De functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) is een methode van magnetische resonantietomografie voor de visuele weergave van fysiologische veranderingen in het lichaam. Het is gebaseerd op de fysische principes van nucleaire magnetische resonantie. In engere zin wordt de term gebruikt in verband met het onderzoek van geactiveerde hersengebieden.
Wat is functionele magnetische resonantiebeeldvorming?
Op basis van magnetische resonantie tomografie (MRT) ontwikkelde de natuurkundige Kenneth Kwong functionele magnetische resonantie tomografie (fMRI) om veranderingen in activiteit in de verschillende hersengebieden zichtbaar te maken. Deze methode meet veranderingen in de cerebrale doorbloeding die via de neurovasculaire koppeling verband houden met veranderingen in activiteit in de overeenkomstige delen van de hersenen.
Deze methode maakt gebruik van de verschillende chemische omgeving van de gemeten waterstofkernen in het hemoglobine van zuurstofarm en zuurstofrijk bloed. Zuurstofrijk hemoglobine (oxyhemoglobine) is diamagnetisch, terwijl zuurstofvrij hemoglobine (deoxyhemoglobine) paramagnetische eigenschappen heeft. De verschillen in de magnetische eigenschappen van het bloed worden ook wel het BOLD-effect (bloedoxygenatie-afhankelijk effect) genoemd. De functionele processen in de hersenen worden vastgelegd in de vorm van een reeks doorsnedebeelden.
Op deze manier kunnen de veranderingen in activiteit in de individuele hersengebieden worden onderzocht door middel van specifieke taken bij de proefpersoon. 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 omvat de term functionele magnetische resonantietomografie ook kinematische magnetische resonantietomografie, die de bewegende weergave van verschillende organen beschrijft.
Functie, effect en doelen
Functionele magnetische resonantie beeldvorming is een verdere ontwikkeling van magnetische resonantie beeldvorming (MRT). Bij klassieke MRI worden statische beelden van de corresponderende organen en weefsels weergegeven, terwijl fMRI de veranderingen in activiteit in de hersenen laat zien door middel van driedimensionale beelden wanneer bepaalde activiteiten worden uitgevoerd.
Met behulp van deze niet-invasieve procedure kunnen de hersenen in verschillende situaties worden geobserveerd. Net als bij klassieke MRI is de fysieke basis van de meting in eerste instantie gebaseerd op nucleaire magnetische resonantie. Door een statisch magnetisch veld aan te leggen, worden de spins van de protonen van de hemoglobine longitudinaal uitgelijnd. Een hoogfrequent wisselveld dat dwars op deze magnetisatierichting wordt aangelegd, zorgt voor de transversale afbuiging van de magnetisatie naar het statische veld tot aan resonantie (Lamorfrequentie). Als het hoogfrequente veld is uitgeschakeld, duurt het een bepaalde tijd voordat er energie vrijkomt totdat de magnetisatie zichzelf opnieuw uitlijnt langs het statische veld.
Deze relaxatietijd wordt gemeten. Bij fMRI wordt gebruik gemaakt van het feit dat deoxyhemoglobine en oxyhemoglobine anders worden gemagnetiseerd. Dit resulteert in verschillende meetwaarden voor beide vormen, die te wijten zijn aan de invloed van zuurstof. Omdat de verhouding van oxyhemoglobine tot deoxyhemoglobine echter constant verandert tijdens de fysiologische processen in de hersenen, worden seriële opnames gemaakt als onderdeel van de fMRI, die de veranderingen op elk moment in de tijd registreert. Op deze manier kunnen zenuwcelactiviteiten in een tijdvenster van enkele seconden tot op de millimeter nauwkeurig worden weergegeven. De locatie van de neurale activiteit wordt experimenteel bepaald door het magnetische resonantiesignaal op twee verschillende tijdstippen te meten.
Eerst vindt de meting plaats in de 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 de testpersoon worden aangeboden. Dit betekent meestal dat een taak meerdere keren wordt herhaald. De verschillen met de vergelijking van de gegevens uit de stimulusfase met de meetresultaten uit de rustfase worden berekend en vervolgens grafisch weergegeven. Met deze procedure was het mogelijk om te bepalen welke delen van de hersenen actief zijn in welke activiteit. Bovendien konden de verschillen tussen bepaalde hersengebieden bij psychische aandoeningen en gezonde hersenen worden vastgesteld.
Naast fundamenteel onderzoek, dat belangrijke inzichten oplevert in de diagnose van psychische aandoeningen, wordt de methode ook direct in de klinische praktijk toegepast. Het belangrijkste klinische toepassingsgebied van fMRI is de lokalisatie van taalrelevante gebieden van de hersenen bij het voorbereiden van operaties voor hersentumoren. Dit om ervoor te zorgen dat dit gebied tijdens de operatie grotendeels gespaard blijft. Andere klinische toepassingsgebieden van functionele magnetische resonantiebeeldvorming hebben betrekking op de beoordeling van patiënten met een verminderd bewustzijn, zoals coma, vegetatieve toestand of MCS (minimale bewustzijnsstaat).
Risico's, bijwerkingen en gevaren
Ondanks het grote succes van functionele magnetische resonantietomografie, moet deze methode ook kritisch worden bekeken in termen van zijn informatieve waarde. Het was mogelijk om essentiële verbindingen tussen bepaalde activiteiten en de activering van de overeenkomstige hersengebieden te bepalen. Het belang van bepaalde hersengebieden voor psychische aandoeningen is ook duidelijker geworden.
Hier worden echter alleen de veranderingen in de zuurstofconcentratie van de hemoglobine gemeten. Omdat deze processen in bepaalde hersengebieden kunnen worden gelokaliseerd, wordt op basis van de neurovasculaire koppeling aangenomen dat deze hersengebieden ook geactiveerd worden. De hersenen kunnen dus niet direct worden waargenomen tijdens het denken. Opgemerkt moet worden dat de verandering in de bloedstroom pas optreedt na een latentieperiode van enkele seconden na de neurale activiteit. Daarom is een directe opdracht soms moeilijk. Het voordeel van fMRI ten opzichte van andere niet-invasieve neurologische onderzoeksmethoden is de veel betere ruimtelijke lokalisatie van de activiteiten.
De temporele resolutie is echter veel lager. De indirecte bepaling van de neuronale activiteiten door bloedstroommetingen en hemoglobineoxygenatie zorgt ook voor een zekere onzekerheid. Er wordt uitgegaan van een latentietijd van meer dan vier seconden. Het moet nog worden onderzocht of betrouwbare neurale activiteiten kunnen worden aangenomen met kortere stimuli. Er zijn echter ook technische toepassingsgrenzen van functionele magnetische resonantietomografie, die onder andere zijn gebaseerd op het feit dat het BOLD-effect niet alleen wordt gegenereerd door de bloedvaten, maar ook door het celweefsel dat grenst aan de vaten.
