Funktionell magnetisk resonansavbildning

De funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) är en metod för magnetisk resonansavbildning för visuell representation av fysiologiska förändringar i kroppen. Det är baserat på de fysiska principerna för kärnmagnetisk resonans. I smalare mening används termen i samband med undersökningen av aktiverade områden i hjärnan.

Vad är funktionell magnetisk resonansavbildning?

På grundval av magnetisk resonans tomografi (MRT) utvecklade fysikern Kenneth Kwong funktionell magnetisk resonans tomografi (fMRI) för att visualisera förändringar i aktivitet i de olika hjärnområdena. Denna metod mäter förändringar i det cerebrala blodflödet som är kopplat till förändringar i aktivitet i motsvarande områden i hjärnan via neurovaskulära kopplingar.

Denna metod använder de olika kemiska miljöerna för de uppmätta vätekärnorna i hemoglobinet med syrefattigt och syre-rikt blod. Oxygenerat hemoglobin (oxihemoglobin) är diamagnetiskt, medan syrefri hemoglobin (deoxihemoglobin) har paramagnetiska egenskaper. Skillnaderna i blodets magnetiska egenskaper kallas också BOLD-effekten (Blood Oxygenation Level Dependent Effect). De funktionella processerna i hjärnan registreras i form av en serie sektionsbilder.

På detta sätt kan förändringarna i aktivitet i de enskilda hjärnområdena undersökas genom specifika uppgifter på testämnet. Denna metod används initialt för grundläggande forskning för att jämföra aktivitetsmönster hos friska kontrollpersoner med hjärnaktiviteter hos personer med psykiska störningar. I en vidare mening inkluderar termen funktionell magnetisk resonans tomografi också kinematisk magnetisk resonans tomografi, som beskriver den rörliga representationen av olika organ.

Funktion, effekt och mål

Funktionell magnetisk resonansavbildning är en vidareutveckling av magnetisk resonansavbildning (MRT). Med klassisk MRI visas statiska bilder av motsvarande organ och vävnader, medan fMRI visar förändringar i aktivitet i hjärnan genom tredimensionella bilder när vissa aktiviteter utförs.

Med hjälp av detta icke-invasiva förfarande kan hjärnan observeras i olika situationer. Liksom med klassisk MRI, är den fysiska grunden för mätningen initialt baserad på kärnmagnetisk resonans. Genom att applicera ett statiskt magnetfält, är snurrarna på protonerna i hemoglobinet riktade i längdriktningen. Ett högfrekvent växelfält applicerat tvärs denna magnetiseringsriktning säkerställer magnetiseringens tvärböjning till det statiska fältet upp till resonans (Lamorfrekvens). Om högfrekvensfältet är avstängt, tar det en viss tid medan energi frigörs tills magnetiseringen riktar sig igen längs det statiska fältet.

Denna avkopplingstid mäts. I fMRI utnyttjas det faktum att deoxihemoglobin och oxihemoglobin magnetiseras på olika sätt. Detta resulterar i olika uppmätta värden för båda formerna, som kan hänföras till påverkan av syre. Eftersom förhållandet mellan oxyhemoglobin och deoxyhemoglobin ständigt förändras under de fysiologiska processerna i hjärnan, utförs serieinspelningar som en del av fMRI, som registrerar förändringarna hela tiden. På detta sätt kan nervcellaktiviteter visas med millimeterprecision i ett tidsfönster på några sekunder. Platsen för den neurala aktiviteten bestäms experimentellt genom att mäta den magnetiska resonanssignalen vid två olika tidpunkter.

Först sker mätningen i vilotillstånd och sedan i ett upphetsat tillstånd. Därefter genomförs jämförelsen av inspelningarna i en statistisk testprocedur och de statistiskt signifikanta skillnaderna tilldelas rumsligt. För experimentella ändamål kan stimulansen presenteras för testpersonen flera gånger. Detta innebär vanligtvis att en uppgift upprepas många gånger. Skillnaderna från jämförelsen av data från stimuleringsfasen med mätresultaten från vilofasen beräknas och representeras sedan grafiskt. Med denna procedur var det möjligt att bestämma vilka områden i hjärnan som är aktiva i vilken aktivitet. Dessutom kan skillnaderna mellan vissa hjärnområden i psykologiska sjukdomar och friska hjärnor fastställas.

Förutom grundforskning, som ger viktiga insikter om diagnos av psykologiska sjukdomar, används metoden också direkt i klinisk praxis. Det huvudsakliga kliniska användningsområdet för fMRI är lokaliseringen av språkrelaterade områden i hjärnan när man förbereder operationer för hjärntumörer. Detta för att säkerställa att detta område till stor del skonas under operationen. Ytterligare kliniska områden för tillämpning av funktionell magnetisk resonansavbildning hänför sig till bedömningen av patienter med nedsatt medvetande, såsom koma, vegetativt tillstånd eller MCS (minimal medvetenhetstillstånd).

Risker, biverkningar och faror

Trots den stora framgången med funktionell magnetisk resonans-tomografi bör denna metod också ses kritiskt med avseende på dess informativa värde. Betydande förhållanden mellan vissa aktiviteter och aktivering av motsvarande områden i hjärnan kan bestämmas. Vikten av vissa områden i hjärnan för psykologiska sjukdomar har också blivit tydligare.

Här mäts emellertid endast förändringarna i syrehalten i hemoglobinet. Eftersom dessa processer kan lokaliseras till vissa delar av hjärnan antas det att dessa områden i hjärnan också aktiveras på grund av den neurovaskulära kopplingen. Så hjärnan kan inte observeras direkt när man tänker. Det måste noteras att förändringen i blodflödet inträffar endast efter en latensperiod på några sekunder efter den neurala aktiviteten. Därför är en direkt uppdrag ibland svår. Fördelen med fMRI jämfört med andra icke-invasiva neurologiska undersökningsmetoder är den mycket bättre rumsliga lokaliseringen av aktiviteterna.

Den temporära upplösningen är dock mycket lägre. Den indirekta bestämningen av de neuronala aktiviteterna genom blodflödesmätningar och hemoglobinoxidering skapar också en viss osäkerhet. En latens på över fyra sekunder antas. Det återstår att undersöka om pålitliga neurala aktiviteter kan antas med kortare stimuli. Det finns emellertid också tekniska tillämpningsgränser för funktionell magnetisk resonans-tomografi, som bland annat baseras på det faktum att BOLD-effekten inte bara genereras av blodkärlen utan också av cellvävnaden intill kärlen.