bélyegkép|jobb|Egy mágneses rezonancia scan bélyegkép|Az agy fMRI-vizsgálata A funkcionális MRI vagy funkcionális mágneses rezonanciavizsgálat (fMRI) az MRI vizsgálat egy specializált típusa, amely az idegi aktivitással összefüggésben lévő hemodinamikus választ méri az emberek és állatok agyában vagy gerincvelejében. Ez az eljárás a legújabban kifejlesztett képalkotóformák egyike. Az 1990-es évek elejétől kezdve az fMRI domináns módszerré vált az agy feltérképezésének területén, mely annak tulajdonítható, hogy nem invazív eljárás, nem használ radioaktivitást, valamint viszonylag széleskörűen hasznosítható.Poldrack, R.A. (2008). The role of fMRI in cognitive neuroscience: where do we stand? Current opinion in neurobiology, 223-227.
Háttér
Az 1890-es évek óta (Roy és Sherrington, 1890) ismeretes, hogy az agyi véráramlás és véroxigénszint változásai szoros összefüggésben állnak az idegi aktivitással. Amikor az idegsejtek aktívak, oxigént használnak fel, melyet a vörösvértestben lévő hemoglobin szállít el a helyi kapillárisoktól. A válasz erre az oxigénfelhasználásra a felerősödött véráramlás a megnőtt aktivitású területeken, amely az idegi aktivitás után hozzávetőlegesen 1-5 másodperc késéssel jelentkezik. Ez az úgynevezett hemodinamikus válasz 4-5 másodperc után éri el a tetőfokot, mígnem visszaesik az alapszintre (és jellemzően rövid ideig az alá is). Ez helyi változásokhoz vezet nemcsak az oxihemoglobin és a dezoxihemoglobin relatív koncentrációjában, hanem az adott agyterület vérmennyiségében és véráramlásában is.
A vér-oxigén-szint függő (Blood-oxygen-level dependent) vagy más néven BOLD fMRI egy olyan módszer, mely lehetővé teszi, hogy megfigyeljük, hogy az agy mely területei aktívak adott időben. Ezt először dr. Seiji Ogawa találta fel 1990-ben, majd 1992-től követte munkásságát dr. Kenneth Kwong. A neuronok nem rendelkeznek belső tartalék energiával glükóz és oxigén formájában, így a sejtek tüzelése még nagyobb energiaszükségletet eredményez. Egy úgynevezett hemodinamikus válasz-folyamaton keresztül a vér nagyobb mértékben szállít oxigént az aktív, mint az inaktív neuronokhoz. A mágneses érzékenységben lévő különbség az oxihemoglobin és a dezoxihemoglobin között, és így az oxigéndús és az oxigénszegény vér között, a mágneses jel változásához vezet, melyet MRI szkennerrel detektálhatunk. Statisztikai módszerekkel lehetőség nyílik meghatározni, hogy az agy mely területei aktívak a gondolatok, mozgások és élmények alatt.
A legtöbb fMRI-vizsgálat a BOLD-ot használja annak megállapítására, hogy hol fordul elő aktivitás az agyban különböző élmények eredményeként. Léteznek más módszerek, melyek az idegi aktivitás közvetlen mérését tűzték ki célul (Például az Oxygen Extraction Fraction, vagy OEF – Oxigén kivonási hányad – mérése az agy régióiban, azt vizsgálja, hogy a vérben mennyi oxihemoglobin alakul át dezoxihemoglobinná) Azonban az elektromágneses mezőt kiváltó aktív vagy tüzelő neuronok nagyon gyengék, a jel-zaj arány rendkívül alacsony és a statisztikai eljárások gyakran eltávolítják a mérendő jel egy részét. Így ezek a módszerek mostanáig túlnyomórészt sikertelenek.
A BOLD és az idegi aktivitás kapcsolata
A mai napig vizsgálják a pontos kapcsolatot az idegi jelek és a BOLD között. Általában a BOLD jelekben beállt változások viszonylag jól korrelálnak a véráramlás változásaival. Az elmúlt néhány évtizedben számos tanulmány állapított meg kapcsolatot a véráramlás és a metabolikus arány között, mely szerint a vérellátás szigorúan szabályozott az agyi anyagcsere táplálékbiztosításában. Az idegtudósok több közvetlen kapcsolat után kutattak a vérellátás és az idegi bemenet/kimenet között, hogy megfejtsék, kapcsolatba hozható-e a megfigyelt elektromos aktivitás és az agyműködés cirkuláris modellje.
Míg az elterjedt nézetek szerint a lokális mezőpotenciál – az integrált elektromos aktivitás egy mutatója – erősebb korrelációt mutat a véráramlással, addig az akciós potenciál csúcsa az idegi kommunikációval áll közvetlenebb kapcsolatban.
Néhány mai eredmény alapján elmondható, hogy az idegi aktivitást követő felerősödött véráramlás nem okozati kapcsolatban áll az agyi régiók anyagcsere igényével, hanem inkább a neurotranszmitterek, különösen a glutamát irányítja.
Néhány további eredmény szerint a kezdeti kicsi, negatív irányú esés a fő pozitív irányú BOLD jel előtt pontosabban lokalizált és szintén korrelál a mért hely oxigénkoncentrációjában beállt csökkenéssel. Ezt a pontosabban lokalizált, negatív BOLD jelet használva lehetőség nyílt felvételt készíteni az ember elsődleges vizuális kérgében lévő szemdominancia oszlopról, kb. 0,5 mm-es felbontásban. A technika egyik problémája, hogy a kezdeti negatív BOLD jel nagyon kicsi és csak nagyobb szkenner használatával, legalább 3 teslás mágneses mezővel észlelhető. Ez a kezdeti süllyedés az inger bemutatásának első- második másodpercében történik, amelyet nem lehet lefényképezni, ha a jeleket hosszú ismétlődési idővel rögzítik. Ha az ismétlődési idő megfelelően kicsi, a felgyorsult agyi véráramlás betudható az érrendszerre ható drogok (például koffein) fogyasztásának, vagy az érrendszeri érzékenységben lévő természetes különbségeknek.
A BOLD jel nagyobb artériák és vénák, kisebb arteriolák és veniolák valamint a kapillárisok véráramlásából áll. Kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a BOLD jel nagyobb lehet a vékonyabb ereknél, és ezáltal sűrűbb lehet az aktív neuronoknál, ha nagyobb mágneses mezőben vizsgálják őket. Például az 1,5 teslás szkennerben a BOLD jelek kb. 70%-a a nagyobb erekből származik, egy 4 teslás szkenner esetében a kisebb erekből származik kb. ugyanennyi. Továbbá a BOLD jel mérete hozzávetőlegesen a mágneses mező erősségének a négyzetével növekszik. Ezért megfigyelhető egy ugrás a nagyobb mezős szkennereknél mind a lokalizáció javulásában, mind pedig a jelek növekedésében.
Néhány 7 teslás kereskedelmi szkennert már üzembe helyeztek, valamint folyamatos fejlesztés alatt állnak a kísérleti 8 és 9 teslás szkennerek.
A technika
A BOLD eredményeket a képek gyors elkészítésével nyerjük a T1 és a T2 által nyújtott kontraszt segítségével. Vannak olyan képek, melyeket gyengébb minőségű térbeli és időbeli felbontással lehet előállítani; a képek általában 1-4 másodpercenként készülnek, a kész felvételeken pedig a voxelek rendszerint a szövet 2–4 mm²-es kockáit reprezentálják. A legújabb technikai fejlődések, mint például a magas mágneses mezők és a fejlett többcsatornás RF felvételek használata, jobb térbeli felbontást eredményeznek. Bár az eseményhez kötött fMRI esetében az ingerekre adott válaszok szorosan együtt mutatkoznak (kb. 1-2 másodpercenként jelentkeznek), a BOLD válaszok teljes időtartama akár 15 másodperc is lehet a fő pozitív jel előtti szakaszon.
Különböző tudományágak felhasználása az fMRI-tanulmányokban
Az fMRI nagy mértékben interdiszciplináris kutatási terület. Néhány tudományág, melynek elveit felhasználja: Fizika: A számos fMRI tanulmány nem készülhetett volna el a fizika alapelvei nélkül, hiszen az fMRI-jelek értelmezéséhez nélkülözhetetlen a fizika ismerete. Pszichológia: A legtöbb fMRI-tanulmány kognitív pszichológiai, kognitív pszichofiziológiai és/vagy pszichofizikai kutatás, melyekben MRI szkennert használtak, hogy kiegészítő információkat szerezzenek a főleg viselkedéses vagy EEG vizsgálatokhoz. Neuroanatómia: Az fMRI-jelek értelmezése kizárólag a neuroanatómia pontos ismeretével és megértésével valósítható meg. Statisztika: A statisztika helyénvaló alkalmazása elsősorban a fMRI-megfigyelések „kibogozását” jelenti és az álpozitív eredmények kikerülését szolgálja. Elektrofiziológia: Az idegi viselkedés területén való jártasság (jelen esetben elektrofiziológiai szinten) segíthet a kutatóknak egy igazán hasznos fMRI-tanulmány megtervezésében.
Az fMRI előnyei és hátrányai
Mint minden más technikának, az fMRI-nek is vannak előnyei és hátrányai. Annak érdekében, hogy az ezzel foglalkozó kísérletek igazán hasznosak legyenek, nélkülözhetetlen a figyelmes tervezés és a kísérletek gondos levezetése.
Az fMRI előnyei Felvételt tud készíteni az emberek és egyéb állatok agyi jeleiről a radioaktivitás kockázata nélkül, amely más eljárásoknál (például CT) veszélyt jelenthet. Felvételt tud készíteni egy 3–6 mm²-es területről, ami az EEG téri felbontásához képest igen jó, ám viszonylag gyenge időbeli felbontással bír, összehasonlítva ugyancsak az EEG technikájával. Az EEG elektromos/idegi aktivitást mér, míg az fMRI a vér aktivitását méri, amely mindenképp hosszabb válasszal rendelkezik. Az MRI berendezés (természetesen fMRI-nél is használható) magas időbeli felbontást is mutathat, ha más jelenséget vizsgál.
Az fMRI hátrányai A BOLD jel csak az idegi aktivitás indirekt mérése, és ezáltal a test más, nem-idegi változásai is nagyban befolyásolják a jelek alakulását. A BOLD jelek sokkal erősebb összefüggést mutatnak az adott terület bemenetével, mint a kimenettel. Ennélfogva a BOLD jel láthatóvá válik egy adott területen akkor is, ha ott nincs önálló aktivitás. A különböző agyi területek eltérő hemodinamikus válasszal rendelkeznek, melyeket sajnos nem lehet teljes pontossággal visszaadni az fMRI időbeli jeleinek szűrésére gyakran használt általános lineáris modellel. Az fMRI-t gyakran használják arra, hogy lokalizáltan mutassák meg a különböző régiók aktivitását, minimalizálva ezzel az idegi hálózatokban zajló folyamatok természetével kapcsolatos kételyeket. Számos mai többváltozós statisztikai eljárás fáradozik azon, hogy pontosan jellemezze az „aktív” régiók közötti interakciókat, melyeket egyváltozós technikákkal fedeztek fel. Az fMRI-t általában azért alkalmazzák, hogy megpróbálják meghatározni, hogy hol jelentkezik az adott feladat közben aktivitás az agyban. Néhány kutató azonban azokat a modelleket részesítené előnyben, melyek megmagyarázzák, hogyan működnek a pszichológiai mechanizmusok. Az fMRI-nek viszonylag alacsony a jel-zaj aránya, legalábbis más elektrofiziológiai technikával összehasonlítva. Ez szükségessé teszi a mélyrehatóbb utóvizsgálatokat, így a publikált fMRI-eredmények majdnem minden esetben súlyosan átlagoltak, és valamennyire torzítottak is. Az fMRI népszerűségének veszélyei Az fMRI egyesek számára azt az ígéretet hordozta, hogy segítségével objektíven tanulmányozhatók olyan jelenségek, folyamatok (pl. hazugság, elfojtott és egyéb tudattalan folyamatok), melyekről az emberek nem akarnak vagy tudnak beszámolni, lehetővé válik tehát az, hogy „olvassunk” mások elméjében, gondolataiban, szándékaiban, hiedelmeiben, politikai attitűdjeiben. Ezen eljárás segítségével kétségtelenül nyerhetők információk az említett jelenségekkel kapcsolatban, ugyanakkor az fMRI-adatokból nem vonhatók le ilyen direkt következtetések a mögöttes mentális folyamat(ok)ra vonatkozóan, ugyanis hasonló agyi aktivitásmintázatot számos körülmény, feltétel kiválthat.Aue és mtsai, 2009.
Szkennelés a gyakorlatban
Az fMRI-vizsgálatokban közreműködő résztvevőket mindig megkérik arra, hogy feküdjenek olyan nyugodtan, ahogyan csak tudnak. Ezenfelül legtöbbször egy párnát helyeznek a fejük köré, hogy mérsékeljék és mindinkább megakadályozzák a kisebb mozgásokat is, hiszen azok is megzavarhatják a mérést. Néhány labor fej körüli síneket is használ, hogy minél inkább lecsökkentsék a mozgást, bár ez az eljárás nem túl népszerű, hiszen kényelmetlenséget okozhat a résztvevőknek. Az adatok utókezelésével lehetőség nyílik a fejmozgások közül néhányat korrigálni, de a nagyobb mozgások teljesen eredménytelenné teszik a vizsgálatot. A 3 mm-t meghaladó mozgások általában használhatatlan adatokat eredményeznek. A mozgás bárkinél előfordulhat, de az leginkább figyelemreméltó azoknál a személyeknél, akik fizikailag vagy érzelmileg nincsenek felkészülve az MRI-vizsgálatokra (például Alzheimer-kór vagy szkizofrénia esetében, vagy fiatal gyerekeknél). Ebben a populációban változó és negatív megerősítési stratégiákat kell bevetni, amely a kísérlet során csökkentheti a mozgásból adódó műtermékeket.