Funkcijsko slikanje možganov: V naših glavah je vse manj skrivnosti

Možgani so najbolj dovršen organ živih bitij. Vodijo in nadzorujejo vse naše početje. Od preprostega gibanja do vrhunskih športnih dosežkov, od učenja poštevanke do ljubezenskih razočaranj. Odkar se ljudje zavedamo samih sebe, želimo izvedeti, kako delujejo in kaj se zgodi, ko njihovo delovanje zmoti bolezen ali poškodba.

Proučevanje možganov je tako velik izziv raziskovalcem različnih področij znanosti, včasih pa tudi navdih umetnikom. Že v 17. stoletju pred našim štetjem so Egipčani na papirusih opisali simptome in znake poškodbe možganov. V filmu Posebno poročilo je sloviti filmski režiser Steven Spielberg prikazal, kako naj bi leta 2054 v Washingtonu s spremljanjem možganske aktivnosti predvideli dogodke za nekaj minut v prihodnost. Kje pa smo leta 2004? Na več načinov lahko slikamo, kaj v določenem trenutku počno naši možgani.

Prvi koraki v spoznavanju delovanja možganov so bili storjeni z odkrivanjem njihove zgradbe. Po Egipčanih so tudi stari Grki in Rimljani pisali o zgradbi možganov in o tem, kako delujejo. Razcvet, predvsem zaradi proučevanja anatomije, pa je prinesla renesansa, ko so v Evropi dovolili sekcije trupel. Leonardo da Vinci je mojstrsko narisal možgane konec 15. stoletja, v začetku 16. pa so na Nizozemskem natisnili prvo knjigo o anatomiji možganov. Od takrat dalje proučevanje možganov sledi razvoju tehničnih znanosti. Pomembni mejniki v odkrivanju zgradbe so bili razvoj mikroskopa in različnih tehnik barvanja tkivnih preparatov v 17. stoletju, v zadnjem času pa razvoj rentgenske računalniške tomografije in magnetnoresonančnega slikanja.

Raziskovanje zgradbe možganov je bilo uvod v raziskovanje njihovega delovanja, ki se je razvijalo sočasno. Vprašanje, ki ostaja aktualno vse od začetka teh raziskav, je, kje v možganih so centri za določene možganske funkcije in na kakšen način je usklajeno delovanje teh centrov. V prvi polovici 19. stoletja je avstrijski zdravnik in nevroanatom Franz Joseph Gall razvil teorijo anatomske osebnosti (frenologijo). Verjel je, da so možgani sestavljeni iz veliko centrov, ki imajo jasno ločene naloge. Opisal je centre za veselje in radost, prijateljstvo, materinsko ljubezen, molčečnost, radodarnost ... Menil je tudi, da se vsak center veča sorazmerno z njegovo dejavnostjo in da centri, ki so posebej aktivni, povzročijo, da se nad njimi izboči lobanjska kost. O osebnostnih lastnostih ljudi je tako sklepal po obliki njihove lobanje. Nasprotno stališče je zagovarjal Pierre Flourens, ki je trdil, da so celotni možgani odgovorni za vse funkcije. Poškodba enega dela možganov po njegovem prizadene vse funkcije v enaki meri in v sorazmerju z obsežnostjo okvare.

V zadnjih desetletjih je sodelovanje anatomov, embriologov, fiziologov, farmakologov, nevrologov, nevrokirurgov, nevroradiologov, psihiatrov in psihologov privedlo do spoznanja, da je resnica nekje med obema opisanima skrajnostma. Bistveno so k temu spoznanju pripomogli različni načini merjenj možganskih funkcij, v zadnjih letih prav funkcijska slikanja.

»Merjenja« delovanja možganov so se znanstveniki lotevali na podlagi dveh načel: z merjenjem električne aktivnosti možganske skorje in z merjenjem presnovno-žilnih sprememb, ki so posledica aktivnosti živčnih celic (na primer krvni pretok, presnova glukoze). Prvič so z elektrodami na površini glave merili električno aktivnost možganov konec 19. stoletja. V istem času so ugotovili, da so miselne aktivnosti povezane s povečanjem krvnega pretoka v aktivnem področju možganov. Predvidevali so, da se ob povečanem krvnem pretoku poveča tudi oksidativna presnova glukoze. Šele desetletja kasneje so to povezanost tudi dokazali in postala je podlaga za funkcijska slikanja možganov. Le-ta pa so podlaga za kartografijo možganov – raziskovalno smer, ki proučuje in določa, v katerih področjih možganov so lokalizirane različne možganske funkcije.

Funkcijska slikanja možganov imenujemo slikovne tehnike, s katerimi merimo ter kartografsko predstavimo prostorsko in časovno dimenzijo delovanja možganov. Od tehnik, ki možganske funkcije merijo z merjenjem presnovno-žilnih sprememb, so najpomembnejše enofotonska izsevna računalniška tomografija (SPECT), pozitronska izsevna tomografija (PET) in funkcijsko magnetnoresonančno slikanje (fMR).

Na kaj pravzaprav mislimo, ko govorimo o »delovanju možganov«? Na električne in biološko-kemične procese v možganskem tkivu (presnovo glukoze, krvni pretok, vezavo določenih snovi na membranske receptorje), ki so v aktivnih delih možganov povečani in to povečanje zaznamo s funkcijskimi slikanji. Slikamo oziroma opazujemo lahko dve obliki možganske aktivnosti: mirovno in aktivacijsko. Pri prvi opazujemo aktivnost mirujočih možganov (preiskovanec mirno leži v zatemnjenem prostoru in »ne misli na nič«); pri drugi pa aktivnost možganov, ko ti nekaj počno (preiskovanec med slikanjem na primer bere, računa, premika roko ...).

Opis slikovnih metod

SPECT in PET temeljita na zaznavanju sevanja kemične spojine z vezanim radioaktivnim izotopom (radiofarmak), ki jo pred slikanjem vnesemo v telo. Slednja ima podobne biokemične lastnosti kot telesu lastne spojine in se glede na te lastnosti razporedi po telesu. Količina radioaktivnega izotopa, ki jo pred slikanjem vnesemo v telo, je majhna in zdravju neškodljiva. Z gama kamero zaznamo razporeditev radiofarmaka v telesu. Z računalniško obdelavo nato izmerjeni signal prevedemo v dvodimenzionalno sliko.

Različne biokemične lastnosti radiofarmakov omogočajo slikanje številnih fizioloških procesov. S SPECT lahko slikamo krvni pretok ali razporeditev različnih receptorjev v telesu. Slikanje s PET pa je edina metoda, s katero lahko poleg krvnega pretoka in razporeditve receptorjev, z uporabo radiofarmaka [18F]-deoksi-glukoze (FDG) neposredno slikamo presnovo v celici. Od vseh funkcijskih slikovnih metod ima najboljše možnosti kvantifikacije rezultatov.

Slikanje s PET in FDG je široko uporabna metoda za študij področne presnove možganov in drugih organov pri zdravih in bolnih preiskovancih.

fMR je metoda, pri kateri za slikanje delovanja možganov uporabljamo prilagojeno klasično magnetnoresonančno tomografijo.

Magnetnoresonančno slikanje temelji na principu magnetne resonance jeder vodikovih atomov, ki jih je v organizmu največ vezanih v molekulah vode. Preiskovanca postavimo v močno magnetno polje. Vodikovi atomi v telesu se uredijo vzporedno s smerjo polja. Preiskovanca nato v magnetnem polju izpostavimo še pulzom radiofrekvenčnega valovanja, ki vodikove atome odklonijo s prvotne smeri. Ob vračanju v izhodiščno smer (precesiranju) oddajajo energijo v obliki elektromagnetnega valovanja. To predstavlja signal, ki ga merimo z magnetnoresonančnim slikanjem. Razlikuje se glede na vrsto tkiva (na primer možganska skorja, bela možganovina, možganska tekočina). Z računalniško obdelavo izmerjenega signala sestavimo dvo- ali trodimenzionalno strukturno sliko.

Najbolj razširjena funkcijska magnetnoresonančna metoda za slikanje delovanja možganov izkorišča paramagnetne lastnosti hemoglobina. Merjeni signal je odvisen od stopnje oksigenacije krvi (signal BOLD – Blood Oxygenation Level Dependent), zato ne potrebujemo od zunaj vnesenega kontrastnega sredstva in je slikanje popolnoma neinvazivno. Živčne celice potrebujejo za svoje delovanje poleg glukoze kisik, ki jim ga s krvjo prinaša hemoglobin. Slednji odda kisik aktivnim celicam in preide iz oksigenirane v deoksigenirano obliko. S tem se spremenijo njegove paramagnetne lastnosti. V področju bolj aktivnih živčnih celic se poveča krvni pretok in zmanjša vsebnost deoksigeniranega hemoglobina. Slednje privede do spremembe področnega magnetnega polja. Izmerjeni magnetnoresonančni signal je v predelu bolj aktivnih živčnih celic večji.

Med fMR slikanjem preiskovanec izvaja neko nalogo (na primer premika prste, izgovarja besede, opazuje slike). S slikanjem izmerjeno možgansko aktivnost, ki se poraja med izvajanjem naloge, nato primerjamo z možgansko aktivnostjo med mirovanjem. Aktivnosti med seboj odštejemo in tako dobimo področja možganov, katerih aktivnost je povezana le z izvajano nalogo. Med hotenimi gibi se bodo na primer aktivirala motorična področja možganov, med opazovanjem vidnih dražljajev pa vidna skorja. Opisano analizo opravimo po končanem slikanju z računalniškim programom, postopek se imenuje statistična parametrična kartografija. Na podoben način lahko aktivacijske študije izvajamo tudi s slikanjem PET in radiofarmakom [15O]-H2O.

Klinična uporabnost funkcijskih slikovnih metod

Klinične indikacije za SPECT in PET slikanja v nevrologiji so podobne. Diagnosticiramo lahko različne tipe demenc, ki so posledica zmanjšane celične aktivnosti in posledično zmanjšanja pretoka krvi v določenih predelih možganske skorje. Opredelimo lahko žarišče epilepsije, to je del možganske skorje, kjer se poraja prevelika možganska aktivnost, ki lahko povzroči epileptični napad. Presnovna aktivnost epileptičnega žarišča je med mirovnim slikanjem zmanjšana, med samim epileptičnim napadom pa močno povečana. Pri različnih oblikah motenj gibanja (parkinsonizmi, distonija ...) lahko prikažemo motnjo v delovanju nekaterih možganskih jeder in tistih delov možganske skorje, ki so sicer odgovorni za normalno gibanje. Zgodaj lahko odkrijemo raka ali njegov ponoven razrast. Z zanesljivostjo lahko dokažemo možgansko smrt.

fMR kot nova metoda še išče svoje mesto v rutinskem kliničnem delu. Možnosti, kjer bi lahko nadomestila ali dopolnila obstoječe preiskave, je več. Pri bolnikih, ki potrebujejo kirurški poseg v možganih, lahko s fMR na neinvaziven način z nekajminutnim slikanjem prikažemo, kje v možganih so področja, ki so odgovorna za govorne in gibalne funkcije. S tako informacijo lahko kirurg načrtuje operativni poseg tako, da se tem področjem izogne.

V kombinaciji z elektrofiziološkimi metodami (na primer z elektroencefalografijo) lahko tudi s fMR natančneje opredelimo epileptično žarišče. Pri bolnikih po možganski kapi ali poškodbi lahko spremljamo, kako funkcijo poškodovanega dela možganov prevzemajo druga zdrava področja. Na ta način bomo morda s fMR v prihodnosti ugotavljali in celo napovedali, kako se bodo po možganski kapi ali kakšni drugi poškodbi možganov popravljale prizadete funkcije.

Pri nekaterih nevroloških boleznih (nevrodegenerativna obolenja) lahko s funkcijskimi slikanji zaznamo spremembe v delovanju možganov že v obdobju, ko simptomi in znaki bolezni še niso izraženi. S tem se odpirajo možnosti odkrivanja in zdravljenja teh bolezni v zelo zgodnji fazi. S funkcijskimi slikanji lahko tudi natančno spremljamo učinek nekaterih vrst zdravljenja nevroloških bolezni. Raziskovanje delovanja možganov v Sloveniji

V Sloveniji imamo v več bolnišnicah gama kamere za SPECT slikanja, PET kamera in ciklotron za proizvodnjo radioaktivnih izotopov se nam še izmikata. V Kliničnem centru v Ljubljani imamo od leta 2000 magnetnoresonančni aparat, ki omogoča funkcijsko magnetnoresonančno slikanje. Aparat se uporablja tudi za raziskovalno dejavnost. Glavno področje je raziskovanje motoričnega sistema možganov pri zdravih ljudeh in pri bolnikih z nevrološkimi boleznimi, pri katerih se le-ta reorganizira in poskuša prilagoditi okvari. Potekajo tudi raziskave višjih živčnih funkcij, predvsem delovnega spomina in govora.

Znanstveniki pravijo, da je po »desetletju možganov« v devetdesetih letih prejšnjega stoletja nastopilo še stoletje možganov. V naslednjih desetletjih bomo raziskovalci naravoslovnih, humanističnih in tehničnih ved odkrivali še »neodkrite kotičke« možganskega delovanja. Funkcijska slikanja so med vodilnimi raziskovalnimi panogami na tem področju.

Dandanes z opisanimi tehnikami že lahko slikamo, »kje« možgani mislijo na nekatere reči. In če vidimo, »kje« mislijo, tudi približno vemo, »kaj« mislijo. Da bodo funkcijska slikanja možganov prevzela delo vedeževalkam, še ne moremo z gotovostjo trditi, a do leta 2054 je še vznemirljivih 50 raziskovalnih let.

Zgodovina funkcijskih slikovnih metod

Signal BOLD

Ob povečani aktivnosti potrebujejo živčne celice več glukoze in kisika. Področni krvni pretok v možganih se zato poveča. Poveča se celo za večjo stopnjo kot se poveča poraba kisika. Zato je v bolj aktivnih predelih vsebnost hemoglobina z vezanim kisikom (oksihemoglobina) večja kot v neaktivnih predelih, kljub temu da je v aktivnih delih povečana tudi poraba kisika. Deoksihemoglobin zaradi paramagnetnih lastnosti povzroča motnje področnega magnetnega polja in ker ga je v aktivnih predelih manj, je magnetno resonančni signal aktivnih delov možganov večji.

[18F]-deoksi-glukoza

Revolucionarno odkritje ameriškega zdravnika Louisa Sokoloffa, spojina 2-deoksiglukoza, je prvič omogočilo neposredno slikanje celične aktivnosti. Možganske celice dobivajo energijo za svoje delovanje s presnovo glukoze. Bolj ko so aktivne, več glukoze potrebujejo. 2-deoksiglukoza je analog glukoze, ki, enako kot glukoza, vstopi v aktivno celico. Zaradi malenkost drugačne kemične strukture se 2-deoksiglukoza v celicah ne more do konca razgraditi ampak ostane ujeta v aktivni celici. Sokoloffovi sodelavci so v molekulo 2-deoksiglukoze vezali radioaktiven izotop 18F (pozitronski sevalec) in s tem omogočili uporabo [18F]-deoksi-glukoze za slikanje aktivnosti celic v živih organizmih. Aktivnejše celice zaradi višje koncentracije [18F]-deoksi-glukoze bolj sevajo, kar zaznamo z gama kamero. Z računalniško obdelavo dobimo dvodimenzionalno sliko možganske aktivnosti.

Na levi sliki je prečni prerez skozi sredino normalnih možganov slikan z magnetnoresonančno tomografijo. Prikazana je struktura možganskega tkiva. Na desni sliki je enak prerez slikan s PET in [18F]-deoksi-glukozo. V normalnih možganih so presnovno najbolj aktivni predeli možganske skorje in nekaterih jeder globlje v možganovini. Obkrožena so bazalna jedra in označeni predeli možganske skorje.

Demenca

Demenca pomeni bolezen možganov, ki se kaže z okvaro več miselnih funkcij. Najpogosteje so prizadeti spomin, mišljenje, orientacija v času in prostoru, vedenje, govor. Poznamo več tipov demence, ki se ločijo med seboj glede na klinično sliko, oziroma glede na del možganske skorje, ki je najbolj prizadet. Najpogostejša vrsta demence je Alzheimerjeva bolezen, ki je posledica izumiranja živčnih celic v možganski skorji, najbolj izrazito v temenskem režnju. Bolnikom z Alzheimerjevo boleznijo peša spomin, izgubljajo prostorsko orientacijo in se vse težje koncentrirajo. Bolj redka oblika demence je tako imenovana Pickova bolezen. Pri tej bolezni najhitreje izumirajo živčne celice v čelnem in temenskem možganskem režnju. Bolniki s Pickovo boleznijo se najprej osebnostno spremenijo. Postanejo čustveno otopeli, včasih hiperaktivni, včasih pa apatični in zaprti vase. S časom se pridružijo tudi motnje govora in drugih miselnih funkcij.

Na levi sliki je prečni prerez možganov bolnika s Pickovo boleznijo slikan s PET in [18F]-deoksi-glukozo. Aktivnost možganske skorje je zmanjšana v čelnih in senčničnih režnjih. Na desni sliki je prerez možganov bolnika z Alzheimerjevo boleznijo. Aktivnost možganske skorje je najprej zmanjšana v temenskih režnjih.

Parkinsonova bolezen

Parkinsonova bolezen (PB) je bolezen gibanja, ki se kaže s tresenjem, mišično okorelostjo in upočasnjenostjo. Motnjo povzroča pomanjkanje živčnega prenašalca dopamina v bazalnih jedrih. Bazalna jedra so sicer odgovorna za normalno gibanje. Pomanjkanje dopamina v bazalnih jedrih lahko prikažemo s slikanjem s PET in radioindikatorjem [18F]-dopo. [18F]-dopa se nabere v bazalnih jedrih, kjer pri zdravih ljudeh poteka živahna presnova dopamina. Pri bolnikih s PB je presnova dopamina v bazalnih jedrih pomembno zmanjšana. PB lahko dolga leta uspešno zdravimo z zdravili. Razvijajo pa se tudi kirurški načini zdravljenja. Eden od eksperimentalnih načinov zdravljenja je transplantacija embrionalnih dopaminergičnih celic v področje bazalnih jeder bolnika.

Na levi sliki je prečni prerez skozi možgane slikan s PET in radioligandom [18F]-dopo pri zdravem preiskovancu. V sredini je enaka slika pri bolniku z napredovalo PB. Aktivnost je najbolj zmanjšana v zadnjem delu bazalnih jeder. Na desni je slika bolnika s PB, ki so mu v področje bazalnih jeder transplantirali embrionalne dopaminergične celice. Vidimo ponovno povečano vezavo radioliganda [18F]-dope v bazalnih jedrih, kar pomeni, da transplantirane celice živijo in proizvajajo dopamin.

Asimetrija možganskih polobel

Človeški možgani so tako glede strukture kot glede delovanja asimetrični. Višje živčne dejavnosti (kot na primer govor, vidno-prostorska orientacija, pozornost, prepoznavanje obrazov) so neenakomerno razporejene med desno in levo možgansko poloblo. Pri večini zdravih ljudi se področja, pomembna za tvorbo in razumevanje govora, nahajajo v levi možganski polobli. Brocovo področje v čelnem režnju (B) sodeluje pri tvorbi govora, Wernickejevo (W) področje v senčničnem režnju pa pri razumevanju.

Na funkcijski magnetnoresonančni sliki vidimo področja možganov, ki so se aktivirala medtem, ko je preiskovanec tvoril glagole, ki so pomensko ustrezali samostalnikom, prikazanim na zaslonu pred njim (npr. ko je videl samostalnik »vrata«, je tvoril glagol »odpreti«). Tako smo ugotovili, v katerih delih možganov potekajo procesi branja, tvorbe in izgovarjanja besed. Aktivna področja so rdeče obarvana. Vidimo, da je večina aktiviranih področij (Brocovo in Wernickejevo) v levi polobli. V obeh poloblah se je aktivirala vidna skorja v zatilnem režnju (V), ker je preiskovanec med slikanjem gledal zaslon, in premotorična skorja v čelnem režnju (P), v kateri najbrž nastaja zasnova za gib, potreben za izgovarjanje besed.

Ročnost in motorični sistem možganov

Pri ljudeh je ena roka navadno spretnejša in zato jo prednostno uporabljamo pri opravilih, kot so npr. pisanje, hranjenje ali prijemanje. Pri večini (okoli 90%) je to desnica. S funkcijskimi slikanji so ugotovili, da je aktivnost motoričnega sistema možganov med gibanjem roke pri desničnih in levičnih ljudeh drugačna.

Na prečnih prerezih funkcijskih magnetnoresonančnih slik možganov so barvno označena motorična področja, ki se aktivirajo med gibi prstov rok. Primarna senzorimotorična skorja (SM1) nadzoruje osnovne lastnosti gibov (hitrost, smer, sila) predvsem nasprotne strani telesa; lateralno premotorično (LPM) in suplementrano motorično (SMP) področje sodelujeta pri načrtovanju gibov ter pri izvajanju zaporedij gibov in zapletenih gibov, pomembna sta tudi za usklajenost gibov med obema rokama. Vidimo, da so pri desničnem preiskovancu motorična področja aktivirana bolj lateralizirano kot pri levičnem. Pomen tega ni jasen. Lahko gre za prirojeno ali pridobljeno lastnost motoričnega sistema, ki desničnim omogoča, da so z desnico spretnejši.

Aparat za magnetnoresonančno slikanje na Kliničnem inštitutu za radiologijo, Klinični center Ljubljana.

Maja Trošt Blaž Koritnik

Članek je bil objavljen v Delu Znanost 19. aprila 2004

Blaž Koritnik
12. 3. 2005, 21:33:52

Vaša ocena prispevka:
(Prispevek ocenite tako, da kliknete na želeno zvezdico.)