Het brein in beeld gebracht

Structural imaging

Er is een verschil tussen structural imaging en functional imaging. Structural imaging gaat om het maken van statische "kaarten" van hoe de hersenen in elkaar zitten, welk weefsel waar zit en hoe alles fysiek in elkaar zit. Goede voorbeelden zijn CT-scans en MRI-scans. Functional imaging is daarentegen voor het meten van veranderingen in een kort tijdbestek. Dit zijn dus dynamische beelden. Een goede analogie is dat structural imaging gaat om een foto en functional imaging om een filmpje.

CT-scans (computerized tomography) meet de dichtheid van weefsels door te kijken hoeveel röntgenstraling (X-rays) worden opgenomen door het weefsel. Weefsel met een hogere dichtheid neemt meer röntgenstraling op. Het wordt eigenlijk alleen in een klinische setting gebruikt, bijvoorbeeld voor het detecteren van gezwellen of andere bijzonderheden. Een CT-scan kan geen onderscheid maken tussen bijvoorbeeld witte stof en grijze stof en kan niet gebruikt worden voor functional imaging.

MRI (magnetic resonance imaging) is een van de belangrijke medisch-technische vooruitgangen van de 20e eeuw. Het gebruikt geen ioniserende straling en is dus geheel veilig. Het heeft een hoge spatiële resolutie en kan dus tot in groot detail beeld geven van de hersenen. Het kan beter onderscheid maken tussen witte en grijze stof en kan aangepast worden om de oxygenatie van bloed te meten (wat op zijn beurt geassocieerd wordt met verhoogde neurale activiteit). Dit vormt de basis voor fMRI.

Bij MRI wordt een sterk magnetisch veld (van 1,5 tot 3 of soms zelfs 7 Tesla) gegenereerd, waardoor protonen in waterstofkernen zich orienteren naar het magnetisch veld. Vervolgens wordt een radiosignaal gegenereerd die de protonen 90 graden "terug" klapt naar hun oorspronkelijke oriëntatie. Op dit moment ontstaat er magnetische flux door de beweging, die vervolgens opgepikt wordt door het MRI-apparaat. Dit wordt meerdere keren herhaald en op deze manier kunnen hersenen in plakjes van 3mm gescand worden in ongeveer 2 seconden.

T1 relaxation time wordt gebruikt om onderscheid te maken tussen verschillende soorten weefsel. Hiermee is het bijvoorbeeld mogelijk om onderscheid te maken tussen grijze en witte stof. Wanneer protonenkernen haaks gespind zijn op het magnetisch veld (bijvoorbeeld door een radiofrequentie puls), vervalt het magnetisch veld hier een klein beetje en dit wordt de T2 component genoemd. Wanneer er heel veel scans achter elkaar genomen worden (en er in feite een filmpje wordt gemaakt), wordt er gesproken van een T2* beeld.

De reden dat MRI-apparaten zoveel lawaai maken, is doordat de stroom op de spoelen telkens aan en uitgezet wordt. Iedere keer als de stroom erop gezet wordt, zet de spoel een klein beetje uit wat voor de klap zorgt. De meeste MRI-apparaten maken geluid harder dan 100 dB. De grote magneet staat overigens altijd aan, want het opstarten van een MRI-apparaat kost zeker enkele dagen.

Functional imaging

Functional imaging werkt door veranderingen te meten van moment tot moment. De hersenen verbruiken ongeveer 20% van alle zuurstof die het lichaam opneemt. Als de metabolische activiteit van de neuronen toeneemt (doordat ze geactiveerd worden) neemt de doorbloeding toe om hieraan tegemoet te komen. Technieken als PET (Positron Emission Tomography) meten de doorstroming van het bloed direct, waar fMRI (functional MRI) en fNIRS (functional near-infrared spectroscopy) de concentratie zuurstof in het bloed meten.

Al deze technieken zijn hemodynamisch, ofwel zijn gebaseerd op bloedbeweging. PET is de enige van deze drie methoden (PET, fMRI, fNIRS) die een radioactieve tracer nodig heeft en wordt daarom weinig tot niet toegepast in de cognitieve neurowetenschap. In plaats daarvan wordt meestal fMRI toegepast. PET kan wél in sommige gevallen extra inzicht verschaffen wanneer er specifieke tracers worden toegepast die corresponderen met bepaalde neurotransmitters.

Met MRI kunnen kleine verschillen worden gemeten tot op de millimeter. Dit helpt bij het vaststellen van de verschillen tussen de hersenen van individuele personen met verschillende cognitieve vaardigheden. Twee belangrijke methodes hiervoor zijn:

• Voxel-based morphometry (VBM)
  Gebruikt de mogelijkheid om structurele verschillen tussen witte en grijze stof te detecteren. Er wordt een 3D model gemaakt met allemaal kleine kubusjes, waarin een inschatting wordt gemaakt van de hoeveelheid witte en grijze stof.
• Diffusion Tensor Imaging (DTI)
  Waar VMB alleen de aanwezigheid meet, meet DTI juist de connectiviteit van de witte stof. Dit kan door middel van fractional anisotropy (FA), wat feitelijk de oriëntatie en organisatie van de white matter tracts uitmaakt. Als de axonen parallel aan elkaar liggen, is er een FA van 1.0 en als de axonen helemaal niet met elkaar in lijn liggen is er sprake van een FA van 0.

Belangrijk om te beseffen is dat de hersenen altijd fysiologisch actief zijn. Er is dus altijd doorstroming van bloed en dus moet er een baseline bepaald worden waartegen de variabiliteit kan worden afgezet. Een goede baseline bepalen is een kunst die je leert door jarenlange ervaring. Ook is het belangrijk om erbij stil te staan dat er geen directe neurale activiteit wordt gemeten, maar een consequentie hiervan. Dit in tegenstelling tot EEG en MEG, die rechtstreeks elektromagnetische activiteit meten.

In fMRI wordt deoxyhemoglobine gemeten. Als oxyhemoglobine zijn zuurstof afgeeft verandert het in deoxyhemoglobine. Dit is een paramagnetisch molecuul, wat betekent dat het niet magnetisch is, behalve als het in een magnetisch veld zit. (Analogie: een paperclip is niet magnetisch, maar vertoont wel magnetisme in een magnetisch veld.) Dit zorgt voor lokale verstoringen in het magnetisch veld, die gemeten wordt om een indicatie van de concentratie van deoxyhemoglobine te geven die op een bepaalde plek in het bloed zit. Deze techniek heet BOLD fMRI, waar BOLD staat voor Blood Oxygen-Level-Dependent contrast.

Deoxyhemoglobine verzwakt het magnetisch veld waardoor het afneemt. Dit wordt dan gezien als een afname in het BOLD-signaal. Meer deoxyhemoglobine betekent dus een lager BOLD-signaal.

Hoe het BOLD signaal verandert door neurale activiteit, heet de hemodynamic response function of HRF. Dit bestaat uit drie fasen:

1. Initiële dip
   Neuronen verbruiken meer zuurstof dan normaal, waardoor er meer deoxyhemoglobine ontstaat. Dit zorgt voor een reductie van het BOLD-signaal.
2. Overcompensatie
   Er komt extra zuurstofrijk bloed bij de regio, waardoor de doorstroming van het bloed toeneemt en het BOLD-signaal toeneemt. Niet alle oxyhemoglobine wordt immers gelijk omgezet naar deoxyhemoglobine, dus er is een tijdelijke overoxygenatie van deze regio in de hersenen.
3. Undershoot
   De doorstroming vertraagt weer en komt iets onder normale niveaus uit, voordat het weer (langzaam) terugkeert naar het normale niveau (de baseline).

De BOLD-signalen veranderen maar met 1 tot 3 procent in normale magneten (1,5T). De spatiële resolutie van fMRI is ongeveer 1mm afhankelijk van de grootte van de voxels. De temporale resolutie is enkele seconden en houdt verband met de (relatief trage) hemodynamische respons.

Bij reguliere cognitieve testen, waarbij de reactietijd wordt gemeten, is het aantal testen en responsen ook het aantal resultaten dat je verkrijgt. Bij fMRI is het aantal resultaten het aantal "hersenvolumes" dat je hebt kunnen verzamelen, dus het aantal totale metingen door de tijd heen.

Een andere methode is functional near infrared spectroscopy (fNIRS). Hierbij wordt licht met een golflengte van ongeveer 800 nanometer gebruikt (buiten het menselijk visueel spectrum), dat relatief makkelijk door vel en bot heen beweegt maar sterk diffuus wordt gereflecteerd door oxy- of deoxyhemoglobine. Beide varianten hebben een iets andere golflengte waar ze gevoelig voor zijn. fNIRS kan beter in natuurlijke settings gebruikt worden, omdat het "draagbaar" is en dus gebruikt kan worden bij diverse activiteiten. Om deze reden is het een populaire techniek geworden in onderzoek naar de hersenontwikkeling. Het grote nadeel is dat het alleen gebruikt kan worden voor oppervlakkige metingen (vergelijkbaar met EEG), omdat het licht niet zo ver in de hersenen komt.