Fonksiyonel Nörogörüntüleme Teknikleri

Psikoloji Sinirbilim fmri, dtı, dwı, eeg, fnırs, meg, mr, nörogörüntüleme, pet robocognition 7 Eylül 2021 2 Yorumlar

Fonksiyonel Nörogörüntüleme Teknikleri

Nörogörüntüleme teknikleri dikkat, dil, hafıza gibi bir dizi bilişsel yetinin nöral temelleri hakkındaki anlayışımızı zenginleştirmek için kullanılır. Bağımsız değişkenin denek üzerindeki etkisini anlık izlenmesine imkan vermesi, girişimsel teknik olmaması, insan denek kullanılıp çalışılan bilişsel ya da davranışsal fonksiyonu diğer insanlar üzerinde genelleme imkanı vermesi gibi avantajları sebebiyle alanda sıklıkla nörogörüntüleme tekniklerinden faydalanır. Bu içerikte nörogörüntüleme tekniklerini inceleyeceğim.

İşlevsel nörogörüntüleme tekniklerini genel olarak iki sınıfa ayırmak mümkündür. Bunlardan ilki nöral ateşlemeden oluşan elektriksel aktiviteyi doğrudan ölçümleyen elektroensefalografi (EEG) ve manyetoensefalografidir (MEG). İkinci sınıf ise nöral aktivitenin bölgesel serebral kan akışı (rCBF= regional Cerebral Blood Flow), ve oksijen tüketimiyle paralel olarak metabolik aktivitenin ölçümlenmesi prensibine dayanarak nöral aktiviteyi dolaylı olarak ölçümlenmesine imkan veren işlevsel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), pozitron emisyon tomografisi (PET), işlevsel yakın kızılötesi ışın spektropisi (fNIRS) gibi yöntemlerdir.

İçindekiler Tablosu

Doğrudan Beyin Aktivitesini Ölçümleyen Teknikler

Bazı teknikler, nöron kümeleri aktif hale geldikçe elektriksel aktivitedeki değişiklikleri ölçerek (EEG) veya elektriksel aktivite değişimi sebebiyle manyetik alandaki değişiklikleri ölçerek (MEG) nöral aktiviteyi doğrudan ölçer.

Elektroensefalografi (EEG) & Magnetoensefalografi (MEG)

EEG en sık kullanılan işlevsel beyin görüntüleme tekniklerinden birisidir. Tarihçesi, 1929’da Hans Berger’in bir deneğin kafasının üzerine yerleştirdiği kepteki elektrotlar ile beynin elektriksel akivitesini başarılı bir şekilde ölçmesiyle başlar. Bu teknik, beyin aktivitesinin gerçek zamanlı ölçümünü sağlayabilmesi sebebiyle günümüzde hala kendine geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. EEG, postsinaptik potansiyellerle ilişkili nöral depolarizasyon sırasında hücresel membran boyunca net elektrik akımı tarafından üretilen geçici elektrik dipollerini kaydeder.

MEG, nöron kümelerinin aktivitesi sonucu elektrik akımından oluşan manyetik alanı hassas manyetometre kullanarak ölçümleyip beynin haritalanmasını sağlayan işlevsel nörogörüntüleme tekniğidir. 1968 yılında MEG sinyalleri ilk kez fizik profösörü David Cohen tarafından indüklenmiş bakır coil detektör kullanılarak ölçümlenmiştir. Genel olarak iki farklı manyetometre kullanılmaktadır; bunlar: SQUID (Süperiletken Kuantum Girişim Cihazı ) ve SERF (spin-yörünge etkisi olmayan manyetometre).

EEG nöral depolarizasyon ile ilgili elektriksel aktiviteyi kaydederken, MEG tekniği bu elektriksel aktiviteden üretilen manyetik alanı kaydeder. İki teknikte de sinyal öncelikli olarak piramidal nöronların aktivitesinden kaynaklanır. Piramidal nöronların yaklaşık olarak %70’i neokortekste bulunur. EEG kortikal gyri ve sulci’ni derinliklerindeki primidal hücrelerin aktivitesini ölçerken; MEG öncelikli olarak sulcinin yüzeyindeki piramidal hücrelerin aktivitesini ölçer; yani MEG’in EEG’ye göre ölçüm alanı daha dardır. EEG ve MEG’teki ana problem, gelen sinyalin kaynağını tanımlamaya yönelik olan zorluktur. Bu zorluk literatürde “terslik sorunu (inverse problem)” olarak adlandırılır. MEG’in EEG’ye göre avantajı, algılanan sinyallerin farklı kafa yapılarına daha az duyarlı olmasıdır. Sonuç olarak, EEG’nin kapsam olarak daha çok nöron aktivitesi ölçümleyebilmesi ve MEG’in sinyal kaybı ve bozukluğuna daha az duyarlı olması sebebiyle iki teknik birbirini tamamlar.

EEG ve MEG keskin zamansal çözünürlüğe sahiptir. İkisi de milisaniyelik çözünürlükteki nöral aktivite değişimlerine karşı hassastır; ancak, bu methodlar düşük uzaysal çözünürlüğe sahiptir; yani sinyal kaynağınının tam olarak belirlenmesi zordur. Bu teknikler nöral kümelerin aktivitelerini gerçek zamanlı ölçümlerken, aynı zamanda dezavantajları da bulunmaktadır. Yukarıda bahsedilen terslik problemine ek olarak, derin beyin yapılarındaki elektriksel aktiviteyi/manyetik alanı ölçmeye yönelik zorluktur.

Dolaylı Olarak Beyin Aktivitesini Ölçümleyen Teknikler

Dolaylı olarak beyin aktivitesini ölçümleyen tekniklerdeki genel prensip, bilişsel veya davranışsal fonksiyonlarla ilişkili beyin bölgelerini haritalandırmak için iki veya daha fazla görüntü alınır. Öncekli olarak, görüntü serisindeki değişiklikerin karşılaştırılacağı kontrol görüntüsü (baseline=temel) alınır. Daha sonra deneğe beyin bölgesiyle ilişkili olduğunu düşündüğümüz aktiviteyi yaptırıp görüntü alınır ve beyin bölgesi ve aktivite arasında ilişki kurulur ve haritalandırma yapılır. Örneğin, kortekste uzuvları hareket ettirmekten sorumlu bölgeyi haritalandırmak için, hiç uzuv hareketinin olmadığı görüntüsü ile uzuv hareketinin gerçekleştiği görüntü karşılaştırılır. Tabi bunun oldukça basitleştirilmiş bir anlatım olduğunu da unutmamamız gerekir.

Pozitron Emisyon Tomografisi (PET)

PET, vücuda enjekte edilen radyoaktif maddenin (ör. Flor-18,FDG= Florodeoksiglukoz) vücuda dağılımıyla yayılan pozitronları tespit edip ilgili beyin bölgesini görsel olarak incelemeye imkan veren girişimsel olmayan bir işlevsel görüntüleme tekniğidir. Eş zamanlı olarak PET ve BT görüntüleri bir makinede alınarak PET sinyallerinin BT(PET/BT) tarafından anatomik lokasyonu gösterilir. PET tekniğinde, BT veya MRI gibi tekniklerden farklı olarak, yüksek sinyal-gürültü oranı ve radyoaktif moleküllerin peneterasyon etkililği kullanılarak, incelenmek istenilen bölgeyi çevreleyen dokuları dışlayarak hücresel yapıları maksimum çözünürlükte tespit edilmesi hedeflenir.

Roy ve Sherrington, 1890 yılında beyin uyarımının ilgili nöron topluluklarının aktivitesini arttırmak için kan akışının bölgesel olarak arttığını kanıtladı. 1955 yılında Landau ve arkadaşları bölgesel serebral kan akışını hayvanlarda ölçmek için radyoaktif izleyicileri kullandı. Bu teknik 1963’te ilk defa insanlara uygulandı. En yaygın olarak kullanılan radiyoaktif izleyici 1502’dir; yani bir oksijen molekülündeki oksijen atomundan bir elektron çıkartılır ve atom karasız bir hale getirilir. Atom kararlı durumuna (16O2) dönebilmesi için pozitron yayar. PET kamerası ise pozitron yayılımını kaydeder. Kısaca prosedüre değinecek olursak bir PET taramasında az miktarda radyoaktif izleyici damar içine enjekte edilir. İzleyici beyne yaklaşık olarak 30 saniyede giriş yapar ve ilerleyen 30 saniyede beyindeki radyasyon maksimum değerine ulaşır. Bu süreç içerisinde rCBF görüntüsü alınır.

PET’in fMRI’a göre en büyük avantajı radyoaktif izleyici seçimidir. Dopamin, seretonin (C-11(Kolin) , F-18 (FDG, N-Metilspiperon), opiat reseptörleri (C-11, Karfentanil) gibi reseptörlere bağlanabilen radyofarmasötik bileşimler araştırmalarda kullanılabilir. Bundan dolayı PET tekniği, nörotransmiterlerin bilişteki rolünü anlamamızda bize geniş bir çalışma alanı sunar. Ancak, PET’in dezavantajları da vardır ki bu sebeple günümüzde fMRI, beyin aktivitelerinin ölçümünde daha fazla tercih edilen bir yöntem olmuştur. İlk dezavantajı PET maliyetli bir tekniktir. PET tekniği, PET kamerasına ek olarak radyoaktif izleyici üretmek için siklotron kullanımını gerektirir. İkinci dezavantajı düşük zamansal çözünürlüğe sahip olmasıdır. Üçüncü dezavantajı, PET bir radyoaktif izleyicinin enjeksiyonu gerektiği için fMRI’a göre daha girişimsel bir tekniktir. Son olarak bu teknik çocuklar için uygun bir görüntüleme tekniği değildir.

Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG) Teknikleri

MRI tekniğinde, radyofrekans dalga sinyalleri hidrojen atom çekirdeklerini vücutta hizlamak için kulanılır. Karşıt rezonans (çağıldayan= resonating) hidrojen atom çekirdeği geri döndüğünde, tarayıcı sinyali algılar ve bunu görüntüye çevirir. Kas, bağ, kan damarı ve beyin gibi hidrojen bakımınndan zengin yumuşak dokular MRI görüntü alımına uygundur. Anlık çoklu MRI görüntülemeleri zaman-bağımlı dinamik değişiklikleri izlememize imkan verir.

fMRI günümüzde en yaygın kullanılan işlevsel beyin görüntüleme tekniklerinden birisidir. Bunun birkaç sebebi vardır. İlki göreceli düşük maliyeti, tarama için kullanılacak deneklerin daha az riske tabi tutulması, iyi kalitede uzaysal çözünürlük ve diğer dolaylı nörogörüntüleme yöntemlerine göre daha iyi zamansal çözünürlüğe sahip olmasıdır. Aşağıda, alanda tercih edilen fMRI methodlarına değinilmiştir.

***Kaynak: https://www.itnonline.com/article/mri-technology-and-throughput***

Kan oksijen seviyesi bağımlı görüntüleme (BOLD)

Roy ve Sherrington’ın yukarıda bahsedilen beyin aktivitesinin bölgesel kan akışıyla ilişkisi olduğu keşfine ek olarak, aktif hale gelen beyin bölgesinden oksijen çıkışında artış olması durumu da gözlemlendi. Bu oksijen artışı sebebiyle hemoglobinler arasında kontrast oluşması durumu BOLD (blood oxygen-level dependent) fMRI görüntüleme methodunda kullanılır. Oksijenli hemoglobin, (oksihemoglobin) oksijenlenmemiş hemoglobine ( deoksihemoglobin ) göre farklı manyetik özelliklere sahiptir. BOLD kontrastı birincil olarak deoksihemoglobinin paramanyetik özelliklerinden türetilmiştir. Beyin bölgelerinde deoksihemoglobin artışı bölge için MR sinyalinde azalmaya sebep olur. Bir beyin alanı aktif olduğunda , o beyin aktivitesini desteklemek için metabolizma artar. Aeorobik metabolizma aktivitesinde kullanılan oksijen miktarı artar ve deoksihemoglobin miktarı aktif alanda geçici olarak artar; dolayısıyla MR sinyali düşer. Daha sonra, aktif bölgede artan metabolizmaya oksihemoglobin iletmek için rCBF artar. rCBF artışı, aktif dokuya oksijen sağlamak için gerekenden fazladır. Bundan dolayı, göreceli olarak aktif bölgedeki birim hacim deoksihemoglobin miktarı azalır ve bu azalma ortalama 6 saniye sonra pik değere ulaşır. Aktif bölgede aşırı ödünleme sebebiyle MR sinyalleri artar ve bu sinyallerdeki farklılık ile haritalandırma yapılır. Sonuç olarak, BOLD sinyali bölgesel serebral oksijen kullanımı, kan akışı ve kan hacimindeki değişimlerin kompleks etkileşiminin bir sonucudur.

***BOLD fMRI Methoduyla Elde Edilen Görüntülerin Karşılaştırılması***

Spesifik uyaran sunumu sonrası kan akışında bir artış (ör: beyin uyarımı ya da görsel ya da işitsel uyaran sunumu) hemodinamik yanıt olarak adlandırılır. Örneğin, görsel kortekste kısabir görsel uyaran sunumu (30 milisaniye) sonrasında hemodinamik yanıt, uyaranın başlangıcından yaklaşık 4-6 saniye sonra zirve yapar. Bir saniyeden az süren bir olayın oluşturduğu bir hemodinamik yanıt, sinyalde tipik olarak zirveye çıkması ve taban çizgisine (baseline) dönmesi 10-12 saniye süren bir artış gösteren bir hemodinamik yanıt oluşturur.

Perfüzyon fMRI

Perfüzyon, belli bir zamanda (dakika) dokunun belli miktarının (100 gr) kapiller yatağından geçen kan miktarı (mL) olarak tanımlanır
Türk Radyoloji Derneği

Perfüzyon fMRI bizlere doğrudan hemodinamik tepkileri ölçümlememize imkan veren fMRI yöntemidir. BOLD fMRI methodu ise farklı durumlardaki hemodinamik tepkilerin karşılaştırması esasına dayanır. Perfüzyon fMRI, BOLD fMRI’a göre daha az tercih edilir; çünkü daha az ölçüm hassasiyetine sahiptir.

Difüzyon Ağırlıklı Görüntüleme (DWI -MRI)

Difüzyon-ağırlıklı manyetik rezonans görüntüleme (DWI-MRI) suyun difizyon derecesini tespit etmek için kullanılan bir MRI görüntüleme yöntemidir. Görüntüleme için kısa zaman gereksinimi olan; yani hızlı değişimlerin fark edilebiceği görüntü değişimleri için kullanışlıdır. DWI’da su moleküllerinin difüzyonu bilgisini kullanarak görüntüde kontrast oluşturulur. Su molekülerinin difüzyonu rastgele değildir; ancak makromoleküller, fiberler ve zarlar gibi birçok yapıyla etkileşim halindedir. Bu etkileşim bizlere dokuların yapısı hakkında bilgi verir. DWI methoduyla genellikle myelinli beyaz cevherin görüntülemesi yapılır. Bir sonraki başlıkta bahsedeceğim Difüzyon Tensör Görüntüleme (DTI), DWI’nın özellikle beyindeki beyaz cevherin aksonunlarını görüntülemek için kullanılan özel bir yöntemidir.

Difüzyon Tensör Görüntüleme (DTI)

Difüzyon tensör görüntüleme yukarıda bahsettiğim gibi beyindeki beyaz cevherin nöral aksonlarını görüntülemek için kullanılan bir yöntemdir. DTI, 3 boyutlu veya çok boutlu vektör algoritmalarını kullanarak verilerden elde edilen nöral yolakların yön bilgisini görüntüler. DTI her bir görüntü vokselinde difüzyonun homojen ve doğrusal olduğunu varsayarak difüzyon sürecini modeller. Fiber yolağın yönü tensörün ana özvektörü tarafından belirlenir. Bu özvektörde, fiber yolakların pozisyonunun, yönünün (ör. Kırmızı sağdan sola doğru; mavi renk ayaktan başa doğru; yeşil renk ise, önden arkaya doğru yönü belirtmek için kullanılır) ve anizotropisinin (yolağın parlaklığını belirtir) haritasını veren renk-kodlamalı bir sistem kullanılır. Haritalamada, fiberleri uzunluğu boyunca izlemek için difüzyon tensörü kullanılır. Genellikle manuel olarak tanımlanan bir ilgi alanından başlanarak, fiber izleme algoritması, ana difüzyon yönü bir önceki voksellerin sürekliliğindeki bitişik vokselleri arar. Paralel akson demetleri ve miyelin kılıfları su moleküllerininin ana yönü boyunca difüzyonunu kolaylaştırır.

DTI görüntüleme modeli her bir vokselde benzersiz bir fiber dizilimi olduğunu varsayar. Tensörün ana özvektörü fiberlerin yönünü temsil eder. Bu varsayım paralel fiberler için geçerliyken çarpaz geçen fiberler için geçerli değildir. Çapraz fiberlerden kastedilen, fiberlerin diziliminin benzersiz olmadığı; yani, fiberlerin birbirine geçtiği, kıvrıldığı ya da uzaklaştığı bölgelerdir.

Yakın kızılötesi spektroskopisi (Near Infrared Spectroscopy and Imaging (NIRS) )

Yakın kızılötesi spektroskopisi (Near Infrared Spectroscopy and Imaging (NIRS) ) 650-950 nanometre aralığındaki yakın kızılötesi ışığındaki değişimlerin nöronlar tarafından farklı oranlarda absorbe edilip beyindeki hemoglobin miktarı ve oksijenlenmesini veya kan hacmini ölçerek beyin aktivitesindeki değişiklikleri ölçümler. Bu yönüyle BOLD fMRI methoduna benzerdir. Serebral korteks fNIRS incelemeleri için uygun bölgedir. Kızılötesi ışık kafa boyunca ilerlerken üstünde hareket ettiği hücreler tarfından absorbe edilir.

fNIRS’ın avantajı güvenli, ucuz ve (fMRI’a göre) basit bir yöntem olmasıdır. Ayrıca, bu tekniğin fMRI’daki gibi kafa haraketlerine hassas olmadığı için çocukların denek olarak kullanılmasına imkan verir. fNIRS’ın en büyük dezavantajı, sadece beyin yüzeyindeki aktivitelerin (yüzeyin 3-5 cm derinliği) ölçümlenmesi için kullanılmasıdır.