fMRI.pdf

Konferencja „Nowe metody w neurobiologii” 15 grudnia 2004 35−40

Funkcjonalny rezonans magnetyczny – nieinwazyjna

metoda obrazowania aktywności ludzkiego mózgu

Małgorzata Gut i Artur Marchewka

Pracownia Psychofizjologii, Zakład Neurofizjologii, Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN,

ul. Pasteura 3, 02-093 Warszawa

Streszczenie

Wprowadzenie nowoczesnych metod neuroobrazowania stało się dużym przełomem w badaniach funkcjonowania mózgu.

Znalazły one bowiem szerokie zastosowanie nie tylko w klinice, ale także pozwoliły zobaczyć, jak pracuje mózg zdrowego

człowieka podczas wykonywania określonych operacji umysłowych.

Artykul ten jest próbą przybliżenia idei badań prowadzonych technikami neuroobrazowania, jak również wprowadzeniem

w zagadnienie ﬁzycznych podstaw technikifunkcjonalnegorezonansu magnetycznego(fMRI, z ang. functional magnetic

rezonance imaging ). Czytelnik znajdzie ponadto w artykule opis standardów badania z wykorzystaniem funkcjonalnego

MRI. Przedstawiono tu także – w dużym uproszczeniu – proces analizy danych rezonansowych, a więc niejako drogę od

skanowania do otrzymania gotowych wyników przedstawiających zmapowaną aktywność mózgu pojedynczej osoby lub

całej grupy badanych. Na zakończenie zestawiono wady i zalety omawianej techniki, na tle innych metod badania mózgu.

Słowa kluczowe: neuroobrazowanie, fMRI, PET, EEG, SPM

Metody badania aktywności mózgu

Funkcjonalny rezonans magnetyczny

Dawniej jedynym sposobem, aby dowiedzieć się,

jaką rolę odgrywa określona część mózgu była obser-

wacja pacjenta z uszkodzonym lub chirurgicznie usu-

niętym określonym jego fragmentem oraz późniejsza

sekcja post mortem . Ta pośrednia droga wnioskowania

miała odpowiedzieć na pytanie: jakie są skutki uszko-

dzenia w danej części mózgu, a zatem dostarczyć infor-

macji, jaką funkcję pełni dany obszar. Przełom w bada-

niach przyszedł wraz z wynalezieniem i zastosowaniem

współczesnych metod badania mózgu. Pozwoliły one

przyjrzeć się pracującemu mózgowi, czyli mózgowi

żywego człowieka. Stworzyło to badaczom szansę bez-

pośredniej obserwacji jego pracy „na bieżąco” podczas

wykonywania określonych zadań (Grabowska 2002).

Obecnie dysponujemy wieloma metodami pomiaru ak-

tywności mózgu, niektóre z nich to elektroencefalogra-

ﬁa(EEG,zang. electroencephalography ), pozytynowa

tomograﬁaemisyjna(PET,zang. positon emission to-

mography ), śródczaszkowa stymulacja magnetyczna

(TMS, z ang. transcranial magnetic stimulation ) oraz

funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI, z ang.

functional magnetic rezonance imaging ).

Metoda ta opiera się na magnetycznych właściwo-

ściach atomów, z których zbudowane są komórki. Ściślej

mówiąc, jądra atomów posiadające słabe właściwości

magnetyczne (tzw. niezerowy spin) po umieszczeniu w

polu magnetycznym zachowują się jak mikroskopijne

magnesy (Oldendorf 1988, Rinck 1990). W jądrowym

rezonansie magnetycznym wykorzystywana jest ab-

sorpcja fal elektromagnetycznych o częstotliwości ra-

diowej przez jądra atomowe substancji stałych, ciekłych

lub gazowych, o momencie magnetycznym różnym od

zera pod wpływem stałego pola magnetycznego.

Badanie rezonansem polega na tym, że osobę badaną

umieszczamy w skanerze, wytwarzającym bardzo silne

(choć, nieszkodliwe dla organizmu) pole magnetycz-

ne, a następnie rejestrujemy zmiany w zorientowaniu

magnetycznym atomów w poszczególnych częściach

mózgowia. W tym celu cewki wbudowane w skaner

wysyłają w kierunku mózgu z określoną częstotliwo-

ścią krótkotrwałe impulsy elektromagnetyczne. Można

w skrócie powiedzieć, że rezonans magnetyczny opiera

się na wzbudzaniu spinów jąder atomów badanej tkanki

poprzez szybkie zmiany pola magnetycznego, a następ-

36 M. Gut i A. Marchewka

nie rejestracje promieniowania elektromagnetycznego

powstającego na skutek powrotu spinów do stanu nie

wzbudzonego. Odebrany sygnał można opisać wzorem,

w którym są dwie stałe: T 1 i T 2 (tzw. czasy relaksacji).

Poszczególne typy tkanek (w zależności od składu che-

micznego) mają charakterystyczne dla siebie (krótsze

lub dłuższe) czasy relaksacji (powrotu spinu do stanu

przed wzbudzeniem). Widocznym tego efektem są róż-

ne odcienie szarości poszczególnych obszarów w obra-

zie mózgu po przetworzeniu sygnału (Gonet 1997).

O ile rezonans strukturalny (badanie anatomii mó-

zgu) opiera się na magnetycznych właściwościach wo-

doru, to w rezonansie funkcjonalnym źródłem sygnału

jest zachowywanie się w polu magnetycznym hemo-

globiny: związanej i niezwiązanej z tlenem. Poznanie

podłoża tego zjawiska pozwoliło odpowiedzieć na py-

tanie, dlaczego miejsca bardziej aktywne wysyłają inny

sygnał niż te, które nie są zaangażowane w wykonywa-

nie określonego zadania. Otóż, obszary mózgu aktywo-

wane w danej sytuacji mają większe zapotrzebowanie

na tlen. Na przykład zapotrzebowanie to w pewnych

obszarach wzrasta, gdy rejony te są zaangażowane w

określony typ zadania, takiego jak mówienie, zapa-

miętywanie czy poruszanie ręką. Wiadomo bowiem,

że intensywnie pracujące komórki nerwowe wymagają

większych ilości tlenu, niezbędnego do uzyskiwania

energii. Za jego transport wraz z krwią do komórek od-

powiedzialna jest hemoglobina. Różnica w sygnale re-

jestrowanym przez skaner między obszarami aktywny-

mi i nieaktywnymi bierze się stąd, iż oksyhemoglobina

posiada inne właściwości magnetyczne niż jej forma

niezwiązana z tlenem (deoksyhemoglobina). W lite-

raturze przedmiotu zależność intensywności sygnału

MRI od poziomu natlenienia krwi określa się terminem

BOLD (z ang. blood oxygen level dependent ). Należy

jednakże podkreślić, że wzrost aktywności nerwowej w

danym obszarze mózgu powoduje nasilenie przepływu

krwi przez tę okolicę, któremu jednak nie towarzyszy

proporcjonalnie zwiększone zużycie tlenu przez tkan-

kę. W efekcie w pobudzonych obszarach znajduje się

nieco więcej oksyhemoglobiny, będącej właśnie źró-

dłem silniejszego sygnału (Kwong i wsp. 1992; Ogawa

i wsp. 1992).

turalnego obrazu mózgu w płaszczyźnie strzałkowej,

zwykle w kilkunastu warstwach o grubości kilku mi-

limetrów. W wyniku tej sekwencji otrzymujemy kilka-

naście obrazów z poszczególnymi warstwami mózgu.

Z otrzymanych obrazów wybiera się następnie ten, na

którym najlepiej widoczne są spoidła: przednie oraz

tylne, gdyż na tym przekroju ustala się płaszczyzny

skanowania we wszystkich pozostałych sekwencjach.

Jest to przydatne dla celów dalszej analizy uzyska-

nych obrazów. Kolejna część badania to sekwencja T1.

Jej wynikiem jest obraz strukturalny – o dużej rozdziel-

czości przestrzennej – całego mózgu. Rozdzielczość

przestrzenną należy rozumieć w tym przypadku jako

dokładność otrzymywanego obrazu bryły mózgu.

Zwykle skanuje się mózg w kilkunastu - do kilku-

dziesięciu – warstwach, o grubości kilku milimetrów.

Liczba i grubość tych warstw zależy z jednej strony od

potrzeb badacza i wielkości mózgu osoby badanej (im

więcej cieńszych warstw tym dokładniejszy obraz bry-

ły mózgu), zaś z drugiej strony od ograniczeń technicz-

nych aparatury

Kolejną sekwencją jest skanowanie funkcjonalne

(tzw. sekwencja EPI, z ang. echo-planar imaging ). Jest

to sekwencja, która umożliwia rejestrację zmiany ak-

tywności mózgu podczas wykonywania określonego

zadania przez osobę badaną. Najpierw należy ustalić,

gdzie będą przebiegać warstwy skanowania oraz ich

grubość. W przypadku sekwencji EPI badacz także

musi zdecydować, z której cześć mózgu zostaną po-

Przebieg badania fMRI

Standardowe badanie z wykorzystaniem fMRI skła-

da się z kilku sekwencji; pierwszą jest tzw. skanowanie

lokalizacyjne (z ang. localizer ). Jest to pobranie struk-

Ryc. 1. Obszar mózgu, z którego rejestrowany jest sygnał podczas

sekwencji funkcjonalnej fMRI - białe linie obrazują warstwy ska-

nowania.

fMRI – metoda badania aktywności mózgu 37

brane obrazy. Zwykle ustala się taką grubość warstw,

aby można było zarejestrować aktywność obszarów

istotnych z punktu widzenia specyﬁki zadań wykony-

wanych przez badanego, jednocześnie nie tracąc wiele

na rozdzielczości obrazu

Obraz mózgu pochodzący z sekwencji EPI to obraz

o rozdzielczości dużo słabszej niż obrazy strukturalne.

Jednakże, w czasie jednej sekwencji funkcjonalnej ska-

ner może zarejestrować sygnał z całego obszaru inte-

resującego badacza nawet po kilkadziesiąt razy. Daje

to w sumie, co najmniej kilkaset obrazów poszczegól-

nych warstw. Z tego powodu, badacz powinien ograni-

czyć się do kilkunastu warstw o określonej grubości.

Jednorazowe zeskanowanie wybranego obszaru mózgu

trwa – przy zastosowaniu zalecanych standardów – ok.

2 – 3 sekundy. Skanowanie powtarzane jest kilkadzie-

siąt razy, aby uzyskać odpowiednią ilość danych do

późniejszej analizy. Czas rozpoczęcia i zakończenia da-

nego zadania jest brany pod uwagę podczas późniejszej

analizy surowych danych. Szerzej zostało to opisane w

kolejnej części artykułu. Ostatnią sekwencją podczas

badania fMRI jest pobieranie obrazów strukturalnych z

dokładnie tych samych warstw, w których skanowano

mózg podczas sekwencji EPI. Są to tak zwane obra-

zy referencyjne (strukturalne), które charakteryzują się

lepszą rozdzielczością przestrzenną, co znajduje zasto-

sowanie na etapie analizy danych.

Ryc. 2. Schematy eksperymentalne.

W ramach jednej sekwencji funkcjonalnej podczas

badania fMRI czy PET kilkunasto- lub kilkudziesię-

ciosekundowe bloki zadaniowe (gdy badany wykonuje

zadanie) poprzedzielane są blokami kontrolnymi (gdy

badany wykonuje zadanie kontrolne).

Usiłując powiązać pojawiającą się w mózgu aktywność

z momentem rozpoczęcia i zakończenia zadania przez

badanego, badacz musi jednakże brać pod uwagę jedno

istotne ograniczenie metody. Otóż reakcje ośrodkowego

układu nerwowego, w zależności modalności bodźca,

oscylują wokół kilkuset milisekund. Sygnał BOLD – od-

powiadający wzrostowi aktywności nerwowej - można

zaobserwować dopiero po około 2 sekundach, zaś jego

maksymalna wartość rejestrowana jest dopiero po 4 – 6

sekundach od pojawienia się bodźca. Parametry te zo-

stały ustalone na podstawie obserwacji empirycznych i

nazwane odpowiedzią hemodynamiczną

Schemat blokowy a wywołane fMRI

Aby właściwie interpretować i rozumieć znaczenie

wyników pochodzących z badań z wykorzystaniem

technik neuroobrazowania należy zwrócić uwagę na

założenia leżące u podstaw tych metod. Trzeba mieć na

uwadze przede wszystkim fakt, że wykonanie każdego,

nawet najprostszego zadania angażuje równocześnie

wiele struktur i wymaga skomplikowanych interakcji

pomiędzy różnymi obszarami. Nasz mózg nieustan-

nie jest aktywny, równolegle w bardzo wielu rejonach.

Lokalizacja struktur odpowiedzialnych za poszczegól-

ne procesy mózgowe jest możliwa dzięki odpowiednie-

mu dobraniu tzw. warunku kontrolnego (spoczynkowe-

go). Badacz porównuje aktywność uzyskaną z dwóch

sytuacji: zadaniowej i kontrolnej. Dobrane są one tak,

że różnią się między sobą tylko jednym komponentem.

Po „odjęciu” od siebie tych obrazów otrzymuje się

aktywność mózgu związaną z wpływem tego właśnie

komponentu, procesu. Na tych założeniach opiera się

tak zwany blokowy schemat eksperymentu.

Ryc. 3. Przebieg funkcji odpowiedzi hemodynamicznej w czasie.

38 M. Gut i A. Marchewka

Charakterystyka odpowiedzi hemodynamicznej jest

jednym z najistotniejszych czynników, które należy

mieć na uwadze projektując eksperyment z użyciem

fMRI.

Innym schematem stosowanym w funkcjonalnych

badaniach rezonansowych jest tak zwany zdarzenio-

wy fMRI. Badanie prowadzone w takim paradygmacie

różni się od opisanego powyżej tym, że dokonuje się

pomiarów sygnału BOLD, będącego tym razem wyni-

kiem nie blokowych serii bodźców, lecz pojedynczych

ich prezentacji (zob. Ryc. 3). Pozwala to na stosowanie

losowo pojawiających się bodźców różnego typu pod-

czas jednej sesji. W układzie takim reakcje na poszcze-

gólne rodzaje bodźców można uśrednić i porównać

między sobą.

przekształceniu obrazu bryły mózgu określonej osoby

w taki sposób, by jego parametry były jak najbardziej

zbliżone do parametrów mózgu standardowego (ang.

template ), odpowiadającego przestrzeni stereotaktycz-

nej Talairacha i Tournoux (Brett i wsp. 2002). Operacja

ta jest liniową transformacją aﬁniczną(ang. afﬁnetrans-

formation ) używającą czterech przekształceń: prze-

sunięcia (ang. translations ), rotacje (ang. rotations) ,

skalowania (ang. zooms ) oraz ścinania (ang. shears ) na

trzech płaszczyznach x, y, z. Można by powiedzieć, iż

normalizacja to znalezienie optimum dla 12 parame-

trów opisujących różnice pomiędzy dwoma mózgami.

Ponieważ po normalizacji mózgi poszczególnych ba-

danych zbliżone są do siebie pod względem kształtu i

wielkości, normalizację wykonuje się na przykład po to,

by wyniki otrzymane w różnych grupach osób móc po-

równywać między sobą. Ostatni krok obróbki wstępnej

to wygładzanie przestrzenne (ang. spatial smoothing ).

W czasie tej operacji zmniejszamy różnice w inten-

sywności wokseli poszczególnych obrazów poprzez

nałożenie maski Gaussowskiej - Kernel (ang. gaussian

kernel ) . Efektem wygładzania przestrzennego jest mię-

dzy innymi zwiększenie proporcji sygnału do zakłóceń

w otrzymanych obrazach oraz sformatowanie danych

w taki sposób, że rozkład wartości jest bardziej zbli-

żony do modelu Gaussowskiego. Jest to bardzo istotne

biorąc po uwagę, że w dalszej części analiz będziemy

korzystać ze statystyk odwołujących się do rozkładu

Gaussa. Wygładzanie niweluje także różnice struktu-

ralne pomiędzy mózgami różnych osób.

Kolejnym etapem jest analiza statystyczna. Analizy

statystyczne w przypadku obrazów fMRI polegają na

przeprowadzaniu porównań dla pojedynczych wokse-

li, czyli najmniejszej jednostki pobieranych obrazów.

Najbardziej popularnym modelem wykorzystywanym

w analizach jest generalny model liniowy (ang. general

linear model - GLM ). Za jego pomocą można mode-

lować charakterystykę zmian mierzonego sygnału w

określonych warunkach eksperymentalnych a następ-

nie policzyć na przykład statystykę t dla poszczegól-

nych wokseli. Badacz ma możliwość ustalania progu

(ang. threshold ), od którego wartość statystyk dla wok-

seli osiągnie poziom istotny statystycznie. Aktualnie

wymagane jest stosowanie tak zwanych skorygowa-

nych progów (ang. corrected height threshold ), gdyż

udowodniono, że jedynie rygorystyczne podejście daje

wiarygodne wyniki przy biorąc po uwagę dużej liczbie

porównań, jakie są przeprowadzane dla tysięcy wokse-

li. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że pod-

Analiza danych fMRI

Od otrzymania surowych danych, będących efektem

przetworzenia sygnału ze skanera na pliki z obraza-

mi poszczególnych warstw, do uzyskania wizualizacji

wyników, jakie zamieszcza się w artykułach nauko-

wych prowadzi wieloetapowa i złożona analiza danych.

Standardowy proces analizy składa się z trzech etapów:

obróbki wstępnej (z ang. pre-processing ), analizy staty-

stycznej oraz wizualizacji wyników (Frackowiak i wsp.

1997).

Najbardziej popularnym oprogramowaniem

typu open source wykorzystywanym do wszyst-

kich wymienionych etapów jest SPM – Statystical

Parametric Mapping (http://www.ﬁl.ion.ucl.ac.uk/spm)

Przygotowanie obrazów bezpośrednio do analizy, oraz

wizualizacje graﬁczne,możnawykonaćtakżewnieod-

płatnym programie MRIcro (http://www.psychology.

nottingham.ac.uk/staff/cr1/mricro.html)

Obróbka wstępna składa się z trzech kroków.

Pierwszy z nich polega na korekcji ruchów głowy ba-

danego (ang. realignment ). Osoba badana w czasie

eksperymentu, który może trwać nawet kilkanaście mi-

nut mimowolnie wykonuje ruchy głowa, co może po-

wodować znaczące różnice w orientacji przestrzennej

zbieranych obrazów. Korekcja ruchów sprowadza się

zatem do przestrzennego dopasowaniu obrazu z pierw-

szego wolumenu do obrazów zebranych w kolejnych

wolumenach. Dopasowywanie należy rozumieć jako

niwelowanie różnic położenia obrazu w przestrzeni trój

wymiarowej x, y, z.

Kolejnym krokiem w obróbce wstępnej jest nor-

malizacja (ang. normalization ). Proces ten polega na

fMRI – metoda badania aktywności mózgu 39

stawowa analiza polega na odejmowaniu tak zwanego

warunku kontrolnego od warunku eksperymentalnego,

co przy założeniu czystej insercji (ang. pure insertion ),

daje nam możliwość zakładania, iż otrzymana aktywa-

cja jest wynikiem tylko jednego procesu psychicznego.

Na tym założeniu opierają się także schematy ekspery-

mentalne w czasie badania przy użyciu PET.

Ostatnim etapem analizy jest wizualizacja otrzyma-

nych wyników. Proces ten polega na naniesieniu otrzy-

manych aktywacji na obraz standardowego mózgu (w

przypadku badań porównawczych) lub na obraz struktu-

ralny mózgu badanej osoby. Na tym etapie badacze po-

sługując się atlasami anatomicznymi mogą oceniać, któ-

re ze struktur zostały aktywowane na przykład w czasie

określonego warunku eksperymentalnego. Można rów-

nież korzystać z interaktywnego atlasu przestrzeni ste-

reotaktycznej Talairach i Tournoux – Talairach Deamon

TD (http://ric.uthscsa.edu/TDapplet/). Aplikacja TD

umożliwia automatyczne nazywanie aktywowanych

struktur na podstawie wprowadzanych współrzędnych

(x, y, z) wokseli, które otrzymaliśmy.

znaczników radioaktywnych (jak w przypadku PET)

ani innych substancji mogących ingerować w funkcjo-

nowanie organizmu. Pole magnetyczne stosowane w

badaniu MRI, jak wspomniano wyżej, jest nieszkodli-

we dla tkanek. Ponadto, badanie rezonansowe, co nie

jest bez znaczenia w przypadku badań eksperymental-

nych, jest mniej uciążliwe dla samych uczestników, niż

badanie PET, czy nawet EEG. Sesja eksperymentalna w

skanerze zapewnia badanym wzgledny komfort ﬁzycz-

ny i psychiczny. Bardzo istotne jest także, aby osoby

badane nie miały w organizmie żadnych metalowych

elementów jak klipsy tętniaków czy śruby w kościach,

gdyż takie elementy powodują artefakty w otrzymy-

wanych obrazach. Przeciwwskazaniem jest także klau-

strofobia osoby badanej.

Jeśli chodzi o rozdzielczość czasową to zarówno

fMRI jak i PET posiadają znacznie gorsze parametry

w porównaniu z rejestracją procesów neuronalnych za

pomocą EEG. Obie metody neuroobrazowania prze-

wyższają jednak EEG pod względem rozdzielczości

przestrzennej. Badanie PET pozwala na rejestrację ob-

razu aktywności mózgu z dokładnością około 5 mili-

metrów, natomiast rozdzielczość przestrzenna fMRI

to około 3 milimetry. Najlepszym rozwiązaniem jest

prowadzenie badań za pomocą różnych komplemen-

tarnych względem siebie metod, co przy obecnym roz-

Zalety i wady metody

Niewątpliwą zaletą metody fMRI jest jej bezinwa-

zyjność. Do krwi osoby badanej nie podaje się żadnych

Ryc. 4. Schemat analizy danych fMRI.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: