تمرير النطاق بإزالة جميع الترددات باستثناء النطاق المحدد المرغوب فيه.

التنعيم، أو الترشيح المكاني، هو فكرة حساب متوسط ​​شدة وحدات البكسل المتجاورة لإنتاج خريطة مكانية سلسة لتغير الشدة عبر الدماغ أو المنطقة المستهدفة. غالبًا ما يتم حساب المتوسط ​​عن طريق الالتفاف مع مرشح غاوسي ، والذي يقوم، عند كل نقطة مكانية، بترجيح وحدات البكسل المجاورة حسب بُعدها، حيث تتناقص الأوزان أُسّيًا وفقًا لمنحنى الجرس . إذا كان المدى المكاني الحقيقي للتنشيط، أي انتشار مجموعة وحدات البكسل النشطة في الوقت نفسه، يتطابق مع عرض المرشح المستخدم، فإن هذه العملية تُحسّن نسبة الإشارة إلى الضوضاء . كما تجعل الضوضاء الكلية لكل وحدة بكسل تتبع توزيع منحنى الجرس، لأن جمع عدد كبير من التوزيعات المستقلة والمتطابقة من أي نوع يُنتج منحنى الجرس كحالة حدية. ولكن إذا كان المدى المكاني المفترض للتنشيط لا يتطابق مع المرشح، فإن الإشارة تنخفض. ^{[ 61 ]}

إحدى الطرق الشائعة لتحليل بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي هي دراسة كل فوكسل على حدة ضمن إطار النموذج الخطي العام . يفترض هذا النموذج، عند كل نقطة زمنية، أن الاستجابة الديناميكية الدموية (HR) تساوي النسخة المُقاسة والمُجمّعة للأحداث النشطة في تلك النقطة. يقوم الباحث بإنشاء مصفوفة تصميم تُحدد الأحداث النشطة في كل نقطة زمنية. إحدى الطرق الشائعة هي إنشاء مصفوفة بعمود واحد لكل حدث متداخل، وصف واحد لكل نقطة زمنية، مع تحديد ما إذا كان حدث معين، كالمحفز مثلاً، نشطًا في تلك النقطة الزمنية. بعد ذلك، يُفترض شكل محدد للاستجابة الديناميكية الدموية، بحيث يكون سعتها فقط هي القابلة للتغيير في الفوكسلات النشطة. تُستخدم مصفوفة التصميم وهذا الشكل لتوليد تنبؤ بالاستجابة الديناميكية الدموية الدقيقة للفوكسل عند كل نقطة زمنية، باستخدام عملية الالتفاف الرياضية . لا يشمل هذا التنبؤ عملية القياس المطلوبة لكل حدث قبل جمعها.

يفترض النموذج الأساسي أن معدل ضربات القلب المُلاحَظ هو معدل ضربات القلب المُتوقَّع مضروبًا في أوزان كل حدث، ثم يُجمع مع إضافة التشويش. ينتج عن ذلك مجموعة من المعادلات الخطية التي يزيد عدد معادلاتها عن عدد مجاهيلها. للمعادلة الخطية حل دقيق، في معظم الحالات، عندما يتطابق عدد المعادلات مع عدد المجاهيل. لذا، يمكن اختيار أي مجموعة فرعية من المعادلات، بحيث يساوي عددها عدد المتغيرات، وحلها. ولكن، عند إدخال هذه الحلول في المعادلات المتبقية، سيحدث عدم تطابق بين طرفي المعادلة، وهو الخطأ. يحاول نموذج GLM إيجاد أوزان القياس التي تُقلل مجموع مربعات الخطأ. تُعتبر هذه الطريقة مثالية إذا كان الخطأ مُوزَّعًا على شكل منحنى الجرس، وإذا كان نموذج القياس والجمع دقيقًا. لمزيد من الوصف الرياضي لنموذج GLM، انظر النماذج الخطية المعممة .

لا يأخذ نموذج GLM في الحسبان تأثير العلاقات بين وحدات البكسل المتعددة. فبينما تُقيّم طرق تحليل GLM ما إذا كانت سعة إشارة وحدة بكسل أو منطقة ما أعلى أو أقل في حالة معينة مقارنةً بحالة أخرى، تستخدم النماذج الإحصائية الحديثة، مثل تحليل أنماط وحدات البكسل المتعددة (MVPA)، المساهمات الفريدة لوحدات البكسل المتعددة ضمن مجموعة وحدات البكسل. في التطبيق النموذجي، يتم تدريب مُصنِّف أو خوارزمية أبسط لتمييز التجارب لحالات مختلفة ضمن مجموعة فرعية من البيانات. ثم يُختبر النموذج المُدرَّب من خلال التنبؤ بحالات البيانات المتبقية (المستقلة). ويتحقق هذا النهج عادةً من خلال التدريب والاختبار على جلسات أو عمليات مسح مختلفة. إذا كان المُصنِّف خطيًا، فإن نموذج التدريب عبارة عن مجموعة من الأوزان تُستخدم لتعديل قيمة كل وحدة بكسل قبل جمعها لتوليد رقم واحد يُحدد حالة كل تجربة في مجموعة الاختبار. لمزيد من المعلومات حول تدريب واختبار المُصنِّفات، يُرجى مراجعة التصنيف الإحصائي . ^{[ 62 ]} يسمح تحليل أنماط البكسلات المتعددة (MVPA) باستنتاج محتوى المعلومات في التمثيلات العصبية الأساسية التي تنعكس في إشارة BOLD، ^{[ 63 ]} على الرغم من وجود جدل حول ما إذا كانت المعلومات التي يكشفها هذا الأسلوب تعكس معلومات مُشفّرة على مستوى الأعمدة، أو على نطاقات مكانية أعلى. ^{[ 64 ]} علاوة على ذلك، يُعد فك تشفير المعلومات من قشرة الفص الجبهي أكثر صعوبة مقارنةً بالقشرة البصرية، وتجعل هذه الاختلافات في الحساسية بين المناطق المقارنات بينها إشكالية. ^{[ 65 ]} هناك طريقة أخرى تستخدم نفس مجموعة بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) للتعرف على الأشياء المرئية في الدماغ البشري، وتعتمد على تحليل أنماط البكسلات المتعددة (بكسلات fMRI) والتعلم متعدد الرؤى، كما هو موضح في ^{[ 66 ]،} حيث استخدمت هذه الطريقة البحث الاستدلالي والمعلومات المتبادلة لإزالة البكسلات المشوشة واختيار إشارات BOLD المهمة.

إذا كانت حالة الأساس قريبة جدًا من أقصى تنشيط، فقد لا يتم تمثيل بعض العمليات بشكل مناسب. ^{[ 73 ]} ومن القيود الأخرى على تصميم التجارب حركة الرأس، والتي يمكن أن تؤدي إلى تغييرات مصطنعة في شدة إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. ^{[ 73 ]}

في تصميم الكتل، يتم التناوب بين حالتين أو أكثر من خلال مجموعات. تستغرق كل مجموعة عددًا محددًا من عمليات مسح التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي، ويتم عرض حالة واحدة فقط داخل كل مجموعة. من خلال جعل الحالات تختلف فقط في العملية المعرفية محل الاهتمام، فإن إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي التي تميز بين الحالات يجب أن تمثل هذه العملية المعرفية محل الاهتمام. يُعرف هذا بنموذج الطرح. ^{[ 74 ]} الزيادة في إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي استجابةً للمحفز هي زيادة تراكمية. هذا يعني أن سعة الاستجابة الديناميكية الدموية (HR) تزداد عند عرض محفزات متعددة بتتابع سريع. عندما يتم التناوب بين كل مجموعة وحالة راحة يكون فيها لمعدل ضربات القلب وقت كافٍ للعودة إلى خط الأساس، يتم إدخال أقصى قدر من التباين في الإشارة. على هذا النحو، نستنتج أن تصميمات الكتل توفر قوة إحصائية كبيرة. ^{[ 75 ] [ 76 ]} ومع ذلك، هناك عيوب خطيرة لهذه الطريقة، حيث أن الإشارة حساسة للغاية لانحراف الإشارة، مثل حركة الرأس، خاصة عند استخدام عدد قليل من المجموعات. من العوامل المُقيِّدة الأخرى سوء اختيار خط الأساس، إذ قد يحول دون التوصل إلى استنتاجات ذات مغزى. كما توجد مشاكل تتعلق بعدم إمكانية تكرار العديد من المهام. ولأن كل مجموعة لا تعرض إلا حالة واحدة، فإن عشوائية أنواع المحفزات غير ممكنة داخل المجموعة الواحدة. وهذا يجعل نوع المحفز في كل مجموعة قابلاً للتنبؤ بدرجة كبيرة. ونتيجة لذلك، قد يُدرك المشاركون ترتيب الأحداث. ^{[ 75 ] [ 76 ]}

تتيح التصاميم المرتبطة بالأحداث إجراء المزيد من الاختبارات في العالم الواقعي، إلا أن القوة الإحصائية لهذه التصاميم منخفضة بطبيعتها، لأن التغير في إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (BOLD fMRI) بعد عرض محفز واحد يكون ضئيلاً. ^{[ 77 ] [ 78 ]}

يعتمد كل من التصميمات القائمة على الكتل والتصميمات المرتبطة بالأحداث على نموذج الطرح ، الذي يفترض إمكانية إضافة عمليات معرفية محددة بشكل انتقائي في ظروف مختلفة. ويُفترض أن أي اختلاف في تدفق الدم (إشارة BOLD) بين هاتين الحالتين يعكس اختلاف العملية المعرفية. إضافةً إلى ذلك، يفترض هذا النموذج إمكانية إضافة عملية معرفية بشكل انتقائي إلى مجموعة من العمليات المعرفية النشطة دون التأثير عليها. ^{[ 74 ]}

تُشكل الإشارات المتداخلة في التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي تحديًا كبيرًا في أبحاث علم الأعصاب الإدراكي، لا سيما عند عرض محفزات أو مهام متعددة في فترة زمنية متقاربة. ^{[ 79 ]} يتميز استجابة BOLD بدقة زمنية بطيئة مقارنةً بالتتابع السريع للأحداث الإدراكية. يؤدي هذا إلى تداخل الإشارات من عمليات دماغية مختلفة، مما يُصعّب التمييز بين النشاط العصبي المرتبط بمحفزات أو مهام محددة. يُقلل هذا التداخل من دقة تحليلات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي المرتبطة بالأحداث، مما يُعقّد تفسيرات وظائف الدماغ.

تواجه تصميمات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي التقليدية، مثل تصميمات الكتل أو التصميمات المرتبطة بالأحداث، قيودًا في إدارة تداخل الإشارات، لا سيما في الدراسات ذات التصميمات غير العشوائية والمتناوبة، حيث قد تظهر نفس المهام أو المحفزات بشكل متكرر ومتقارب. ^{[ 80 ]} ونتيجة لذلك، يصبح توقيت المحفزات عاملاً حاسمًا في ضمان تميز إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي من حدث ما عن الحدث التالي بشكل كافٍ.

لمعالجة هذه التحديات، يستخدم الباحثون تقنيات مثل فك الالتفاف، التي تفصل رياضيًا استجابات BOLD المتداخلة. ^{[ 81 ] [ 82 ]} في عام 2023، أوضح داس وزملاؤه طرقًا مختلفة لتحسين التوقيت بين الأحداث الفردية بحيث يمكن تقليل تداخل الإشارات الناتجة عنها والمتقاربة. ^{[ 83 ]} تحاول هذه الطرق تقدير مساهمة كل حدث عصبي في الإشارة الكلية، مما يسمح بتفسير أكثر دقة لنشاط الدماغ. تُعدّ التطورات في الأساليب التحليلية، مثل الأدوات المتخصصة لتحسين التصاميم التجريبية، بالغة الأهمية للتخفيف من آثار تداخل الإشارات وتحسين موثوقية دراسات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي.

لا يهدأ الدماغ تمامًا أبدًا. فهو لا يتوقف عن العمل وإطلاق الإشارات العصبية، فضلًا عن استهلاك الأكسجين، طالما أن الشخص على قيد الحياة. في الواقع، في دراسة ستارك وسكواير عام ٢٠٠١ ^{[ ٨٤ ]} بعنوان "عندما لا يكون الصفر صفرًا: مشكلة ظروف خط الأساس الغامضة في التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي"، كان النشاط في الفص الصدغي الإنسي (وكذلك في مناطق دماغية أخرى) أعلى بكثير أثناء الراحة مقارنةً بالعديد من ظروف خط الأساس البديلة. وكان تأثير هذا النشاط المرتفع أثناء الراحة هو تقليل النشاط أو إزالته أو حتى عكس إشارته أثناء ظروف المهام المتعلقة بوظائف الذاكرة. تُظهر هذه النتائج أن فترات الراحة مرتبطة بنشاط معرفي كبير، وبالتالي فهي ليست خط أساس مثاليًا لمهام الإدراك. ولتمييز ظروف خط الأساس وظروف التنشيط، من الضروري تفسير كم هائل من المعلومات، بما في ذلك حالات بسيطة كالتنفس. قد تؤدي الانقطاعات الدورية إلى بيانات متطابقة أو تباين آخر في البيانات إذا كان الشخص يتنفس بمعدل منتظم يبلغ نفس واحد / 5 ثوانٍ، وتحدث الانقطاعات كل 10 ثوانٍ، مما يؤدي إلى إضعاف البيانات.

توفر تقنيات التصوير العصبي، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، قياسًا لتنشيط مناطق دماغية محددة استجابةً للمهام الإدراكية التي تُؤدى أثناء عملية المسح. وتُمكّن البيانات المُستقاة خلال هذه الفترة علماء الأعصاب الإدراكيين من الحصول على معلومات حول دور مناطق دماغية معينة في الوظائف الإدراكية. ^{[ 85 ]} ومع ذلك، تبرز مشكلة عندما يدّعي الباحثون أن مناطق دماغية معينة تُحدد تنشيط عمليات إدراكية سبق تصنيفها. ^{[ 86 ]} وقد وصف بولدراك ^{[ 87 ]} هذه المشكلة بوضوح:

عادةً ما يكون نوع الاستدلال المستخلص من بيانات التصوير العصبي على شكل "إذا كانت العملية المعرفية X نشطة، فإن منطقة الدماغ Z تكون نشطة". ومع ذلك، فإن الاطلاع على أقسام المناقشة في بعض مقالات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي سيكشف بسرعة عن انتشار واسع للاستدلال الذي يتخذ الشكل التالي:

(1) في الدراسة الحالية، عندما تم تقديم مقارنة المهمة A، كانت منطقة الدماغ Z نشطة.

(2) في دراسات أخرى، عندما تم الانخراط في العملية المعرفية X، كانت منطقة الدماغ Z نشطة.

(3) وبالتالي، فإن نشاط المنطقة Z في الدراسة الحالية يوضح مشاركة العملية المعرفية X من خلال مقارنة المهمة A.

هذا "استدلال عكسي"، بمعنى أنه يستدل بشكل عكسي من وجود تنشيط الدماغ إلى انخراط وظيفة معرفية معينة.

يُظهر الاستدلال العكسي المغالطة المنطقية المتمثلة في تأكيد ما تم التوصل إليه للتو، على الرغم من إمكانية دعم هذا المنطق بحالاتٍ ينتج فيها نتيجة معينة عن حدثٍ محددٍ فقط. وفيما يتعلق بالدماغ ووظائفه، نادرًا ما يتم تنشيط منطقة دماغية معينة بعملية معرفية واحدة فقط. ^{[ 87 ]} وقد تضمنت بعض الاقتراحات لتحسين مصداقية الاستدلال العكسي زيادة انتقائية الاستجابة في منطقة الدماغ محل الاهتمام، وزيادة الاحتمالية المسبقة للعملية المعرفية المعنية. ^{[ 87 ]} ومع ذلك، يقترح بولدراك ^{[ 85 ]} أن يُستخدم الاستدلال العكسي كدليلٍ لتوجيه المزيد من البحث، وليس كوسيلة مباشرة لتفسير النتائج.

الاستدلال الأمامي هو أسلوب يعتمد على البيانات ويستخدم أنماط تنشيط الدماغ للتمييز بين النظريات المعرفية المتنافسة. وهو يشترك في بعض الخصائص مع منطق التفكك في علم النفس المعرفي والتسلسل الأمامي في الفلسفة . على سبيل المثال، يناقش هينسون ^{[ 88 ]} مساهمة الاستدلال الأمامي في جدل " نظرية العملية الواحدة مقابل نظرية العمليتين " فيما يتعلق بذاكرة التعرف . يدعم الاستدلال الأمامي نظرية العمليتين من خلال إثبات وجود نمطين مختلفين نوعيًا لتنشيط الدماغ عند التمييز بين " أحكام التذكر والمعرفة ". تكمن المشكلة الرئيسية في الاستدلال الأمامي في كونه أسلوبًا ارتباطيًا . لذلك، لا يمكن الجزم تمامًا بأن مناطق الدماغ التي يتم تنشيطها أثناء العملية المعرفية ضرورية تمامًا لتنفيذ تلك العمليات. ^{[ 85 ]} في الواقع، هناك العديد من الحالات المعروفة التي تُثبت ذلك. على سبيل المثال، ثبت تنشيط الحصين أثناء التكييف الكلاسيكي ، ^{[ 89 ]} ومع ذلك، أظهرت دراسات الآفات أن التكييف الكلاسيكي يمكن أن يحدث دون الحصين. ^{[ 90 ]}

يتميز التصوير بالرنين المغناطيسي، عمومًا، بدقة مكانية أفضل من تخطيط كهربية الدماغ (EEG) وتخطيط مغناطيسية الدماغ (MEG)، ولكنه ليس بدقة الإجراءات الجراحية مثل استخدام أقطاب أحادية الوحدة. بينما تتراوح الدقة النموذجية في حدود المليمتر، يعمل التصوير بالرنين المغناطيسي فائق الدقة أو مطيافية الرنين المغناطيسي بدقة تصل إلى عشرات الميكرومترات. يستخدم هذا النوع من التصوير  مجالات مغناطيسية بقوة 7 تسلا، وأجهزة مسح ضوئي ذات فتحة صغيرة تناسب الحيوانات الصغيرة كالفئران، وعوامل تباين خارجية مثل أكسيد الحديد الناعم. يتطلب تصوير الإنسان أجهزة مسح ضوئي ذات فتحة أكبر، مما يجعل الوصول إلى شدة مجالات مغناطيسية أعلى أكثر صعوبة، خاصةً إذا كان من الضروري توحيد المجال؛ كما يتطلب أيضًا استخدام عامل تباين داخلي مثل BOLD أو عامل تباين خارجي غير سام على عكس أكسيد الحديد.

التصوير المتوازي تقنية أخرى لتحسين الدقة المكانية، حيث تستخدم ملفات متعددة للإثارة والاستقبال. وتتحسن الدقة المكانية بالجذر التربيعي لعدد الملفات المستخدمة. ويمكن تحقيق ذلك إما باستخدام مصفوفة طورية، حيث تُدمج الملفات بالتوازي وغالبًا ما تُغطي مناطق متداخلة مع وجود فجوات في أخذ العينات، أو باستخدام مصفوفات ملفات ضخمة، وهي عبارة عن مجموعة أكثر كثافة من أجهزة الاستقبال المنفصلة عن ملفات الإثارة. ومع ذلك، فإن هذه المصفوفات تلتقط الإشارات بشكل أفضل من سطح الدماغ، وبشكل أقل جودة من التراكيب الأعمق مثل الحصين .

تُحدَّد الدقة الزمنية للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) بما يلي: (1) آلية التغذية الراجعة التي تزيد من تدفق الدم، والتي تعمل ببطء؛ (2) ضرورة الانتظار حتى يستعيد المغنطة الصافية مستواها قبل إعادة أخذ عينة من الشريحة؛ (3) ضرورة الحصول على شرائح متعددة لتغطية الدماغ بأكمله أو المنطقة المستهدفة. تعالج التقنيات المتقدمة لتحسين الدقة الزمنية هذه المشكلات. يُسرِّع استخدام ملفات متعددة وقت الحصول على البيانات بما يتناسب طرديًا مع عدد الملفات المستخدمة. تتمثل تقنية أخرى في تحديد أجزاء الإشارة الأقل أهمية وحذفها. قد تكون هذه الأجزاء هي تلك التي تتكرر كثيرًا في الخريطة المكانية (أي التجمعات الصغيرة المنتشرة دوريًا في الصورة) أو تلك التي تتكرر بشكل غير متكرر (التجمعات الأكبر). وقد اقترح غاري إتش. غلوفر وزملاؤه في جامعة ستانفورد الطريقة الأولى، وهي مرشح تمرير عالي في فضاء k. تفترض هذه الآليات أن الباحث لديه فكرة عن الشكل المتوقع لصورة التنشيط.

تستخدم تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (EPI) التقليدية بتقنية صدى التدرج ملفين متدرجين ضمن الشريحة، حيث يتم تشغيل أحدهما أولاً ثم الآخر، لرسم مجموعة من الخطوط في فضاء k. ويمكن لتشغيل كلا الملفين المتدرجين توليد خطوط مائلة، مما يغطي نفس مساحة الشبكة بسرعة أكبر. كما يمكن تشغيل كلا الملفين المتدرجين بتسلسل محدد لرسم شكل حلزوني في فضاء k. يلتقط هذا التسلسل التصويري الحلزوني الصور بسرعة أكبر من تسلسلات صدى التدرج، ولكنه يتطلب المزيد من التحويلات الرياضية (وما يترتب عليها من افتراضات) لأن التحويل إلى فضاء الفوكسل يتطلب أن تكون البيانات على شكل شبكة (مجموعة من النقاط متساوية التباعد في الاتجاهين الأفقي والرأسي).

يعتمد تباين BOLD على تدفق الدم، الذي يكون بطيئًا في الاستجابة للمؤثرات وعرضةً للتشويش. تشمل المؤشرات الحيوية الأخرى التي تُدرس حاليًا لتحسين التباين: درجة الحرارة، والحموضة/القلوية (الأس الهيدروجيني)، والمواد الحساسة للكالسيوم، والمجال المغناطيسي العصبي، وتأثير لورنتز. يعتمد تباين درجة الحرارة على تغيرات درجة حرارة الدماغ الناتجة عن نشاطه. يؤدي الاحتراق الأولي للجلوكوز إلى رفع درجة الحرارة، بينما يؤدي تدفق الدم البارد والطازج لاحقًا إلى خفضها. تُغير هذه التغيرات الخصائص المغناطيسية للأنسجة. نظرًا لصعوبة قياس التباين الداخلي، تُستخدم عوامل خارجية مثل مركبات الثوليوم لتعزيز التأثير. يعتمد التباين القائم على الأس الهيدروجيني على تغيرات التوازن الحمضي/القلوي لخلايا الدماغ عند نشاطها. غالبًا ما يتطلب هذا استخدام عامل خارجي. تجعل المواد الحساسة للكالسيوم التصوير بالرنين المغناطيسي أكثر حساسية لتركيزات الكالسيوم، حيث تُعد أيونات الكالسيوم غالبًا رسلًا لمسارات الإشارات الخلوية في الخلايا العصبية النشطة. يقيس تباين المجال المغناطيسي العصبي التغيرات المغناطيسية والكهربائية الناتجة عن إطلاق النبضات العصبية بشكل مباشر. تحاول تقنية التصوير بتأثير لورنتز قياس الإزاحة الفيزيائية للخلايا العصبية النشطة التي تحمل تيارًا كهربائيًا داخل مجال ثابت قوي. ^{[ 102 ]}

يقيس قياس شغل الحيز الوعائي (VASO) التغيرات في حجم الدم الدماغي (CBV)، وهو مؤشر أقل غموضًا للنشاط العصبي من تقنية BOLD. تتناسب شدة الإشارة عكسيًا مع CBV، حيث تبلغ التغيرات النموذجية حوالي -1.5%. ويعتمد هذا القياس على فرق زمن الاسترخاء T₁ بين الدم والأنسجة المحيطة. ^{[ 103 ]} ولأنه يُلغي إشارة الدم، فإن VASO يُزيل تأثير الأوردة الكبيرة على إشارة الرنين المغناطيسي، مما يقلل من خطر تحديد موقع النشاط الدماغي بشكل خاطئ في الأوردة المجاورة، ويحقق دقة مكانية عالية، مما يجعل هذه التقنية مناسبة تمامًا للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) الخاص بطبقات الدماغ. يسمح VASO بالقياس الكمي الموثوق للمعايير الفيزيولوجية مثل معدل استقلاب الأكسجين الدماغي أو نسبة استخلاص الأكسجين. ومع ذلك، يعاني هذا النهج من بعض القيود مقارنةً بالتقنيات التي تعتمد على إشارة BOLD. يتميز VASO عمومًا بحساسية أقل، ونسبة إشارة إلى ضوضاء (SNR) أقل، ونسبة تباين إلى ضوضاء (CNR) أقل، بالإضافة إلى انخفاض كفاءة التصوير وزيادة قابليته للتأثر بتشوهات الحركة. ^{[ 104 ]}

التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي بتقنية التوازن المستقر الحر (bSSFP): توفر هذه التقنية كفاءة عالية في نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بفضل الاستخدام الأمثل للمغنطة، مما يؤدي إلى نسبة إشارة إلى ضوضاء زمنية (tSNR) عالية. كما تتميز بانخفاض التشوه نظرًا لقراءاتها القصيرة، مما يقلل من التشوه الناتج عن الحساسية المغناطيسية وفقدان الإشارة مقارنةً بتقنية GRE-EPI. وهي متوافقة مع استراتيجيات القراءة القصيرة المتقدمة مثل التصوير متعدد اللقطات، والتصوير الحلزوني، والتصوير الشعاعي. مع ذلك، فإن تقنية bSSFP عرضة لظهور تشوهات نطاقية ناتجة عن تأثيرات عدم الرنين، ولديها آلية تباين معقدة تتأثر بـ T₂/T₁، والانتشار، وعدم الرنين. كما تميل إلى امتلاك معدل امتصاص نوعي (SAR) أعلى مقارنةً بتسلسلات GRE. ^{[ 105 ]} تقنية bSSFP ذات النطاق الترددي: يتميز هذا النوع باستجابة سعة مسطحة عبر نطاق ترددي واسع (حوالي 75% من 1/TR). يعتمد تباين هذا النوع على زمن الاسترخاء T₂، مدفوعًا بانتشار تدرجات الحساسية المغناطيسية وتغيرات T₂ داخل الأوعية الدموية، مع حساسية منخفضة لتغيرات التردد. ورغم أنه يوفر تباينًا أقل من تقنية GRE ذات زمن الصدى الطويل (TE)، إلا أنه يتميز بمقاومة فائقة لتغيرات الرنين وتعديل المجال المغناطيسي، مما يتيح تغطية فعالة للدماغ بأكمله بأقل قدر من تقلبات الطور. ويمكن استخدام زوايا قلب أكبر للعمل في نطاق تمرير الإشارة. أما تقنية bSSFP في نطاق الانتقال، فتعمل ضمن نطاق تردد ضيق (حوالي 10-15% من 1/TR) مع استجابة حادة في السعة والطور. وتعتمد حساسية إشارة BOLD فيها على التردد، حيث تُحدث تغيرات التردد الصغيرة تغيرات كبيرة في الإشارة، مما قد ينتج عنه تباين وظيفي عالٍ (10-40%). ومع ذلك، فإن هذا يجعلها تعتمد بشكل كبير على تردد الرنين الأساسي للفوكسل، وتتأثر بشدة بجودة تعديل المجال المغناطيسي، مما يُشكل تحديًا لتغطية الدماغ بأكمله دون عمليات تصوير متعددة. التطبيقات: يمكن أن تكون تقنيات bSSFP مفيدة للتصوير الخاص بالطبقات أو الدراسات التي تتطلب نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية ودقة زمنية ممتازة، خاصة في مناطق الدماغ ذات المجال المنخفض أو نسبة الإشارة إلى الضوضاء المنخفضة.

التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي متعدد الصدى والتباين (SAGE): تهدف تقنيات SAGE إلى الجمع بين الحساسية العالية لتقنية صدى التدرج المتعدد (MGE) والخصوصية الميكرووعائية لتقنية صدى الدوران (SE). فهي تلتقط في آنٍ واحد أصداء تدرج متعددة وأصداء دوران (مثل: 2 GRE، 2 SE غير متماثل، 1 SE)، مما يسمح بتحسين نسبة التباين إلى الضوضاء (CNR) ونسبة الإشارة إلى الضوضاء الزمنية (tSNR) عبر قيم T₂* المتغيرة. ويمكن ترجيح الأصداء لتسليط الضوء إما على تباين T₂*-BOLD (wT₂*)، على غرار GRE، أو على تباين T₂-BOLD (wT₂)، على غرار SE. فعلى سبيل المثال، يستخدم ترجيح wT₂* أصداء التدرج قبل إعادة التركيز وأصداء الدوران غير المتماثلة (ASEs)، بينما يستخدم ترجيح wT₂ أصداء الدوران غير المتماثلة بعد إعادة التركيز وصدى الدوران النقي. تُعدّ هذه الطريقة مفيدةً بشكلٍ خاص للدراسات التي تُركّز على وظائف الأوعية الدموية أو عند الحاجة إلى تجنّب التباين بين عمليات المسح. ومن عيوبها اعتمادها على تقنيات التسريع مثل التصوير متعدد النطاقات (MB) أو تقنية SENSE.

التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الصامت: يعتمد التصوير بتقنية "لوبينغ ستار" على تسلسل التصوير فائق السرعة ثلاثي الأبعاد ذي الدوران الشعاعي (RUFIS)، حيث يُحسّن هذا التسلسل زمن الصدى الصفري (ZTE) بإضافة إعادة تركيز التدرج متعدد الإرسال الزمني. يُمكّن هذا من الحصول على صور متعددة الصدى بعد إشارة التلاشي الحر الأولية (TE ≈ 0) لتوفير تباين BOLD الأساسي T₂*. وتتمثل ميزته الرئيسية في انخفاض الضوضاء الصوتية بشكل ملحوظ، حيث يكون أقل بحوالي 25 ديسيبل من تسلسل GRE-EPI التقليدي (انخفاض بنسبة 98%). تشمل القيود احتمالية ظهور تشوهات ناتجة عن مزج الصدى والتي تتطلب تصحيحًا، واحتمالية انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء الزمنية (tSNR) وحساسية BOLD مقارنةً بتسلسل GRE-EPI. أظهرت الدراسات أنه على الرغم من أن تقنية "لوبينغ ستار" تُحدد شبكات تنشيط مماثلة لتسلسل GRE-EPI، إلا أنها قد تُظهر مدى تنشيط أقل وقيم T أقل بسبب انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء الزمنية. ^{[ 106 ]} وُجد أن حساسية BOLD لهذه التقنية تبلغ حوالي 69.5% مقارنةً بتسلسل GRE-EPI. التطبيقات: تعتبر تقنيات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الصامتة ذات قيمة خاصة للمهام السمعية (لتجنب ضوضاء الماسح الضوئي المرتبطة بالمحفزات)، أو الدراسات التي أجريت على الأطفال، أو فحص الأشخاص الحساسين للضوضاء العالية.

• EMRF/TRTF (بيتر أ. رينك، محرر)، التصوير بالرنين المغناطيسي: مقدمة نقدية خاضعة لمراجعة الأقران، الطبعة الرابعة عشرة، 2025؛ التصوير الوظيفي ()
• جوزيف ب. هورناك، أساسيات التصوير بالرنين المغناطيسي ( متوفر عبر الإنترنت )
• ريتشارد ب. بوكستون، مقدمة في التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي: المبادئ والتقنيات ، مطبعة جامعة كامبريدج، 2002، رقم ISBN 0-521-58113-3
• روبرتو كابيزا وآلان كينغستون، محرران، دليل التصوير العصبي الوظيفي للإدراك، الطبعة الثانية ، مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، 2006، رقم ISBN 0-262-03344-5
• هوتيل، إس إيه؛ سونغ، إيه دبليو؛ مكارثي، جي، التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي، الطبعة الثانية ، 2009، ماساتشوستس: سيناور، رقم ISBN 978-0-87893-286-3