پنجره ای به سوی مغز شما: fMRI (تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی) چگونه به ما کمک می کند تا بفهمیم درون سر ما چه می گذرد؟

چکیده:

مغز، آخرین مرز علم نوین. با وجود پیشرفت های فراوان تکنولوژی ما هنوز در مورد چگونگی کارکرد مغز اطلاعات کمی داریم. خوشبختانه توسعه روشی به نام تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI) به تدریج به تغییر این مسئله کمک می کند.  fMRI  می تواند فعالیت مغز را بدون باز کردن جمجمه یا قرار دادن سلول های مغز در معرض تشعشعات مضر اندازه گیری کند. fMRIبا استفاده از خواص مغناطیسی خون می تواند تغییرات جریان خون مربوط به فعالیت مغز را تشخیص دهد ، همچنین به دانشمندان و پزشکان اجازه می دهد تا تشخیص دهند کدام مناطق مغز بیشتر از مناطق دیگر فعال هستند. در حال حاضر  محققان از fMRI برای بررسی جنبه های مختلف فعالیت مغز در سلامتی و بیماری استفاده می کنند. دانشمندان همچنان در مورد fMRI  مطالعه می کنند و آن را با تکنیک های دیگر تلفیق می کنند تا درک بهتری از عملکرد و اختلال در عملکرد مغز به دست آورند.

 

ام آر آی چیست و چگونه عمل می‌کند؟

​​​​​”آیا تا به حال به کسی نگاه کرده‌اید و از خود ‌پرسیده اید، در مغز آن‌ها چه می‌گذرد؟​”

این سوال معروف که توسط جوی، شخصیت فیلم  inside outکه توسط استودیو پیکسار و والت دیزنی عرضه شد، مطرح شد، معمایی است که پزشکان و دانشمندان به کمک تصویربرداری مغزی به دنبال کشف روزانه آن هستند. تصویربرداری مغز به پزشکان و دانشمندان اجازه می‌دهد تا بدون باز کردن جمجمه، ساختارهای داخلی مغز را ببینند. تکنیک های مختلفی برای تصویربرداری از مغز وجود دارد،یکی از آن‌ها تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) نام دارد که به ساختار مغز نگاه می‌کند و دیگری تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI) ‏‏است که به عملکرد مغز می‌پردازد.

fMRI فعالیت مغز را با ردیابی تغییرات جریان خون در مغز اندازه گیری می کند. fMRI از MRI ناشی شده است. درحقیقت هر دوی آن ها از یک دستگاه به نام اسکنر تشدید مغناطیسی استفاده می کنند (شکل 1). از فناوری MRI برای ایجاد تصاویر دقیق و 3 بعدی از ساختار داخلی یک شی با استفاده از میدان مغناطیسی و امواج رادیویی استفاده می شود. MRI می تواند برای مطالعه قسمت های دیگر بدن به غیر از مغز و حتی اشیا بی جان استفاده شود. برای مثال، MRI میتواند توسط یک باستان شناس برای عکس گرفتن از داخل یک فسیل استفاده شود. از fMRI نیز می توان برای تصویربرداری از سایر قسمتهای بدن به غیر از مغز استفاده کرد. در پزشکی، MRI و fMRI مغزی برای کمک به تشخیص بیماری ها، برنامه درمان و مطالعه علل اصلی بیماری ها و اختلالات به کار می روند.

 

شکل1- اجزای سازنده اسکنر MR اسکن MRI و fMRI در همان اسکنر MRI انجام می شود.

شکل1- اجزای سازنده اسکنر MR اسکن MRI و fMRI در همان اسکنر MRI انجام می شود.

 

اسکنر های MRI عکسبرداری از مغز را به صورت یک لایه نازک انجام می دهند. سپس تصاویر مانند پنکیک روی هم چیده می شوند تا تصاویر کاملی از ناحیه  تصویربرداری شده ایجاد شود. شما ممکن است بپرسید این چگونه ممکن است؟ بدن انسان از میلیارد ها مولکول تشکیل شده است، از جمله مولکول های آب که توسط دستگاه MRI  قابل تشخیص است. اتم ها در تمام مولکول ها مانند مولکول های آب (H2o) حاوی پروتون هستند. پروتون ها مانند آهن رباهای ریز هستند. در غیاب یک میدان مغناطیسی بسیار قوی ( یعنی زمانی که ما خارج از اسکنر MRI هستیم ) پروتون ها در بدن ما جهت های تصادفی دارند (شکل A2). وقتی که در داخل اسکنر قرار می گیریم، میدان مغناطیسی قوی اسکنر که معمولا قدرت آن 10 ها هزار برابر قدرت مغناطیسی زمین است، پروتون ها را مجبور می کند تا با میدان همسو شوند، اگرچه ما هرگز نمی توانیم آن را احساس کنیم (شکل B2). کویل گرادیان (شکل 1) اپراتور های اسکنر کمک می کنند تا محل دقیق بدن ما را در داخل اسکنر تعیین کنند.

 

شکل 2- مولکول های موجود در بدن در حین اسکن MRI.

شکل 2- مولکول های موجود در بدن در حین اسکن MRI.

مولکول های موجود در بدن که مانند آهن ربا های ریز عمل می کنند ، در غیاب یک میدان مغناطیسی قوی ، جهت های تصادفی دارند. (B) اسکنرهای MR یک میدان مغناطیسی قوی (فلش قرمز) تولید می کنند که مولکول های بدن را مجبور می کند تا با میدان هماهنگ شوند. (C) کویل های RF فرکانس های رادیویی (فلش آبی نقطه دار) را به نقاط مختلف بدن منتقل می کنند. این مولکول ها بین جهت میدان های مغناطیسی کویل RF و اسکنر دوباره ردیف می شوند. (D) وقتی فرکانس های رادیویی دیگر منتقل نمی شوند ، مولکول ها به تراز اصلی خود با میدان مغناطیسی اسکنر برمی گردند یا “آرام می شوند” ، و انرژی را به شکل امواج الکترومغناطیسی آزاد می کنند (قسمت اضافه شده در سمت راست). انرژی آزاد شده را می توان برای ایجاد تصویری از قسمت های بدن تجزیه و تحلیل کرد.

 

 

سپس ، کویل های فرکانس رادیویی (RF) امواج فرکانس رادیویی را در سرتا سر نواحی بدن که در حال تصویربرداری است ، منتقل می کنند تا پروتون ها را دوباره ، اما به طور موقت ، تنظیم کنند (شکل C2). کویل های فرکانس های رادیویی (RF) ممکن است بخشی از دستگاه MRI برای اسکن تمام بدن باشد و هنگام تصویربرداری از مغز از یک سربند خاص استفاده می شود. هنگامی که فرکانس های رادیویی دیگر منتقل نمی شوند، پروتون ها در تراز اصلی خود با میدان مغناطیسی اسکنر به حالت آرامش در می آیند. با این کار پروتون ها انرژی  ای را که آن ها را در جهت کویل های فرکانس رادیویی (RF) (مثل رها کردن تیرکمان بچه گانه ) به شکل سیگنال های الکترومغناطیسی می کشد، آزاد می کنند (شکل D2).

همان طور که میلیون ها قطره ی آب می توانند یک گودال ایجاد کنند، سیگنال های میلیون ها پروتون وقتی با دقت تجزیه و تحلیل شوند، می توانند با هم ترکیب شوند تا تصویر دقیقی از بدن ارائه دهند. در حالی که MRI فقط از ساختار مغز عکس می گیرد ، fMRI با سنجش جریان خون در شرایط مختلف ، فعالیت (یا عملکرد) مغز را نشان می دهد.

 

نورون ها: بلوک های ساختمانی مغزهای ما

مغز به ما کمک می کند دنیای اطراف خود را درک کرده و به آن ها پاسخ دهیم. و به ما این امکان را می دهد چیزهایی که میبینیم، می شنویم، لمس می کنیم و می چشیم را تفسیر کنیم و پاسخ های بدن خود را نسبت به محیط خارجی تنظیم کنیم. همه ی این کار ها از طریق شبکه های سلول های ریزی به نام نورون انجام می شود که اطلاعات را بین مغز و بقیه بدن پردازش و انتقال می دهند. وقتی مغز با وظیفه ای مانند به خاطر سپردن یک ایده روبرو می شود ، سلول های عصبی مسئول آن کار نسبت به سایر نورون های اطراف خود بیشتر فعال می شوند. آن ها این کا را با ایجاد سیگنال های شیمیایی و الکتریکی و انتقال آن ها از یک نورون به نورون دیگر انجام می دهند. از این فرایند به عنوان فعالیت عصبی یا فعالیت مغزی یاد می شود.

 

fMRI چگونه فعالیت مغز را اندازه گیری می کند؟

فعالیت عصبی به انرژی نیاز دارد. همانند سایر سلولهای بدن ، نورونها با استفاده از اکسیژن برای تجزیه قند ، انرژی تولید می کنند. وقتی فعالیت عصبی در بخشی از مغز افزایش یابد ، انرژی بیشتری مصرف می شود. برای جبران مجدد این انرژی ، خون حامل اکسیژن بیشتری به آن منطقه از مغز منتقل می شود. خون با استفاده از مولکولی به نام هموگلوبین اکسیژن را منتقل می کند. هموگلوبین مانند یک براده آهن ریز ، حاوی آهن است که به آن خواص مغناطیسی می بخشد. بسته به اینکه هموگلوبین اکسیژن حمل می کند یا نه (یعنی دارای اکسیژن باشد یا اکسیژن زدایی کند) ، خواص مغناطیسی آن کمی متفاوت است. بنابراین، فعالیت عصبی بیشتر منجر به جریان بیشتر خون اکسیژن‌دار می‌شود(شکل 3)، به طوری که نواحی مغزی که فعال‌تر هستند کمی بیشتر مغناطیسی هستند. این منجر به ایجاد الگوهای کمی متفاوت از امواج الکترومغناطیسی می شود.

 

شکل 3- حرکت هموگلوبین اکسیژن دار و اکسیژن زدایی شده در حین فعالیت عصبی.

شکل 3- حرکت هموگلوبین اکسیژن دار و اکسیژن زدایی شده در حین فعالیت عصبی.

(A) وقتی فعالیت عصبی در ناحیه مغز افزایش یابد ، انرژی بیشتری توسط آن ناحیه مغز استفاده می شود و هموگلوبین با اکسیژن رسانی به سلولهای مورد نیاز ، اکسیژن زدایی می شود. (B) برای جبران مجدد این انرژی ، خون اکسیژن دار بیشتری به آن ناحیه مغز منتقل می شود.

 

fMRI با اندازه‌گیری تغییرات میزان اکسیژن موجود در خون و میزان جریان خون، فعالیت مغزی را تشخیص می‌دهد. این اندازه گیری به عنوان فعالیت وابسته به میزان اکسیژن خون (BOLD) شناخته می شود. به عبارت دیگر، فعالیت BOLD یک جایگاه مناسب برای فعالیت مغز است: fMRI فعالیت مغزی را به طور غیر مستقیم با اندازه‌گیری فعالیت BOLD اندازه‌گیری می‌کند. این تا حدی شبیه به این است که بفهمید کجا و چه زمانی صاعقه با گوش دادن به طوفان رخ داده‌است.

 

(BOLD) نگاهی به عملکرد مغز

طی سه دهه اخیر، محققان از تصویربرداری “BOLD MR” برای پاسخ به پرسش جوی (شخصیت فیلم بیرون و درون) در مورد ﺁنچه در ذهن مردم می‌گذرد، استفاده کرده‌اند. در تحقیقات دکتر گریگوری برنز و همکارانش، قدرت fMRI در دستیابی به اعماق نفوذ ناپذیر عملکرد مغز، در انسان‌ها و حیوانات به خوبی نشان‌داده شده‌است. آنها فعالیت BOLD را در مغز سگ ها در پاسخ به دو سیگنال دست مختلف توسط مربیان خود مقایسه کردند: یکی از آن‌ها به سگ‌ها گفت که به آن‌ها پاداش غذای خوش‌مزه خواهد داد و دیگری به آن‌ها گفت که پاداش دریافت نخواهند کرد (شکل 4،A).

 

شکل 4- فعالیت مغز در سگ ها وقتی که انتظار پاداش دارند.

شکل 4- فعالیت مغز در سگ ها وقتی که انتظار پاداش دارند.

نمای کناری سر سگ. صفحه آبی صفحه‌ای را نشان می‌دهد که تصاویر مغزی در آن به دست آمده‌اند. (B) فعالیت BOLD در دو سگ ماده سالم به نام های کالی و مکنزی اندازه گیری شد در حالی که آنها سیگنالهای دست مربی خود را برای پاداش در مقابل عدم پاداش تماشا می کردند. تصاویر fMRI در سمت چپ و تصاویر MRI ساختاری در سمت راست قرار دارند. این تصاویر نمای بالایی مغز است که در صفحه نشان‌داده‌شده در (A)گرفته شده‌است. ناحیه دم دار (CD) در تصاویر fMRI روشن می شود ، به این معنی است که فعال شده است و فلش سبز محل هسته دم دار را در تصاویر MRI ساختاری مربوطه نشان می دهد. R و L نشانگر سمت راست و چپ سگ است. نوار رنگ میزان فعالیت را با قرمز یعنی بیشترین و آبی کمترین نشان می دهد.

 

 

آن ها دریافتند یک منطقه در اعماق مغز به نام هسته دم دار ( منطقه ای در مغز که به پاداش نیز پاسخ می دهد)،  وقتی سگها سیگنال پاداش را می دیدند فعال تر از زمانی بود که سیگنال عدم پاداش را می دیدند (شکل A4).  مطالعات پیشین در انسان‌ها و دیگر گونه‌ها نشان داده‌اند که زمانی که انتظار پاداش را داریم همان ناحیه مغز در انسان‌ها فعال شده‌است. بنابراین، در این مثال جوابی برای سوال جوی وجود دارد: ﺁنچه که در سر یک سگ می گذرد به طور قابل توجهی شبیه ﺁنچه در سر ما در موقعیت های مشابه می گذرد است و می توان با استفاده از  fMRI  هر دو مورد را تصویر برداری کرد. این بینش و فهم قابل توجه بدون امکان خواندن مغز سگ ها با استفاده از fMRI ممکن نبود!

 

تاثیر بر سایر زمینه ها، از جمله پزشکی

توسعه MRI و fMRI به ما این امکان را داده است که در درک عملکرد مغز گام های بلندی برداریم. بخشی از این امر به این دلیل است که MRI و fMRI ، برخلاف اشعه ایکس با تشعشعات مضر به سلول های مغز آسیب نمی رساند و می تواند محل فعالیت مغز را با دقت بیشتری تعیین کند. علاوه بر این MRI می‌تواند برای مطالعه گستره وسیعی از چیزها علاوه بر انسان‌ها، از جمله حیوانات، گیاهان، موجودات دیگر و حتی فسیل‌های فاقد خون، مورد استفاده قرار گیرد. با این وجود، بیشترین تاثیر MRI و fMRIدر شناخت بیماری های مغزی بوده است. به عنوان مثال ، همین چند سال پیش ، ما فقط قادر به ردیابی بیماری آلزایمر در مراحل بعدی بیماری بودیم ، در حالی که بیشتر آسیب های مغزی قابل بازگشت نیست، با توسعه fMRI ، تشخیص زودهنگام آلزایمر به طور فزاینده ای امکان پذیر است. افراد مبتلا به آلزایمر گرایش به فعالیت کمتری در برخی از بخش‌های مغز خود در مقایسه با افراد سالم دارند. از این رو، پزشکان می‌توانند از fMRI برای تشخیص زودهنگام آلزایمر، با تشخیص سطوح غیر عادی و یا فعالیت کمتری در این مناطق مغز قبل از وخیم شدن این بیماری، استفاده کنند. همچنین اسکن های fMRI امروزه می تواند مغز دارای اتیسم یا بدون اتیسم را با دقت 97% تشخیص دهند. مطالعات fMRI الگوهای کاهش فعالیت در بخشی از مغز را که برای برنامه ریزی، حل مسئله و فهم تعاملات اجتماعی مهم است، نشان داده است. همچنین، اسکن‌های بیماران مبتلا به اتیسم ارتباط کمتری را بین دو نیمه مغز نشان داده‌اند. بنابراین، با مقایسه سیستماتیک عملکرد مغز در بیماران مبتلا به برخی بیماری های مرتبط با مغز با عملکرد مغز بیماران سالم، پیشرفت سریع در درک این بیماری ها صورت می گیرد.

 

در آینده چه اتفاقی خواهد افتاد؟

با وجود همه پیشرفت ها ، تعدادی از چالش ها همچنان باقی مانده است. به عنوان مثال ، ما هنوز در مورد چگونگی رشد مغز در اوایل کودکی اطلاعات کمی داریم. در حال حاضر ، دستگاه های fMRI تاریک ، پر سر و صدا و ترسناک هستند ، به همین دلیل آنها برای نوزادان و افرادی که از فضای تنگ می ترسند نامناسب است. همچنین ایجاد تصاویر مدت زمان زیادی طول می کشد و “دوربین” آنها به شدت به حرکت حساس است و باعث تار شدن تصاویر می شود. علاوه بر این ، fMRI گران است ، قابل حمل نیست و برای استفاده ی پزشکان و دانشمندان به آموزش زیادی نیاز دارد. محققان در تلاشند تا این مشکلات را برطرف کنند. چالش مهم دیگر ، بهبود سرعت فرایند تصویربرداری در MRI و بهبود کیفیت تصاویر است. به نظر می رسد این چالش ها و چندین چالش دیگر ممنوع شده باشند، اما در واقع فرصت های آینده برای ذهن های جوان و مشتاق امروز است.

 

0
سیناپس
توسعه دهنده وب

بدون محدودیت به هزاران محتوای طبقه بندی شده، مقاله، کتاب‌، دوره‌ آموزشی، رویداد، اخبار، نوآوری و دستاوردهای حوزه علوم شناختی دسترسی پیدا کنید و به بزرگترین شبکه علوم شناختی کشور بپیوندید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سبد خرید
0