Rezonans magnetyczny
Aktualnie najbardziej rozpowszechnionymi nieinwazyjnymi metodami neuroobrazowania w badaniach procesów poznawczych człowieka są strukturalny rezonans magnetyczny (MRI) i funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI).
Główną zaletą obu metod jest możliwość nieinwazyjnego, precyzyjnego obrazowania tkanek. W przypadku obrazowania strukturalnego (MRI) rozdzielczość przestrzenna to 1 milimetr (możemy obserwować struktury mózgowia z dokładnością rzędu milimetra). Rozdzielczość przestrzenna rezonansu funkcjonalnego jest mniejsza i wynosi zazwyczaj 3 milimetry, co znaczy, że możemy obserwować funkcjonalne działanie mózgu w skali kilku milimetrów.
Metody te opierają się na magnetycznych właściwościach atomów, z których zbudowane są komórki. Ściślej mówiąc, jądra atomów posiadające słabe właściwości magnetyczne (tzw. niezerowy spin) po umieszczeniu w polu magnetycznym zachowują się jak mikroskopijne magnesy. W jądrowym rezonansie magnetycznym wykorzystywana jest absorpcja fal elektromagnetycznych o częstotliwości radiowej przez jądra atomowe substancji stałych, ciekłych lub gazowych, o momencie magnetycznym różnym od zera, spowodowanym wpływem stałego pola magnetycznego.
W praktyce eksperymentalnej, na samym początku umieszczamy osobę badaną w aparacie rezonansu magnetycznego. Skaner dzięki wbudowanym magnesom generuje bardzo silne (choć nieszkodliwe dla organizmu) pole magnetyczne rzędu 1,5 Tesla, czyli 30 000 razy silniejsze od pola magnetycznego ziemi. W efekcie działania pola atomy wodoru, których jest najwięcej w tkankach żywych, zmieniają swobodny sposób oscylacji wokół własnej osi na równoległy do linii pola.
Następnie przy użyciu specjalnej cewki wysyłamy krótkotrwały impuls o częstotliwości radiowej (RF), który zmienia kierunek oscylacji protonów w polu magnetycznym o 90 stopni kątowych. Oznacza to, że przez krótki moment protony wytrącone są z układu, w jaki wprowadziło je pole magnetyczne skanera. Znajdują się zatem w stanie podwyższonej energii - wzbudzenia. Wyłączenie impulsu RF powoduje powrót protonów do stanu wyjściowego, równowagi. Proces ten nosi nazwę relaksacji.
Ostatni etap to rejestracja energii, jaką emitują protony wracając do równowagi oraz rekonstrukcja na tej podstawie obrazu tkanki. Uzyskanie obrazu możliwe jest dzięki temu, że w zależności od rejonów mózgowia mamy do czynienia z różną gęstością atomów wodoru oraz obecnością innych atomów. Poszczególne typy tkanek (w zależności od składu chemicznego) mają charakterystyczne dla siebie (krótsze lub dłuższe) czasy relaksacji (powrotu spinu do stanu przed wzbudzeniem). Widocznym tego efektem są różne odcienie szarości poszczególnych obszarów w obrazie mózgu po przetworzeniu sygnału. To właśnie na tej podstawie możemy zróżnicować substancję białą, szarą czy płyn mózgowo-rdzeniowy.
Był to uproszczony opis działania strukturalnego rezonansu magnetycznego. Obrazy, które uzyskujemy w opisanej procedurze są przede wszystkim używane do jakościowej oceny mózgu badanych. Uzyskiwanie obrazów funkcjonalnych opiera się na analogicznych mechanizmach jak obrazowanie strukturalne z tą różnicą, że źródłem sygnału jest zachowanie się w polu magnetycznym hemoglobiny: związanej i niezwiązanej z tlenem. Poznanie podłoża tego zjawiska pozwoliło odpowiedzieć na pytanie, dlaczego miejsca bardziej aktywne wysyłają inny sygnał niż te, które nie są zaangażowane w wykonywanie określonego zadania.
Otóż, obszary mózgu aktywne w danej sytuacji mają większe zapotrzebowanie na tlen, ponieważ intensywnie pracujące komórki nerwowe wymagają większych jego ilości, w celu uzyskiwania energii. Za jego transport wraz z krwią odpowiedzialna jest hemoglobina. Różnica w sygnale rejestrowanym przez skaner bierze się stąd, iż oksyhemoglobina posiada inne właściwości magnetyczne niż jej forma niezwiązana z tlenem (dezoksyhemoglobina). Dokładniej rzecz biorąc, ta pierwsza jest słabym diamagnetykiem i ma znikomy wpływ na pole magnetyczne. Zaś druga, ma właściwości paramagnetyczne (zmniejsza intensywność emitowanego sygnału). Pod wpływem radiowego impulsu elektromagnetycznego o swoistej rezonującej częstotliwości żelazo odtlenowanej hemoglobiny emituje więc słabszy sygnał rezonansowy niż żelazo oksyhemoglobiny.
W literaturze przedmiotu zależność intensywności sygnału MRI od poziomu natlenienia krwi określa się terminem BOLD (z ang. blood oxygen level dependent). Ważnym jest, żeby podkreślić, iż nasilenie przepływu krwi przez okolicę o wzmożonej aktywności nerwowej, nie wiąże się z proporcjonalnym zwiększeniem zużycia tlenu przez tkankę. W efekcie w pobudzonych obszarach znajduje się nieco więcej oksyhemoglobiny, która jak już wiemy jest źródłem silniejszego sygnału.
Standardowe badanie z wykorzystaniem fMRI składa się z kilku sekwencji. Pierwszą jest tzw. skanowanie lokalizacyjne. Jest to pobranie strukturalnego obrazu mózgu w płaszczyźnie strzałkowej, zwykle w kilkunastu warstwach o grubości kilku milimetrów. W wyniku tej sekwencji otrzymujemy kilkanaście obrazów z poszczególnymi warstwami mózgu, z których wybierany jest ten, na którym najlepiej widać spoidła: przednie i tylne. Na tym też przekroju ustala się płaszczyzny skanowania we wszystkich pozostałych sekwencjach.
Kolejna część badania to sekwencja T1. Jej wynikiem jest obraz strukturalny - o dużej rozdzielczości przestrzennej - całego mózgu. Rozdzielczość w tym przypadku należy rozumieć jako dokładność otrzymanego obrazu bryły mózgu. Zwykle skanuje się mózg w kilkunastu- do kilkudziesięciu - warstwach, o grubości kilku milimetrów.
Następną sekwencją jest skanowanie funkcjonalne (tzw. sekwencja EPI). Umożliwia ona rejestrację zmiany aktywności mózgu podczas wykonywania określonego zadania przez osobę badaną. Należy ustalić gdzie i o jakiej grubości będą przebiegały warstwy skanowania. Zwykle ustala się takie parametry, aby można było zarejestrować aktywność obszarów istotnych z punktu widzenia specyfiki zadań wykonywanych przez badanego, jednocześnie nie tracąc wiele na rozdzielczości obrazu.
Obraz mózgu pochodzący z sekwencji EPI ma jednak dużo słabszą rozdzielczość od obrazu strukturalnego. Jednakże, w czasie jednej sekwencji funkcjonalnej skaner może zarejestrować sygnał z całego obszaru interesującego badacza nawet po kilkadziesiąt razy. Jednorazowe zeskanowanie wybranego obszaru mózgu trwa - przy zastosowaniu zalecanych standardów - 2-3 sekundy. Skanowanie jest powtarzane kilkadziesiąt razy.
Ostatnią sekwencją podczas badania fMRI jest pobieranie obrazów strukturalnych z dokładnie tych samych warstw, w których skanowano mózg podczas sekwencji EPI. Są to tzw. obrazy referencyjne (strukturalne), które charakteryzują się lepszą rozdzielczością przestrzenną, co znajduje zastosowanie na etapie analizy danych.
W celu właściwej interpretacji i rozumienia znaczenia wyników pochodzących z badań z wykorzystaniem neuroobrazowania, trzeba mieć na uwadze przede wszystkim fakt, że wykonanie każdego, nawet najprostszego zadania angażuje równocześnie wiele struktur i wymaga skomplikowanych interakcji pomiędzy różnymi obszarami. Nasz mózg nieustannie jest aktywny, równolegle w bardzo wielu rejonach. Nieodzowną czynnością jest więc odpowiednie dobranie warunku kontrolnego (spoczynkowego).
Porównuje się więc aktywność uzyskaną z dwóch sytuacji: zadaniowej i kontrolnej. Po „odjęciu” od siebie tych obrazów, uzyskuje się aktywność mózgu związaną z wpływem interesującego nas procesu. Na tych właśnie założeniach opiera się tak zwany blokowy schemat eksperymentu.
Usiłując powiązać pojawiającą się w mózgu aktywność z momentem rozpoczęcia i zakończenia zadania przez badanego, należy zwrócić uwagę na fakt, iż reakcje ośrodkowego układu nerwowego, w zależności od modalności bodźca, oscylują wokół kilkuset milisekund. Sygnał BOLD - odpowiadający wzrostowi aktywności nerwowej - można zaobserwować dopiero po około 2 sekundach. Jego maksymalna wartość jest rejestrowana dopiero po 4-6 sekundach od pojawienia się bodźca. Parametry te nazwano odpowiedzią hemodynamiczną, polegającą na rozszerzeniu naczyń krwionośnych i napływie utlenowanej krwi bogatej w oksyhemoglobinę.
Od otrzymania surowych danych, będących efektem przetworzenia sygnału ze skanera na pliki z obrazami poszczególnych warstw, do uzyskania wizualizacji wyników prowadzi wieloetapowa i złożona analiza danych. Standardowy proces składa się z trzech etapów: obróbki wstępnej, analizy statystycznej oraz wizualizacji wyników.
Obróbka wstępna składa się z trzech kroków. Pierwszy z nich polega na korekcji ruchów głowy badanego. Drugim jest normalizacja, która polega na przekształceniu obrazu bryły mózgu określonej osoby w taki sposób, by jego parametry były jak najbardziej zbliżone do parametrów mózgu standardowego. Ostatni krok to wygładzenie przestrzenne.
Analiza statystyczna polega na przeprowadzeniu porównań dla pojedynczych wokseli, czyli najmniejszej jednostki pobieranych obrazów. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że podstawowa analiza polega na odejmowaniu tak zwanego warunku kontrolnego od warunku eksperymentalnego, co daje możliwość zakładania, iż otrzymana aktywacja jest wynikiem tylko jednego działania psychicznego.
Wizualizacja otrzymanych wyników opiera się na naniesieniu otrzymanych aktywacji na obraz standardowego mózgu lub na obraz strukturalny mózgu badanej osoby. Na tym etapie badacze posługują się atlasami anatomicznymi, aby ocenić które ze struktur zostały aktywowane w czasie określonego warunku eksperymentalnego.
Rozpatrując zalety i wady metody funkcjonalnego rezonansu magnetycznego nie sposób jest przeoczyć bezinwazyjność. Do krwi osoby badanej nie podaje się żadnych znaczników radioaktywnych, ani innych substancji mogących ingerować w funkcjonowanie organizmu. Pole magnetyczne stosowane w badaniu MRI, jak już zostało wspomniane, jest nieszkodliwe dla tkanek.
Ponadto sama sesja eksperymentalna nie jest uciążliwa dla osób badanych. Istotne jest, żeby uczestnicy nie miały w organizmie żadnych metalowych elementów, ponieważ powodują one artefakty w otrzymywanych obrazach. Przeciwwskazaniem jest także klaustrofobia osoby badanej.
Jeśli chodzi o rozdzielczość czasową to fMRI posiada znacznie gorsze parametry w porównaniu z rejestracją procesów neuronalnych za pomocą EEG. Przewyższa ją jednak w kwestii rozdzielczości przestrzennej.
Funkcjonalny rezonans magnetyczny stał się najbardziej popularną metodą badania aktywności mózgu. Ciekawym przykładem jego zastosowania jest wyjaśnienie zjawisk związanych z plastycznością mózgu.
Często zdarza się, że osoby, które w skutek amputacji ręki lub nogi doświadczają tzw. fantomowych kończyn. Badacze odkryli, że stymulując delikatnie twarz badanego można wywołać u niego wrażenie dotykowe nie bezpośrednio na dotykanej części ciała, lecz na kończynie fantomowej. Odkryto także możliwość „mapowania” fantomowej ręki na policzku badanego.
Zagadka ta została rozwiązana przy pomocy badania fMRI. Dowiedziono, że opisany stan został spowodowany reorganizacją kory czuciowej. Obszary reprezentujące policzek zostały tak rozbudowane, że „zajęły” część kory reprezentującą utraconą kończynę.
Za pomocą fMRI dowiedziono, więc, że istotnym elementem zmian plastycznych w mózgu, zachodzących pod wpływem przerwania dopływu określonego rodzaju bodźców, jest reorganizacja map korowych. Daje to doskonałe wyobrażenie jakże duże możliwości poznawcze przyniosło wynalezienie metody fMRI.