Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) - na czym polega badanie

Funkcjonalny rezonans magnetyczny pozwala w bezpieczny i bezbolesny sposób nie tylko zajrzeć do mózgu pacjenta, ale także zaobserwować ów mózg w działaniu.

Mimo iż jest to badanie stosunkowo nowe – szerszej publiczności zaprezentowano je dopiero niecałe 30 lat temu – okazało się ono przełomowe, i to nie tylko dla psychiatrii, neurologii oraz innych gałęzi medycyny. Odkrycia, których dokonano dzięki funkcjonalnemu rezonansowi magnetycznemu, na zawsze odcisnęły swoje piętno również w dziedzinach takich jak psychologia, kryminalistyka czy… marketing. Poznaj najważniejsze informacje na temat tej niesamowitej procedury.

Z artykułu dowiesz się m. in.:

• na czym polega funkcjonalny rezonans magnetyczny,
• co to jest sygnał BOLD – i dlaczego się tak nazywa,
• jak przebiega funkcjonalny rezonans magnetyczny, ile trwa i czy boli,
• jakie są zalety fMRI,
• czy funkcjonalny rezonans magnetyczny jest bezpieczny dla zdrowia,
• kiedy i po co wykonuje się fMRI,
• co to jest traktografia,
• czy istnieją przeciwwskazania do funkcjonalnego rezonansu magnetycznego,
• co można zobaczyć dzięki fMRI,
• jak się przygotować do czynnościowego badania mózgu metodą rezonansu magnetycznego.

Zasada działania rezonansu magnetycznego

Aby lepiej zrozumieć, na czym polega funkcjonalny rezonans magnetyczny, warto na wstępie przypomnieć sobie podstawowe założenia klasycznego rezonansu. Otóż wykorzystuje on zjawisko zmiany położenia jonów wodoru pod wpływem silnego pola magnetycznego. Są one obecne niemal w każdej komórce ciała, jednak czas ich powrotu do pierwotnej pozycji, gdy pole magnetyczne przestanie nań oddziaływać (tzw. czas relaksacji), jest różny w różnych typach struktur. Da się to zaobserwować, emitując w kierunku badanego elementu fale radiowe o odpowiedniej częstotliwości i rejestrując promieniowanie elektromagnetyczne generowane wówczas przez jony powracające „na miejsce”. Urządzenie do rezonansu magnetycznego przetwarza ów sygnał na obraz, gdzie różnym czasom relaksacji odpowiadają różne odcienie szarości. W ten sposób odwzorować można elementy zbudowane z różnych rodzajów tkanek, w tym tkanek zdrowych i chorych, oraz określić ich wzajemne położenie. Badanie takie określa się mianem strukturalnego – w przeciwieństwie do badania czynnościowego, które pozwala zbadać nie tylko budowę, ale również działanie danego narządu czy układu narządów.

Przeczytaj również: Rezonans magnetyczny - na czym polega badanie

Na czym polega funkcjonalny rezonans magnetyczny

Funkcjonalny rezonans magnetyczny to właśnie badanie czynnościowe mózgu. Poszczególne rejony tego ostatniego, odpowiedzialne za różne funkcje – np. za mówienie, poruszanie ręką, przypominanie sobie pewnych rzeczy lub ich zapamiętywanie – aktywizują się w trakcie wykonywania rozmaitych czynności i zużywają wówczas energię czerpaną z procesu spalania glukozy. Ów proces nie może zajść bez tlenu, dostarczanego z płuc wraz z krwią dzięki hemoglobinie. Kiedy substancja ta transportuje tlen, nazywa się ją oksyhemoglobiną (od łacińskiego słowa „oxygen” oznaczającego tlen), kiedy natomiast już tlenu ze sobą nie niesie, bo został zużyty – deoksyhemoglobiną. Każdy z tych dwóch wariantów hemoglobiny ma nieco inne właściwości magnetyczne, co przekłada się na różne czasy relaksacji jonów, możliwe do zaobserwowania techniką rezonansu. Podsumowując: gdy dany obszar mózgu się uruchamia, zmienia się jego zapotrzebowanie na tlen, czyli również przepływ bogatej w ów pierwiastek krwi przez ten obszar, a tym samym także jego widoczność na obrazach uzyskiwanych w drodze rezonansu magnetycznego.

Warto wiedzieć
Sygnał odbierany z aktywnych rejonów mózgu i przekładany na obraz określa się skrótem BOLD, jako że sformułowanie „zależny od poziomu wysycenia krwi tlenem” to po angielsku „Blood Oxygenation Level Dependent”, sam wyraz „bold” można z tego języka przetłumaczyć zaś jako „wyrazisty”. Innym ważnym skrótem, który należy znać w tym kontekście, jest fMRI – od angielskich słów „functional Magnetic Resonance Imaging” oznaczających funkcjonalne (inaczej: czynnościowe) obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego.

Przebieg fMRI

Procedura fMRI składa się zasadniczo z dwóch etapów. Pierwszy z nich to tradycyjny rezonans magnetyczny, czyli badanie strukturalne. Dzięki niemu stworzyć można trójwymiarowy model mózgu, na który następnie naniesione zostaną wyniki kolejnego etapu, tj. badania czynnościowego, zwane mapami aktywności. I w jednej, i w drugiej fazie pacjent znajduje się wewnątrz ogromnej maszyny o cylindrycznym kształcie. O ile jednak początkowo musi tylko utrzymać nieruchomą pozycję (aby uzyskiwany obraz nie uległ zniekształceniu), o tyle w badaniu czynnościowym wykonuje polecenia personelu nadzorującego przebieg rezonansu. Zależnie od wskazań może tu chodzić np. o:

• poruszanie palcami albo stopami, lewą bądź prawą ręką;
• oglądanie diagramów lub zdjęć;
• nazywanie pokazywanych przedmiotów;
• powtarzanie usłyszanych słów;
• liczenie;
• udzielanie odpowiedzi na zadawane pytania – najczęściej przy użyciu odpowiedniego przycisku.

Skaner MRI rejestruje wówczas aktywność rejonów mózgu zaangażowanych w wymienione czynności, a więc choćby ośrodków wzroku, słuchu, mowy, pamięci, ruchu, czucia, planowania czy podejmowania decyzji.

Blokowy schemat badania fMRI
Ponieważ mózg żywego człowieka jest stale aktywny, i to w różnych obszarach jednocześnie, badanie najczęściej przeprowadza się w tzw. systemie blokowym. Polega to na skanowaniu mózgu na przemian w blokach zadaniowych (podczas realizacji zadań) oraz w blokach kontrolnych (pomiędzy zadaniami). Porównanie uzyskiwanych w ten sposób obrazów pozwala wskazać rejony aktywizowane przez konkretną czynność lub bodziec. Oprócz tego zastosować można jeszcze tzw. schemat zdarzeniowy, w którym bodźce różnego typu pojawiają się losowo, a wizualizacje reakcji mózgu na dany czynnik są uśredniane i porównywane z wizualizacjami reakcji na inny.

Znaczenie funkcjonalnego rezonansu magnetycznego w badaniach nad mózgiem

Dawniej wiedzę o tym, że wybrane fragmenty mózgu odpowiadają za poszczególne działania, zdobywano poprzez obserwację osób, u których owe fragmenty zostały usunięte bądź uszkodzone w wyniku wypadku, a także w oparciu o pośmiertną sekcję mózgów ludzi, którzy za życia przejawiali nietypowe zachowania lub cierpieli na nierozpoznane w inny sposób schorzenia. Zmieniło się to dopiero po opracowaniu nowoczesnych procedur diagnostycznych takich jak pozytonowa tomografia emisyjna (PET), elektroencefalografia (EEG) czy właśnie funkcjonalny rezonans magnetyczny.

Owo ostatnie badanie zasługuje przy tym na szczególną uwagę, jako że w przeciwieństwie do PET nie naraża pacjenta na szkodliwe promieniowanie*, a od EEG jest znacznie mniej uciążliwe: elektroencefalografia wymaga przyklejenia na skórze głowy elektrod rejestrujących zmiany potencjału elektrycznego wywołane aktywnością neuronów mózgowych, podczas gdy w trakcie rezonansu osoba badana najczęściej po prostu tylko leży i wykonuje proste zadania (p. wyżej). Bodaj największy dyskomfort wywołany jest w fMRI hałasem generowanym przez aparaturę. Można go jednak wytłumić, stosując słuchawki lub zatyczki do uszu.

*Ważne
Silne pole magnetyczne i fale radiowe wykorzystywane w funkcjonalnym rezonansie magnetycznym są obojętne dla zdrowia. Badanie to nie wymaga też podania potencjalnie obciążających organizm środków kontrastowych. Jest więc jest nie tylko bezbolesne i bezinwazyjne, ale również bezpieczne. Można je wykonywać nawet u kobiet w ciąży i powtarzać z praktycznie dowolną częstotliwością bez obaw o wystąpienie przykrych skutków ubocznych.

Wskazania do fMRI

Wspomniane ośrodki mózgowe zawiadujące konkretnymi procesami neurologicznymi (jak mowa, jej rozumienie, słuch, czucie itd.) u każdego pacjenta mogą być nieco inne, różniąc się np. wielkością czy położeniem – nie tylko ze względu na indywidualne różnice w budowie mózgu, ale też choćby dlatego, że uległy przemieszczeniu wskutek rozrostu guza lub zostały uszkodzone, w związku z czym sąsiednie rejony częściowo albo w pełni przejęły ich funkcje (to tzw. neuroplastyczność mózgu).

Wiedząc, gdzie dokładnie znajdują się owe ośrodki i połączenia między nimi*, neurochirurdzy są w stanie lepiej przygotować się do operacji takich jak wycięcie nowotworu czy resekcja płata skroniowego, stosowana w leczeniu padaczki skroniowej. Dzięki fMRI maleje ryzyko przypadkowego uszkodzenia szczególnie ważnych i wrażliwych struktur, a „margines bezpieczeństwa” wokół patologicznej zmiany wymagającej usunięcia można zredukować, nie obniżając przy tym skuteczności zabiegu.

*Warto wiedzieć
Uzupełnieniem funkcjonalnego rezonansu magnetycznego jest tu badanie zwane traktografią, również przeprowadzane przy użyciu maszyny do MRI, której jednak zadaje się nieco inne parametry. Procedura ukazuje przebieg połączeń nerwowych pomiędzy poszczególnymi ośrodkami neurologicznymi. Uszkodzenie owych połączeń potrafi nieraz mieć znacznie poważniejsze konsekwencje niż uszkodzenie samych ośrodków, traktografia stanowi więc bardzo cenne narzędzie oceny przedoperacyjnej.

Funkcjonalny rezonans magnetyczny pomaga ponadto:

• wykrywać schorzenia neurologiczne takie jak stwardnienie rozsiane czy choroba Alzheimera na bardzo wczesnym etapie (w tym drugim przypadku nawet na 2 lata przed wystąpieniem zaników pamięci), a później je monitorować;
• oceniać skutki urazu głowy, udaru czy pojawienia się guza w obrębie mózgoczaszki;
• lepiej planować brachyterapię – czyli wariant radioterapii polegający na umieszczeniu źródła promieniowania w bezpośrednim sąsiedztwie nowotworu;
• oceniać postępy neurorehabilitacji czy skuteczność podjętej terapii – w tym zarówno zabiegów neurochirurgicznych, jak i stosowania niektórych leków;
• obserwować zmiany w funkcjonowaniu mózgu osób cierpiących na choroby i zaburzenia psychiczne – np. na depresję czy schizofrenię;
• diagnozować bóle o nieustalonej przyczynie.

Warto również zaznaczyć, że funkcjonalny rezonans magnetyczny często służy do przeprowadzania eksperymentów na osobach zasadniczo zdrowych, co może przyczynić się do dalszego zwiększenia jego wartości w kontekście rozwiązywania problemów pacjentów chorych lub niepełnosprawnych.

Przeczytaj: Rezonans magnetyczny w diagnostyce padaczki

Funkcjonalny rezonans magnetyczny – ciekawe odkrycia i zastosowania

Dzięki lepszemu poznaniu tego, jak działa mózg w ramach wybranych operacji umysłowych, trwają obecnie choćby prace nad specjalnymi programami pozwalającymi komunikować się ze światem osobom, dla których znane do tej pory formy komunikacji pozostają z różnych powodów niedostępne.

W fMRI wykazano także, iż u większości osób praworęcznych ośrodki mózgu zawiadujące mową znajdują się w lewej półkuli, ale jeśli ktoś cierpi na padaczkę – zwłaszcza jeśli rozwinęła się już w dość młodym wieku – mogą u niego być zlokalizowane w półkuli prawej. Niemal co czwarta osoba leworęczna ma je zaś rozmieszczone w obydwu półkulach.

Obserwacja tego, jak obszary mózgu odpowiedzialne za czucie w utraconej kończynie aktywizują się w odpowiedzi na głaskanie policzka pacjenta po amputacji pozwoliła z kolei przybliżyć się do rozwiązania zagadki bólu fantomowego oraz opisać zjawisko wspomnianej neuroplastyczności mózgu. Podobnie zresztą jak eksperyment, w którym uczestnikom na kilka dni zawiązano oczy i zlecono różne zadania, m. in. rozpoznawanie obiektów zmysłem dotyku. W fMRI stwierdzono u tych osób aktywację fragmentów mózgu przetwarzających informacje wzrokowe podczas dotykania przedmiotów – czego nie przejawiały osoby wykonujące te same zadania, lecz z otwartymi oczami.

Funkcjonalny rezonans magnetyczny może być ponadto wykorzystany jako wykrywacz kłamstw, narzędzie badania neurologicznych reakcji na ból, stres albo silne emocje, a także jako narzędzie analizy wpływu kampanii marketingowych na decyzje konsumenckie. W tym ostatnim przypadku badanie pozwala np. ocenić procesy emocjonalne towarzyszące wybieraniu danego produktu czy oglądaniu jego reklamy – i robi to znacznie skuteczniej niż tradycyjne ankiety oparte na świadomych i nie zawsze zgodnych ze stanem faktycznym odpowiedziach.

Ograniczenia fMRI

Gwoli sprawiedliwości przyznać należy, że ta przełomowa pod wieloma względami technologia posiada też pewne wady. Niewątpliwie zaliczają się do nich stosunkowo niska dostępność sprzętu do rezonansu i wynikająca zeń poniekąd wysoka cena badania. Innym kluczowym czynnikiem jest tu konieczność obsługi aparatury i interpretacji wyników przez wysoko wykwalifikowany personel. Tym bardziej że niewłaściwy dobór metod analitycznych potrafi prowadzić do sytuacji takich jak ta, w której naukowcy dopatrzyli się podczas fMRI aktywności w mózgu… martwego łososia (eksperyment ów nagrodzono AntyNoblem).

Projektując badanie metodą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego, trzeba wziąć poprawkę także na to, że ośrodkowy układ nerwowy reaguje na bodźce w ciągu zaledwie kilkuset milisekund, a tymczasem sygnał BOLD zaobserwować można dopiero po 2-5 sekundach, natomiast powrót oksy- i deoksyhemoglobiny do pierwotnego stężenia (sprzed pojawienia się bodźca) zajmuje nawet 10-20 sekund.

Wszystko to sprawia, iż raczej do rzadkości należy przeprowadzanie badań fMRI na życzenie pacjenta. Procedura – choć na tyle bezpieczna, że w przeciwieństwie np. do pozytonowej tomografii emisyjnej nie wymaga skierowania – powinna opierać się na jakichś konkretnych założeniach tudzież wynikać z konkretnych wskazań.

Nie każdy też może się jej poddać. Z uwagi na fakt, że pacjent w trakcie badania znajduje się w oświetlonym i dobrze wentylowanym, ale jednak dość wąskim tunelu maszyny do MRI, wykonanie funkcjonalnego rezonansu magnetycznego bywa niemożliwe chociażby u osób z klaustrofobią. Nawet gdyby z technicznego punktu widzenia udałoby się taką osobę zbadać, to zarówno lęk przed zamkniętą przestrzenią, jak i ewentualne próby jego złagodzenia środkami uspokajającymi prawdopodobnie mocno rzutowałyby na uzyskane wyniki.

Innym przeciwwskazaniem jest niemożność utrzymania względnie nieruchomej pozycji przez kilkadziesiąt minut, czy to z powodu tików nerwowych, choroby Parkinsona, czy np. poważnych schorzeń kręgosłupa. W zależności od celu badania trwać ono bowiem potrafi nawet do półtorej godziny. Nie wolno ponadto zapomnieć, że rezonans wykluczony jest u pacjentów, w których ciele znajdują się obiekty wykonane z metalu lub urządzenia elektroniczne. Te pierwsze – jak śrut, odłamki pocisków, śruby ortopedyczne czy klipsy naczyniowe, a nawet tatuaże wykonane przy użyciu metalicznych barwników – nie dość, że zniekształcałyby obraz, to jeszcze w silnym polu magnetycznym mogłyby się zacząć przemieszczać i nagrzewać, prowadząc do uszkodzenia okolicznych tkanek. Te drugie natomiast – jak rozrusznik serca, neurostymulator czy implant ślimakowy – przestałyby poprawnie działać, co stanowiłoby jeszcze większe zagrożenie dla zdrowia i życia osoby badanej.

Więcej na ten temat przeczytasz w artykule „Rezonans magnetyczny a urządzenia elektroniczne, implanty i inne obiekty obecne w ciele”.

Przygotowanie do fMRI

Z podobnych przyczyn na rezonans należy włożyć strój pozbawiony metalowych elementów, czyli np. suwaków, guzików, sprzączek lub fiszbin biustonosza. Lepiej też zrezygnować z makijażu, lakieru do włosów czy balsamu rozświetlającego, jako że w kosmetykach zawarte mogą być metaliczne drobiny, podrażniające skórę po rozgrzaniu i zaburzające wynik badania. Przed wejściem do pracowni MRI zostawić trzeba ponadto biżuterię, telefon, spinki, zegarek, klucze i inne przedmioty wykonane z metalu. Gwałtowna zmiana ich położenia w polu magnetycznym stanowiłaby bowiem zagrożenie zarówno dla pacjenta, jak i znajdującego się w pomieszczeniu sprzętu. Karty płatnicze z kolei mogłyby ulec rozmagnesowaniu, ich również więc się nie wnosi do gabinetu. Konieczne bywa także odklejenie plastra nikotynowego, ponieważ niektóre z tego typu wyrobów potrafią podczas rezonansu podrażnić albo nawet poparzyć skórę. Poza tym fMRI z reguły nie wymaga żadnych szczególnych przygotowań, takich choćby jak pozostanie na czczo czy zmiana harmonogramu zażycia przyjmowanych na stałe leków.