...

Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI)

Technika fMRI opiera się na rezonansie magnetycznym. Pozwala mierzyć wzrost przepływu krwi i poziomu jej utlenowania w poszczególnych obszarach mózgu. Znajduje szerokie zastosowanie w badaniach układu nerwowego, diagnostyce i leczeniu chorób neurologicznych.

Spis treści:

Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego, powszechnie znane jako funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI, ang. functional magnetic resonance imaging), to specjalistyczna technika obrazowania oparta na rezonansie magnetycznym. Umożliwia pomiar wzrostu przepływu krwi i poziomu jej utlenowania w poszczególnych obszarach mózgu. Wzrost ten mierzony jest za pomocą obrazowania zależnego od poziomu tlenu we krwi zwanego także obrazowaniem kontrastowym (BOLD, ang. blood-oxygenation-level-dependent), która odzwierciedla zależność między natlenieniem krwi a intensywnością sygnału rezonansu magnetycznego.

1. Historia wynalezienia

Podstawy teoretyczne potrzebne do stworzenia techniki fMRI zostały opracowane przez naukowców już pod koniec XIX wieku. W 1890 roku Charles Smart Roy i Charles Scott Sherrington zauważyli intensyfikację przepływu krwi w reakcji na zwiększony metabolizm. W tym samym czasie William James odwołał się do prac Angelo Mosso, który jako pierwszy zastosował neuroobrazowanie w badaniu pulsacji kory mózgowej u pacjentów po zabiegach neurochirurgicznych. Obserwacje Mosso sugerowały, że wzrost przepływu krwi występuje podczas zwiększonej aktywności umysłowej. 40 lat później Isidor Isaac Rabi odkrył, że pole magnetyczne i fale radiowe powodują rezonowanie jąder atomowych. W 1944 roku otrzymał za to odkrycie Nagrodę Nobla.

W 1936 roku Linus Pauling i Charles D. Coryell zauważyli różnice we właściwościach magnetycznych oksyhemoglobiny i deoksyhemoglobiny, co miało duże znaczenie dla badań z użyciem MRI. Następnie w latach 70. Paul Lauterbur i Peter Mansfield przeprowadzili niezależne badania, które doprowadziły do stworzenia nowej metody obrazowania, czyli magnetycznego rezonansu jądrowego. W 1982 roku Keith Thulborn wykorzystał MRI do pomiaru poziomu zużycia tlenu przez mózg, co stanowiło ważny krok w rozwoju tej metody diagnostycznej.

Ostateczne powiązanie aktywności neuronalnej z metabolizmem hemoglobiny i rozwinięcie techniki MRI w tym kierunku zostało dokonane przez Seiji Ogawę w 1990 roku. Jego eksperymenty na mózgach szczurów wykazały istnienie różnic w zachowaniu oksy- i deoksyhemoglobiny w zależności od stężenia tlenu. Ogawa wykorzystał to zjawisko do rozszerzenia MRI o kontrast. Kilka lat później technika ta została zastosowana w skanerach MRI do zastosowań medycznych.

2. Budowa aparatu do badania fMRI

Aparat do badania fMRI składa się z kilku głównych elementów, które umożliwiają rejestrowanie aktywności mózgu w czasie rzeczywistym. Należą do nich:

  • magnes – zwykle o polu magnetycznym o wartości 1.5 lub 3,5 tesli (T); generuje stałe pole magnetyczne, które jest niezbędne do obrazowania struktur anatomicznych i wykrywania zmian w aktywności mózgu
  • gradienty magnetyczne – pozwalają na precyzyjne lokalizowanie aktywnych obszarów mózgu; tworzą dodatkowe pola magnetyczne o zróżnicowanych wartościach wzdłuż głównych osi, co umożliwia precyzyjne lokalizowanie sygnałów pochodzących z wielu obszarów mózgu
  • cewki detekcyjne – rejestrują sygnały magnetyczne emitowane przez mózg; są umieszczone wokół głowy pacjenta i zbierają dane przekształcane w obrazy przez system komputerowy
  • komputer – oblicza różnice w intensywności sygnałów magnetycznych, co pozwala na generowanie obrazów mózgu, na których widać aktywne obszary
  • oprogramowanie – pozwala na wizualizację aktywności mózgu na podstawie otrzymanych sygnałów magnetycznych; umożliwia prowadzenie statystycznej analizy danych, co jest istotne przy badaniu różnic w aktywności mózgu

Aparat fMRI jest również wyposażony w system kontroli i monitorowania pacjenta, aby zapewnić mu bezpieczeństwo podczas pomiarów. Pacjent jest umieszczany w specjalnym tunelu aparatu, gdzie leży spokojnie do momentu zakończenia badania.

3. Zasada działania fMRI

Koncepcja fMRI opiera się na rozszerzeniu funkcji rezonansu magnetycznego. Działanie fMRi polega na obserwacji aktywności funkcjonalnej mózgu poprzez właściwości krwi utlenowanej i nieutlenowanej. Badany obszar mózgu poddawany jest działaniu krótkotrwałych impulsów elektromagnetycznych wysyłanych przez cewki wbudowane w skaner. Te impulsy powodują wzbudzenie spinów protonów w jądrach atomów wodoru, które są składnikami cząsteczek wody obecnych w organizmie żywym. Częstotliwość impulsów jest zależna od stałego pola magnetycznego i wynosi około 64 MHz dla pola o wartości 1,5 T.

Podczas pomiaru jądra atomów zostają namagnesowane i emitują własne pole elektromagnetyczne. Elektrony uwalniają energię, która jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego wyłapywanego przez cewki. Proces ten polega na emisji słabnącej w czasie fali elektromagnetycznej o częstotliwości podobnej do impulsu. Szybkość tłumienia tej fali zależy od właściwości magnetycznych tkanek. Rejestracja tych fal za pomocą gradientów pola magnetycznego umożliwia odtworzenie obrazu wnętrza badanego obiektu przy użyciu komputera. Odcienie szarości na obrazie reprezentują różnice w czasie relaksacji, czyli czasy, w jakich wzbudzone atomy badanych tkanek powracają do stanu równowagi.

Opracowanie fMRI pozwoliło rozszerzyć funkcje MRI o rejestrację zmian funkcjonalnych wynikających z aktywności neuronalnej. Wzrost aktywności w danym obszarze mózgu wiąże się ze zwiększonym zużyciem energii i tlenu, który jest transportowane w cząsteczkach hemoglobiny. Oksyhemoglobina, związana z tlenem, nie wpływa na czasy relaksacji atomów wodoru i ma właściwości diamagnetyczne. Po odłączeniu tlenu, oksyhemoglobina przekształca się w deoksyhemoglobinę, która nabiera właściwości magnetycznych, powodując skrócenie czasów relaksacji atomów wodoru i lokalne zmiany jasności na obrazie MRI. W celu uzupełnienia niedoboru tlenu spowodowanego aktywnością neuronalną, krew natlenowana napływa do obszarów aktywnych, zastępując krew nieutlenowaną. Przybycie oksyhemoglobiny do aktywnego obszaru zajmuje około 3-5 sekund, a ilość oksyhemoglobiny przewyższa zużycie przez neurony. Powrót do pierwotnego stężenia deoksyhemoglobiny i oksyhemoglobiny zajmuje od 10 do 20 sekund.

Wykorzystując tę zależność między aktywnością neuronalną a przepływem krwi fMRI, umożliwia badanie aktywności funkcjonalnej mózgu w czasie rzeczywistym. Zmiany w jasności obrazu MRI są interpretowane jako wskaźniki aktywacji konkretnych obszarów mózgu podczas wykonywania określonych zadań czy działaniu bodźców sensorycznych. Analiza tych zmian pozwala na mapowanie aktywności mózgu i identyfikację obszarów odpowiedzialnych za funkcje poznawcze i emocjonalne.

4. Zastosowania fMRI

fMRI ma szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki, takich jak medycyna (neurologia i psychiatria), badania społeczne i marketingowe. Lekarze i naukowcy skupiają się na różnorodnych aspektach jego wykorzystania, począwszy od funkcji w diagnozowaniu i leczeniu chorób, aż po analizę aktywności mózgu w kontekście układu poznawczego, emocji, interakcji społecznych i preferencji konsumenckich.

4.1. Zastosowanie fMRI w neurologii

Jednym z najważniejszych zastosowań fMRI w neurologii jest identyfikacja obszarów mózgu odpowiedzialnych za funkcje poznawcze, sensoryczne i motoryczne. Metoda ta pozwala na tworzenie mapy aktywności neuronalnej, co umożliwia lekarzom dokładniejsze określenie lokalizacji uszkodzeń, guzów lub innych zmian patologicznych. To z kolei ma kluczowe znaczenie w planowaniu zabiegów chirurgicznych, takich jak resekcje nowotworów mózgu czy usuwanie ognisk padaczkowych.

Kolejnym istotnym aspektem zastosowania fMRI w neurologii jest diagnozowanie i monitorowanie zaburzeń neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera czy stwardnienie rozsiane. Dzięki tej technologii lekarze są w stanie obserwować zmiany w aktywności mózgu pacjentów na przestrzeni czasu, co pozwala na wczesne wykrywanie i monitorowanie postępów choroby. W efekcie łatwiej jest przewidywać skuteczność terapii i dostosowywać indywidualny plan leczenia, co jest niezwykle istotne w walce z tymi ciężkimi schorzeniami.

fMRI ma również kluczowe znaczenie w badaniach nad plastycznością mózgu i reorganizacją funkcji po urazach, udarach czy chorobach neurologicznych. Zdolność do monitorowania zmian aktywności neuronalnej w czasie pozwala lekarzom na lepsze zrozumienie mechanizmów adaptacyjnych mózgu oraz procesów regeneracyjnych po uszkodzeniach. Dzięki temu można opracować bardziej skuteczne metody rehabilitacji i terapii, które mają na celu przywrócenie funkcji utraconych w wyniku uszkodzeń mózgu.

Ponadto fMRI umożliwia badanie interakcji między wieloma obszarami mózgu oraz analizę sieci neuronowych. Jest to niezwykle istotne w badaniach nad patofizjologią i leczeniem zaburzeń neurologicznych. Poprzez analizę wzajemnych powiązań aktywności mózgu fMRI pozwala lekarzom na lepsze zrozumienie mechanizmów chorobowych, a także na identyfikację potencjalnych biomarkerów, które mogą być wykorzystane do wczesnego wykrywania i monitorowania rozwoju zaburzeń.

Dodatkowo fMRI wykorzystuje się w badaniach nad efektywnością terapii farmakologicznych oraz innych interwencji terapeutycznych. Monitorowanie zmian aktywności mózgu pacjentów podczas stosowania leków lub terapii pozwala na ocenę ich skuteczności oraz identyfikację odpowiednich dawek i strategii leczenia. Dzięki temu lekarze mogą dostosować terapię do indywidualnych potrzeb pacjenta, co przekłada się na lepsze wyniki leczenia i poprawę jego jakości życia.

fMRI ma także duży potencjał w badaniach nad rozwojem mózgu u dzieci i młodzieży. Umożliwia naukowcom lepsze zrozumienie procesów rozwojowych i identyfikację zaburzających je czynników. Wiedza ta może mieć znaczący wpływ na kształtowanie strategii interwencji terapeutycznych w przypadku zaburzeń rozwojowych i pozwala na wczesne wykrywanie ewentualnych deficytów, co umożliwia szybsze podjęcie odpowiednich działań.

4.2. Zastosowanie fMRI w psychiatrii

Jednym z głównych zastosowań fMRI w psychiatrii jest diagnozowanie oraz wsparcie leczenia depresji, zaburzeń lękowych, schizofrenii, choroby afektywnej dwubiegunowej (ChAD) czy zaburzeń obsesyjno-kompulsyjnych i uzależnień, m.in. od narkotyków czy alkoholu. Metoda ta pozwala na zrozumienie specyficznych wzorców neuronalnych związanych z występowaniem tych schorzeń oraz na identyfikację obszarów odpowiedzialnych za działanie układu nagrody, motywacji, czy kontroli impulsów. Dzięki temu lekarze mogą lepiej zrozumieć biologiczne podłoże zaburzeń i chorób psychicznych oraz dostosować strategie terapeutyczne do indywidualnych potrzeb pacjenta. Ponadto fMRI pozwala na monitorowanie skuteczności terapii i ocenę zmian aktywności neuronalnej po ich zastosowaniu.

4.3. Zastosowanie fMRI w neurorehabilitacji

Wykorzystanie fMRI w neurorehabilitacji otwiera nowe perspektywy dla osób z uszkodzeniami mózgu powstałymi na skutek urazów czy udarów. Umożliwia ocenę aktywności mózgu i zmian funkcjonalnych, które pojawiają się podczas procesu rehabilitacji. Dzięki temu stanowi nieocenione narzędzie w planowaniu i monitorowaniu terapii.

Jednym z głównych obszarów zastosowania fMRI w neurorehabilitacji jest rehabilitacja po udarze. Technika ta pozwala na mapowanie obszarów mózgu zaangażowanych w funkcje dotknięte udarem, takie jak mowa, ruch czy koordynacja. Dzięki temu lekarze i terapeuci mogą opracować spersonalizowane programy rehabilitacyjne, które uwzględniają indywidualne potrzeby pacjenta. fMRI umożliwia monitorowanie postępów w procesie rehabilitacji, ocenę zmian w aktywności neuronalnej i dostosowanie terapii w celu optymalizacji wyników rehabilitacyjnych.

fMRI jest również wykorzystywane w rehabilitacji pacjentów z pourazowymi uszkodzeniami mózgu, takimi jak urazy czaszkowo-mózgowe. Badanie aktywności mózgu za pomocą fMRI pozwala na identyfikację rejonów mózgu, które uległy uszkodzeniu, jak również na ocenę plastyczności sieci neuronowych i zdolności do kompensacji funkcji przez inne obszary. To pozwala na dostosowanie programów rehabilitacyjnych do konkretnych potrzeb pacjenta i maksymalizację efektów terapii.

4.4. Zastosowanie fMRI w badaniach neuromarketingowych

Współczesny świat marketingu dynamicznie ewoluuje, a neuromarketing stał się jednym z najbardziej obiecujących obszarów w tej dziedzinie. Neuromarketing łączy w sobie neurobiologię, psychologię i marketing, mając na celu lepsze zrozumienie procesów decyzyjnych i preferencji konsumenckich. W tym kontekście fMRI jest narzędziem o ogromnym potencjale, umożliwiającym badanie reakcji mózgu na bodźce marketingowe.

Zastosowanie fMRI w badaniach neuromarketingowych otwiera nowe perspektywy i możliwości dla marketerów. Metoda ta pozwala na obiektywne i bezpośrednie badanie aktywności mózgu, co umożliwia lepsze zrozumienie emocji, preferencji i reakcji konsumenckich. Przez analizę aktywacji poszczególnych obszarów mózgu, neuromarketing może dostarczyć informacji na temat skuteczności reklam, wzorców zakupowych, wpływu opakowań produktów, czy odbioru marki przez konsumentów.

Głównymi obszarami zastosowania fMRI w neuromarketingu są: badanie reakcji emocjonalnych, preferencji konsumenckich i ocena wartości percepcyjnej produktów. Badacze monitorują aktywność mózgu podczas prezentacji bodźców reklamowych. Pozwala to na identyfikowanie obszarów związanych z odbiorem i wartościowaniem poszczególnych cech produktu. Takie badania pozwalają marketerom lepiej dopasować treści reklamowe do preferencji emocjonalnych grupy docelowej, a także zrozumieć, które aspekty produktu są najbardziej atrakcyjne dla konsumentów oraz dostarczają informacji na temat skuteczności reklam. Dzięki temu marketerzy mogą lepiej dopasowywać ofertę do potrzeb i preferencji klienta oraz zwiększać efektywność kampanii reklamowych.

Zastosowanie fMRI w badaniach neuromarketingowych posiada jednak pewne ograniczenia. Przede wszystkim jest to kosztowna i skomplikowana technologia, która wymaga zaawansowanego sprzętu i specjalistycznej wiedzy. Ponadto badanie fMRI trwa dość długo, co przy dużych grupach badawczych powoduje problematyczność pomiarów. Mimo tych ograniczeń zastosowanie fMRI w neuromarketingu otwiera nowe perspektywy w lepszym zrozumieniu i skuteczniejszym docieraniu do konsumentów.

4.5. Zastosowanie fMRI w badaniach psychospołecznych

Zainteresowanie wykorzystaniem fMRI w dziedzinie psychologii i nauk społecznych rośnie. Metoda ta umożliwia analizę związku aktywności mózgu z procesami psychologicznymi, społecznymi i emocjonalnymi. Wykorzystanie fMRI w badaniach psychospołecznych otwiera nowe możliwości zrozumienia interakcji między umysłem a społeczeństwem oraz wpływu czynników społecznych na funkcjonowanie mózgu.

Głównymi obszarami zastosowania fMRI w badaniach psychospołecznych są:

  • badanie percepcji społecznej i empatii
  • weryfikacja tożsamości społecznej i grupowej
  • analiza procesów decyzyjnych i wpływu społecznego na wyrażanie opinii
  • badanie procesów poznawczych związanych z interakcjami społecznymi

W celu lepszego zrozumienia procesów postrzegania emocji analizuje się aktywność mózgu podczas interakcji społecznych. Wyniki dostarczają informacji, jak człowiek identyfikuje się z różnymi grupami społecznymi, jak to wpływa na funkcjonowanie jego mózgu i jakie zmiany zachodzą w jego funkcjonowaniu poznawczym. Pozwala to także lepsze zrozumienie mechanizmów wpływu społecznego oraz podejmowania decyzji.

5. Bezpieczeństwo stosowania

Zastosowanie fMRI w diagnostyce medycznej jest bezpieczne i nieinwazyjne. Skanery wykorzystują silne pola magnetyczne, dlatego należy skonsultować się z lekarzem w przypadku obecności implantów medycznych. Przeciwwskazaniem do wykonania badania fMRI jest obecność w ciele pacjenta elementów, takich jak rozrusznik serca, wszczepialny kardiowerter-defibrylator serca, śruby w kościach, klipsy po tętniakach, czy implant ślimakowy.

Podczas fMRI generowane są głośne dźwięki wynikające z pracy elektromagnesu. Dlatego pacjenci otrzymują ochronne słuchawki lub zatyczki, aby zminimalizować wpływ hałasu na ich słuch.

W odróżnieniu od innych technik obrazowania fMRI nie wymaga stosowania środków kontrastowych. Nie występuje więc ryzyko wystąpienia alergii na środki kontrastujące, a w badaniu mogą brać udział osoby posiadające tatuaże.

Pacjenci poddawani badaniu fMRI mogą doświadczać pewnego dyskomfortu związanego z ograniczeniem ruchu oraz świadomością przebywania w wąskiej przestrzeni. W celu minimalizacji skutków psychicznych personel medyczny powinien zapewnić pacjentowi wygodne warunki i poinformować go o procedurze badania. Diagnostyce fMRI nie powinny być poddawane osoby z klaustrofobią.

6. Przygotowanie pacjenta do badania fMRI

Przed przystąpieniem do badania pacjent jest proszony o zdjęcie wszelkich metalowych elementów ubrania i biżuterii. Następnie kładzie się na specjalnym łóżku głową do wewnątrz tuby. Podczas badania, w zależności od jego celu, pacjent jest proszony o wykonywanie określonych zadań. Może to obejmować powtarzanie słów, liczenie, dopasowywanie podpisów do obrazków wyświetlanych na ekranie poprzez naciśnięcie odpowiedniego przycisku, odpowiadanie na określone pytania lub poruszanie daną kończyną. Zadania te służą do stymulowania aktywności mózgu w określonych obszarach.

Bibliografia

  1. Grabowska A. Świat wielkiego mózgu. Charaktery. 2002.
  2. Gut M., Marchewka A. Funkcjonalny rezonans magnetyczny – nieinwazyjna metoda obrazowania aktywności ludzkiego mózgu. Nowe metody w neurobiologii. 2004.
  3. Matthews P.M., Jezzard P. Functional magnetic resonance imaging. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry. 2004.
  4. Ogawa S., Sung Y. Functional magnetic resonance imaging. Scholarpedia. 2007.
  5. Watson S. How fMRI works. HowStuffWorks. 2015.
  6. Bandettini P.A. Functional MRI: Background, methodology, and clinical applications. Cambridge University Press. 2012.
  7. Bookheimer S.Y. et al. Patterns of brain activation in people at risk for Alzheimer’s disease. N. Engl. J. Med. 2000.
  8. Buxton R.B. Introduction to functional magnetic resonance imaging: Principles and techniques. Cambridge University Press. 2002.
  9. Calhoun V.D., Eichele T. Towards a neuroimaging biomarker for schizophrenia: An fMRI study of synchronous neural interactions in unmedicated patients. NeuroImage. 2010.
  10. Heeger D. Physics and Physiology of fMRI. New York University. 2015.
  11. Sair H.I., Hajari N. Functional MRI applications in clinical neurology and psychiatry. Academic Radiology. 2019.
  12. Smith K.A. et al. Cerebellar responses during anticipation of noxious stimuli in subjects recovered from depression. Functional magnetic resonance imaging study. Br. J. Psychiatry. 2002.
  13. Harris L.T., Fiske S.T. Neural regions that underlie reinforcement learning are also active for social expectancy violations. Social Neuroscience. 2010.
  14. Lieberman M.D. Social cognitive neuroscience: A review of core processes. Annual Review of Psychology. 2007.
  15. Pradeep A.K. Mózg na zakupach. Neuromarketing w sprzedaży. 2011.
Wesprzyj nas, jeśli uważasz, że robimy dobrą robotę!

Nieustannie pracujemy nad tym, żeby dostępne u nas treści były jak najlepszej jakości. Nasi czytelnicy mają w pełni darmowy dostęp do ponad 300 artykułów encyklopedycznych oraz ponad 700 tekstów blogowych. Przygotowanie tych materiałów wymaga jednak od nas dużo zaangażowania oraz pracy. Dlatego też jesteśmy wdzięczni za każde wsparcie członków naszej społeczności, ponieważ to dzięki Wam możemy się rozwijać i upowszechniać rzetelne informacje.

Przekaż wsparcie dla NeuroExpert.