Functioneel MRI (fMRI) is een beeldvormingstechniek met magnetische resonantie die wordt gebruikt om fysiologische veranderingen in het lichaam in beeld te brengen. Het is gebaseerd op de fysische principes van nucleaire magnetische resonantie. In engere zin wordt de term gebruikt in verband met het onderzoek van geactiveerd hersenen gebieden.
Wat is functionele magnetische resonantiebeeldvorming?
Klassieke MRI geeft statische beelden weer van overeenkomstige organen en weefsels, terwijl fMRI veranderingen in activiteit in de hersenen door middel van driedimensionale beelden tijdens het uitvoeren van specifieke activiteiten. Gebaseerd op MRI (MRI) ontwikkelde natuurkundige Kenneth Kwong functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) voor het afbeelden van veranderingen in activiteit in verschillende hersenen gebieden. Deze methode maatregelen veranderingen in cerebrale bloed flow die verband houden met activiteitsveranderingen in de overeenkomstige hersengebieden via neurovasculaire koppeling. Deze methode maakt gebruik van de verschillende chemische omgeving van de gemeten waterstof kernen in de hemoglobine of zuurstof- uitgeput en zuurstofrijk bloed Zuurstofrijk hemoglobine (oxyhemoglobine) is diamagnetisch, terwijl zuurstof-vrij hemoglobine (deoxyhemoglobine) heeft paramagnetische eigenschappen. De verschillen in de magnetische eigenschappen van bloed staan ook bekend als de BOLD effect (afhankelijk van het bloed-zuurstofniveau). De functionele processen in de hersenen worden vastgelegd in de vorm van beeldreeksen in dwarsdoorsneden. Op deze manier kunnen de veranderingen in activiteit in de individuele hersengebieden worden onderzocht door middel van specifieke taken die op de proefpersonen worden uitgevoerd. Deze methode wordt in eerste instantie gebruikt voor fundamenteel onderzoek om activiteitspatronen bij gezonde controlepersonen te vergelijken met de hersenactiviteiten van mensen met psychische stoornissen. In bredere zin de term functioneel MRI bevat nog steeds kinematische magnetische resonantiebeeldvorming, die de bewegende weergave van verschillende organen beschrijft.
Functie, effect en doelen
Functionele magnetische resonantie beeldvorming is een verdere ontwikkeling van magnetische resonantie beeldvorming (MRI). Klassieke MRI geeft statische beelden weer van overeenkomstige organen en weefsels, terwijl fMRI veranderingen in activiteit in de hersenen weergeeft door middel van driedimensionale beelden tijdens het uitvoeren van specifieke activiteiten. Met behulp van deze niet-invasieve methode kunnen de hersenen dus onder verschillende situaties worden geobserveerd. Net als bij klassieke MRI is de fysieke basis van de meting in eerste instantie gebaseerd op nucleaire magnetische resonantie. Hier zijn de spins van de protonen van de hemoglobine worden longitudinaal uitgelijnd door een statisch magnetisch veld aan te leggen. Een hoogfrequent wisselveld dat dwars op deze magnetisatierichting wordt aangelegd, zorgt voor de transversale afbuiging van de magnetisatie naar het statische veld totdat resonantie (Lamorfrequentie) is bereikt. Als het hoogfrequente veld is uitgeschakeld, duurt het een bepaalde tijd onder energiedissipatie totdat de magnetisatie weer langs het statische veld is uitgelijnd. Dit ontspanning tijd wordt gemeten. Bij fMRI wordt gebruik gemaakt van de omstandigheid van verschillende magnetisatie van deoxyhemoglobine en oxyhemoglobine. Dit resulteert in verschillende aflezingen voor de twee vormen vanwege de invloed van zuurstof Omdat de verhouding van oxyhemoglobine tot deoxyhemoglobine echter constant verandert tijdens fysiologische processen in de hersenen, worden seriële opnames gemaakt als onderdeel van fMRI, dat de veranderingen op elk moment in de tijd registreert. Zo kan binnen een tijdvenster van enkele seconden neuronale activiteit met millimeterprecisie worden gevisualiseerd. Experimenteel wordt de locatie van neuronale activiteit bepaald door metingen van het magnetische resonantiesignaal op twee verschillende tijdstippen. Eerst wordt de meting uitgevoerd in een rusttoestand en daarna in een aangeslagen toestand. Vervolgens wordt de vergelijking van de opnames uitgevoerd in een statistische testprocedure en worden de statistisch significante verschillen ruimtelijk toegewezen. Voor experimentele doeleinden kan de stimulus meerdere keren aan het onderwerp worden gepresenteerd. Dit betekent meestal dat een taak vaak wordt herhaald. De verschillen met de vergelijking van de gegevens uit de stimulusfase met de meetresultaten uit de rustfase worden berekend en vervolgens picturaal weergegeven. Met deze procedure was het mogelijk om te bepalen welke hersengebieden actief zijn tijdens welke activiteit en de verschillen tussen bepaalde hersengebieden bij psychische stoornissen en gezonde hersenen. Naast fundamenteel onderzoek, dat belangrijke bevindingen oplevert voor de diagnose van psychische stoornissen, wordt de methode ook direct in de klinische praktijk toegepast. De belangrijkste klinische toepassing van fMRI is de lokalisatie van taalrelevante hersengebieden bij de voorbereiding van operaties voor hersentumors Het doel is om ervoor te zorgen dat dit gebied tijdens de operatie grotendeels gespaard blijft. Andere klinische toepassingen van functionele magnetische resonantiebeeldvorming hebben betrekking op de beoordeling van patiënten met bewustzijnsstoornissen, zoals coma, wakkere coma of MCS (minimaal bewuste toestand).
Risico's, bijwerkingen en gevaren
Ondanks het grote succes van functionele magnetische resonantiebeeldvorming, moet deze methode ook kritisch worden bekeken in termen van zijn deugdelijkheid Significante correlaties tussen bepaalde activiteiten en de activering van overeenkomstige hersengebieden zouden kunnen worden vastgesteld. De betekenis van bepaalde hersengebieden voor psychische stoornissen is ook duidelijker geworden. Hier worden echter alleen veranderingen in de zuurstofbelasting van hemoglobine gemeten. Omdat deze processen kunnen worden gelokaliseerd in specifieke hersengebieden, wordt aangenomen dat deze hersengebieden ook worden geactiveerd door neurovasculaire koppeling. De hersenen kunnen dus niet direct in het denken worden waargenomen. Opgemerkt moet worden dat de verandering in de bloedstroom pas optreedt na een latentieperiode van enkele seconden na neuronale activiteit. Daarom wordt het direct in kaart brengen soms moeilijk gemaakt. Een voordeel voor fMRI in vergelijking met andere niet-invasieve neurologische onderzoeksmethoden is echter de veel betere ruimtelijke lokalisatie van de activiteiten. De temporele resolutie is echter veel lager. Indirecte bepaling van neuronale activiteiten door bloedstroommetingen en hemoglobine-oxygenatie genereert ook enige onzekerheid. Er wordt dus uitgegaan van een latentie van meer dan vier seconden. Of betrouwbare neuronale activiteiten kunnen worden aangenomen voor kortere stimuli, moet nog worden onderzocht. Er zijn echter ook nog technische beperkingen aan de toepassing van functionele magnetische resonantiebeeldvorming, deels gebaseerd op het feit dat de BOLD effect wordt niet alleen geproduceerd door bloed schepen maar ook door celweefsel naast de vaten.