fMRI: functionele magnetische resonantie-imaging

Functionele magnetische resonantie-imaging, of fMRI, is tegenwoordig een veelgebruikte neuroimagingmethode voor het onderzoeken van de menselijke hersenfunctie en cognitie. fMRI kan worden gebruikt om zowel normale hersenfuncties als abnormale of ziekelijke hersentoestanden te onderzoeken.

Deze methode maakt gebruik van sterke magneten om kaarten van hersenactiviteit op te stellen door veranderingen in de bloedstroom te detecteren die gekoppeld zijn aan neuronale activatie. Deze beeldvormingstechniek heeft een uitstekende ruimtelijke en een goede temporele resolutie en is non-invasief, aangezien er geen injecties nodig zijn en proefpersonen niet worden blootgesteld aan ioniserende straling.

Deze video behandelt hoe het fMRI-signaal wordt verkregen, het basisontwerp van het experiment, de fMRI-acquisitie en de basisverwerking van gegevens.

Laten we eerst kijken naar hoe magnetic resonance imaging werkt. In essentie zijn MRI-apparaten, of "scanners", zeer sterke elektromagneten, doorgaans 1,5 - 3 tesla (T), die de magnetische eigenschappen van weefsel in het lichaam gebruiken om beelden te creëren.

Wanneer een patiënt of proefpersoon zich buiten de scanner bevindt, spinnen de waterstofkernen van watermoleculen in het weefsel op een ongeordende manier. Wanneer er een magnetisch veld wordt aangelegd, worden ze meer geordend. Wanneer het subject binnen het magnetisch veld wordt blootgesteld aan oscillerende radiofrequentiepulsen, gaat de spinhoek van de kernen over van de ene naar de andere toestand en wordt er een signaal afgegeven dat door de scanner wordt uitgelezen om een beeld te produceren.

Functionele MRI is mogelijk omdat het hemoglobine in ons bloed verschillende magnetische eigenschappen heeft, afhankelijk van of het gebonden is aan zuurstof of niet. In gedeoxygeneerde toestand is het "paramagnetisch", wat betekent dat het een veldinhomogeniteit veroorzaakt, of een lichte verstoring in het lokale magnetische veld, waardoor het magnetische resonantiesignaal dat uit het omringende weefsel wordt verkregen, afneemt.

Door gebruik te maken van dit fenomeen kan hersenactivatie worden gemeten op basis van hoe de bloedstroom reageert op neuronale activatie. Wanneer neuronen vuren, resulteert hun verhoogde metabolisme in een instroom van oxygenated bloed, wat leidt tot een afname van de hoeveelheid gedeoxygeneerd hemoglobine in de regio.

Dit resulteert in meer signaal in het gebied rond de actieve neuronen door de afgenomen inhomogeniteit, en dit wordt het Blood Oxygenated Level Dependent-signaal, of BOLD-signaal, genoemd.

De plot van het MRI-signaal, de zogenaamde hemodynamische responsfunctie, ziet er zo uit, waarbij de signaalintensiteit in een regio toeneemt na neuronale activatie.

De scanner kan worden ingesteld om dit fenomeen in beeld te brengen met behulp van een beeldsequentie die gevoelig is voor bloedoxygenatie. Het volledige hersenvolume moet elke paar seconden worden gescand om de timing van het BOLD-effect vast te leggen.

Net als bij alle wetenschappelijke experimenten beginnen experimenten met fMRI bij het opstellen van een hypothese. Vervolgens moet een stimuluspresentatiepatroon, of paradigma, worden ontworpen om de hersenfunctie van belang te testen. Ontwerpen kunnen variëren van een basis blok-paradigma, met langere perioden van stimulusexpositie, tot een complexer event-related ontwerp, waarbij stimuli kort worden gepresenteerd en verspreid over de loop van de trial.

Er moeten ook passende scanparameters worden geselecteerd die werken voor het experimentele ontwerp, waarbij gebruik wordt gemaakt van een MRI-sequentie die gevoelig is voor het BOLD-signaal.

Voordat er experimenten op menselijke proefpersonen worden uitgevoerd, is goedkeuring van een ethische commissie of een institutionele toetsingscommissie vereist. Daarna kunnen geschikte studieparticipanten worden geworven.

Vóór de scan moeten proefpersonen eerst worden gescreend op MRI-veiligheid, en alle participanten met MRI-contra-indicaties, zoals de aanwezigheid van een pacemaker, moeten worden uitgesloten. Er moet ook schriftelijke en geïnformeerde toestemming worden verkregen, en alle metalen voorwerpen moeten van het lichaam van de proefpersoon worden verwijderd.

Vervolgens moeten de aard van het experiment en de instructies voor de functionele taak worden doorgenomen, aangezien de prestaties van de proefpersoon cruciaal zijn voor robuuste resultaten.

In de scannerruimte moet gehoorbescherming worden verstrekt voordat de hoofdspoel wordt geplaatst, met vulling rond het hoofd om beweging te verminderen. De apparatuur voor de stimuluspresentatie moet ook worden opgezet. Bril- of projectorsystemen worden vaak gebruikt voor visuele presentatie, maar er bestaan ook andere typen apparatuur voor de toediening van stimuli.

Zodra de proefpersoon comfortabel ligt, wordt de scantafel in de magneetboor geschoven. Vervolgens worden de beeldvormingssequenties ingesteld, inclusief een anatomische scan met hoge resolutie om te kunnen herregistreren ten opzichte van de functionele scans.

De proefpersoon moet worden herinnerd aan de taakinstructies, en de functionele acquisitie moet worden gesynchroniseerd met de start van het taakparadigma. Dit is cruciaal, omdat de timing van de taak moet overeenkomen met de timing van de beeldacquisitie voor nauwkeurige BOLD-metingen.

De proefpersoon moet tijdens de scan worden gemonitord, en indien nodig moeten aanvullende functionele runs worden uitgevoerd. Ten slotte wordt de proefpersoon geholpen bij het verlaten van de scanner en de scantafel.

De specifieke methode voor beeldverwerking en het gebruikte softwarepakket variëren afhankelijk van het experiment. In deze video bespreken we gangbare verwerkingsmethoden voor BOLD-taken.

Ten eerste moeten de fMRI-gegevens worden voorbewerkt om beeldartefacten te verwijderen en ze voor te bereiden op statistische analyse. Dit omvat slice-time correctie en bewegingscorrectie, evenals co-registratie met het anatomische beeld.

Voor groepsonderzoeken wordt vaak ook normalisatie naar een standaard template-ruimte uitgevoerd, zodat de hersengebieden en ruimtelijke coördinaten tussen proefpersonen kunnen worden vergeleken.

Zodra de gegevens zijn voorbereid, wordt een statistische analyse uitgevoerd om regio's te lokaliseren met een significant MR-signaal dat correleert met de stimulus of de cognitieve functie die is getest. Het algemeen lineair model wordt doorgaans gebruikt om taakgebaseerde experimenten te analyseren. Dit model gaat ervan uit dat er een BOLD-signaal is verkregen dat overeenkomt met de verwachte hemodynamische responsfunctie, en convolueert deze functie met het stimulusontwerp.

Ten slotte wordt een statistische drempelwaarde gekozen om de resultaten te beoordelen. Deze worden doorgaans weergegeven als een statistische parametrische kaart, met een kleurgecodeerde schaal om statistisch significante eenheden van het beeld aan te geven, genaamd "voxels", die kunnen worden beschouwd als 3D-pixels. Indien nodig kan verdere analyse worden uitgevoerd.

Nu we hebben geïntroduceerd hoe een fMRI-experiment wordt ontworpen, uitgevoerd en geanalyseerd, laten we kijken naar enkele specifieke toepassingen van deze methode. fMRI wordt gebruikt om inzicht te krijgen in 'normale' menselijke hersenfuncties en cognitie, zoals motorische, visuele en taalverwerking, om er slechts enkele te noemen. Hoewel dit schijnbaar basisfuncties zijn, valt er nog veel te leren over deze en vele andere cognitieve processen.

Daarnaast kan fMRI worden gebruikt om hersenfuncties bij pathologische hersentoestanden en psychologische stoornissen te onderzoeken. Er zijn veel actieve onderzoeksgebieden, zoals angststoornissen, posttraumatische stressstoornis, autisme en dementie.

fMRI kan ook worden gecombineerd met andere MR-technieken of andere vormen van beeldvorming om hersenfuncties verder te onderzoeken, zoals diffusion tensor imaging, elektro-encefalografie of 'EEG', en zelfs transcraniale magnetische stimulatie, of 'TMS'.

Er zijn ook resting state fMRI-analysetechnieken die kunnen worden gebruikt om functionele connectiviteit te onderzoeken, zoals independent component analysis en cross-correlatieanalyse.

U heeft zojuist de JoVE-video over functionele MRI bekeken. Deze video behandelde hoe het fMRI-signaal wordt verkregen, het basisontwerp van fMRI-studies, fMRI-acquisitie, de verwerking van BOLD fMRI-gegevens en de toepassingen hiervan.

We hebben geleerd dat fMRI een robuuste en niet-invasieve beeldvormingstechniek is die kan worden gebruikt om vele aspecten van de menselijke hersenfunctie en cognitie te onderzoeken.

Bedankt voor het kijken, veel succes met uw experimenten, en onthoud dat MRI-veiligheid altijd voorop staat!