Sådan virker hjerneskanneren fMRI: Kan studere hjernen helt ned til en millimeter

I dag ved forskere langt mere om vores forunderlige hjerne end for bare 10 og 20 år siden.

Hjerneforskningen er nemlig i rivende udvikling, og meget af fremskridtet skyldes de avancerede metoder, forskerne har udtænkt til at kortlægge menneskehjernen.

Tre hjerneskanningsmetoder, som har spillet hovedroller i hjerneforskningen, er trioen EEG, fMRI og PET.

Alle tre skanningsmetoder har ydet et stort bidrag til forståelsen af, hvordan hjernens cellebiologi, regioner og netværk fungerer.

I denne artikel kan du læse om fMRI, og hvis du ikke allerede har gjort det, kan du med fordel læse artiklen om EEG, inden du læser denne artikel.

Måler hvor i hjernen blodet strømmer til

fMRI’s fulde navn er egentlig 'funktionel magnetisk resonans-tomografi', men det kortere kælenavn ligger noget bedre i munden, så lad os holde os til det.

Et af kendetegnene ved fMRi er, at du før undersøgelsen bliver bedt om at fjerne alle metalgenstande såsom smykker på grund af maskinens stærke magnetfelt. Herefter ligger du på ryggen og bliver kørt ind i en rørformet skanner, hvor du skal ligge musestille, mens den larmende maskine skanner din hjerne.

Forskerne er interesserede i at kortlægge aktiviteten i dine forskellige hjerneområder, samt hvordan de forskellige dele af hjernen kommunikerer med hinanden, og her er det særlige ved fMRI, at den måler hjernens blodgennemstrømning.

»fMRI blev beskrevet i 1990’erne, hvor man fandt ud af, at når nervecellerne i en bestemt del af hjernen er aktive, har de brug for mere ilt. Det øgede iltbehov bliver dækket gennem en lokal øgning af blodgennemstrømningen i det aktive hjerneområde,« forklarer Hartwig Siebner, der er leder af Danish Research Center for Magnetic Resonance (DRCMR).

»Hvis du for eksempel gerne vil bevæge din arm, begynder nervecellerne i dit motoriske korteks at sende flere signaler til hinanden. Derfor øges den lokale hjerneaktivitet, og det aktive område af hjernen vil få tilført mere iltrigt blod. Netop ændringen i blodets iltniveau kan fMRI måle,« fortsætter Hartwig Siebner, som også er klinisk professor i præcisionsmedicin på Hvidovre Hospital.

Hvis du er glad for fysik/kemi, kan du læse mere om, hvordan fMRI måler blodets strømning i grafikken herunder.

Hvis ikke, er det vigtigste take away, at fMRI er en indirekte målemetode, fordi den bruger blodets ændring i iltniveauet til at kortlægge aktivitet i hjernen - i modsætning til for eksempel EEG, der måler de elektriske hjernesignaler direkte.

Går glip af hurtig hjerneaktivitet

Det er vigtigt at få på plads, at fMRI er en indirekte målemetode.

Det indebærer nemlig en ret stor ulempe, at maskinen måler den aktivitetsafhængige ændring i blodets iltniveau fremfor at måle direkte på nervecellernes aktivitet:

»Hvis du for eksempel ser en bil, reagerer nervecellerne i synsbarken lynhurtigt, men blodets iltniveau begynder først at stige i synsbarken efter et par sekunder. Derfor har fMRI-målingerne en lavere tidslig opløsning end EEG. Den kan måle i sekunder, men ikke i millisekunder som EEG,« siger Hartwig Siebner.

Som nævnt i artiklen om EEG, arbejder hjernen med ekstrem hastighed. Alle hjernens processer foregår lynhurtigt. Det er det, der gør dig i stand til at reagere prompte på impulser såsom, hvis du har lagt hånden på en varm kogeplade og hurtigt må trække den væk.

En åbenlys konsekvens af fMRI’s lavere tidslige opløsning er altså, at metoden ikke kan fange den tidsmæssige dynamik af lynhurtige aktivitetsændringer, der sker i vores hjerner i respons på omverdenen. I stedet giver den os brudstykker af hjernens aktivitet.

Kan vise hjerneaktivitet på en millimeters afstand

Hvad fMRI mangler i sine tidsmålinger kompenserer den for i sin rumlige opløsning.

Den »er så fremragende, at vi kan studere hjernen ned til en millimeter. Med de nye maskiner kan vi også gå ind og se aktivering i forskellige lag i hjernebarken, og vi kan se alt, hvad der rør sig dybt i hjernen,« siger Hartwig Siebner.

Det vil altså sige, at hvor EEG kun kan måle den elektriske aktivitet i hjernens yderste lag - hjernebarken - kan fMRI nærstudere strukturer som amygdala og hippocampus, der ligger længere nede i hjernens dyb - og begge strukturer er super vigtige at forske i.

Amygdala menes nemlig at spille en rolle i vores oplevelse af frygt og angst, og dens aktiveringsmønstre ændrer sig hos mennesker med depression. Hippocampus er forbundet til vores hukommelse og læring, og bliver derfor tit undersøgt i studier af demenssygdomme.

Vis dette opslag på Instagram

Et opslag delt af Brainstorm (@brainstorm.podcast)

Kortlægger hjernens enorme kommunikationssystem

En anden stor fordel ved fMRI er, at den lader forskerne se på hele hjernen samtidig, så de kan følge med i, hvordan hjernen sender signaler frem og tilbage mellem forskellige hjerneområder.

Med andre ord kan fMRI bruges til at kortlægge de komplekse netværk af kommunikationsbaner, hjernen gør brug af i alle sine processer, fortæller Hartwig Siebner.

Det har blandt andet gjort det muligt at afsløre, hvilke netværk i hjernen bliver aktiveret, når man får stillet en belønning i udsigt, men også hvordan hjernens såkaldte default mode-netværk (DMN) sætter hjernen på autopilot, når vi hviler os.

Du har måske gættet, at fMRI og EEG med deres evner til at måle tid og rum komplementerer hinanden utrolig godt. Derfor laver hjerneforskere tit begge målinger i
forskning for at tegne et mere detaljeret billede af, hvor og hvornår hjernen er aktiv, lyder det.

Vigtigt at kende metodernes styrker og svagheder

Netop den slags målinger af hjernens aktivitet, har du sikkert set mange kulørte overskrifter om i medier, og det kan godt betale sig at være fortrolig med forskellige hjerneskanningsteknikkers styrker og svagheder, mener Hartwig Siebner.

Det gør det lettere at navigere i de mange forskningsnyheder indenfor funktionel billeddannelse af hjernen, lyder det.

»Noget, der tit sker, er, at forskere finder en korrelation (sammenfald, red.) men fortolker det som kausalitet (sammenhæng, red.). For eksempel ser forskerne noget aktivitet i hjernen samtidig med en adfærdstræk og konkluderer, at adfærden er forklaringen på hjerneaktiviteten, selvom det måske bare er et tilfældigt sammenfald,« siger Hartwig Siebner, og fortsætter:

»Faktisk er langt det meste af det, vi kan se i billeddannelsesstudier, korrelationer, fordi vores skanningsmetoder stadig er begrænsede. Groft sagt kan vi se, hvad der sker i hjernen, men vi kan ikke forklare, hvorfor det sker, og her tror jeg, at vi som forskere har en vis tendens til at overfortolke vores resultater.«

Når forskerne overfortolker resultater, gør journalister, der skriver om forskningen, det også, mener han.

»Derfor er det vigtigt at vide, at der er begrænsningere ved målemetoderne - at en PET-skanning kun viser én metabolisk proces, men ikke alle processer, at EEG viser aktivitet i hjernebarken, men ikke i de dybere lag, og at fMRI kun viser brudstykker af hjernens aktivitet,« lyder det.

Hermed en opfordring til at læse den tredje og sidste artikel i serien, som giver dig en indføring i PET-skanningers styrker og svagheder.