Funktionell hjärnavbildning

Hjärnan består av av ett komplext nätverk av kommunicerande nervceller. Hjärnaktivitet är nervceller som kommunicerar med andra nervceller genom elektriska impulser via nervtrådar (modulerat av kemiska synapser). Hjärnceller behöver precis som kroppens alla andra celler tillförsel av glukos och syre via blodet för att kunna fungera. Därför finns även ett kärlsystem i hjärnan för blodcirkulation. Hjärnans celler kan till skillnad från muskelceller inte förbränna fett, utan använder endast glukos från blodet. Vid svält kan dock hjärnan använda ketoner.

Det är hjärnans behov som reglerar blodflödet i hjärnan. Om ett område aktiveras så kommer regulatoriska mekanismer se till att blodflödet prioriteras till detta område. Det innebär samtidigt att det kan uppstå situationer där hjärnan tvingas prioritera vilka områden som är i störst behov av blod.

Funktionell hjärnavbildning är olika metoder för att mäta och dynamiskt avbilda hjärnaktivitet, till skillnad från strukturell hjärnavbildning där man endast tittar på hjärnans struktur.

Varför mäta hjärnaktivitet?

Vissa funktioner som t.ex. syn, hörsel, tal, motorik och beslutsfattande är i huvudsak lokaliserade till olika områden. Utöver detta så moduleras den elektriska kommunikationen i hjärnans nätverk genom att det mellan änden på varje nervtråd och den andra nervcellen finns en sk. synaps. En kemisk koppling där nervimpulserna översätts till kemiska signalsubstanser, som frigörs i det synaptiska utrymmet och detekteras av mottagarcellen. Denna kemiska koppling ger mycket stora möjligheter till att ytterligare modulera cellkommunikationen. Detta sker genom att kopplingen förstärker eller dämpar transmissionen genom att reglera nivåer av signalsubstanser i synapserna. Det finns flera olika typer av signalsubstanser som har olika modulerade roller. Dessa signalsubstanser har i sin tur egna nervbanor som innerverar flera områden i resten av hjärnan, och som ofta regleras från t.ex. basala ganglierna och limbiska systemet, som i sin tur är centrala för t.ex. känslor och motivation. Så även känslor och belöningssystem modulerar, via signalsubstanser, resten av hjärnaktiviteten. Detta påverkar t.ex. beslutsprocesserna i frontalloben.

Några vanliga signalsubstanser är: dopamin, serotonin, GABA, glutamat, acetylkolin och noradrenalin. Dessa signalsubstanser och motsvarande receptorer är också fokus för psykofarmaka. Till skillnad från hormoner i blodet så kan signalsubstanserna regleras separat i olika delar av hjärnan. Det innebär att om man har dopaminbrist i ett område i hjärnan, utesluter det inte att man har normala eller för höga nivåer i en annan del av hjärnan. Vissa delar av hjärnan kommunicerar också hormonellt med ett portådersystem där man utnyttjar blodomloppet för signallering nedströms, men utan att förlita sig på att gå via hjärtat. Denna metod implementeras t.ex. i hjärnan för hormonell signalering från hypotalamus till hypofysen.

Klicka på bilden för förstoring.

Eftersom mycket av detta hänger ihop, kan man via experimentell kontroll ha många goda anledningar till att vilja göra en funktionell avbildning av hjärnan, eftersom man kan dra funktionella slutsatser om hur hjärnan fungerar även utifrån anatomisk lokalisering av aktiviteten under kontrollerade experiment.

Lokaliserad hjärnaktivitet kan också användas som biofeedback.

Vilka metoder finns för att mäta hjärnaktiviteten?

Elektromagnetiska fält orsakade av nervimpulser.

EEG innebär att man via elektroder mäter potentialskillnaden (elektrisk spänning) mellan olika positioner på huvudet, ofta med en mössa.

MEG innebär att man via magnetfältssensorer runt huvudet, mäter variationer i det magnetiska fältet som också orsakas av de elektriska impulserna i hjärnan. En MEG-mätning är avsevärt mycket mer komplicerad och kräver mer dyrbar utrustning. MEG mäts i ett magnetiskt avskärmat rum med speciella SQUID sensorer som kyls ned till några få grader över absoluta nollpunkten med flytande Helium.

Båda dessa metoder har högsta möjliga temporala upplösning (~ 1ms) eftersom de är ett direkt mått på cellernas aktivitet. Den spatiala upplösningen varierar men är av storleksordningen cm.

Men eftersom elektriska och magnetiska fältet är vektorfält och hjärnbarken är veckad, är det man mäter en projektion av summan av ett stort antal interfererande nervimpulser, vars inbördes orientering och källposition i 3 dimensioner inte är känd. Det finns metoder att försöka lokalisera områden i 3D från 2D, men det är komplicerat och kräver extra information.

Blodflödet i hjärnans olika delar

fNIR mäter med spektroskopiska metoder skillnader i absorbans av ljus med olika våglängder som sänds ned i hjärnan. Ljuskällor och detektorer sätter man på huvudet. Oxy och de-Oxy hemoglobin har olika absorbansspektrum vilket gör att man kan få fram förändringar i dels syresättning samt total blodvolym i olika delar av hjärnan.

fMRI bygger på kärnmagnetisk resonans som tittar på hur ett materials magnetfält under påverkan av ett startkt externt magnetfält reagear på störningar av radiopulser. Genom dessa metoder kan man också få en 3D-bild av hur syresättningen i hjärnan varierar. Den spatiella upplösningen på fMRI är mycket god (storleksordningen mm). Detta kräver dock dyrbara installationer, stora magneter och elektriskt avskärmade rum.

fMRI och fNIR har gemensamt att de båda är hemodynamiska responser, dvs de mäter endast den indirekta hjärnaktiviteten. Det regulatoriska systemet som ständigt prioriterar blod till de områden i hjärnan som bäst behöver det, har en fördröjning på ett antal sekunder. Det gör att vid korta kognitiva processer sammafaller inte toppaktiviteten från hemodynamiska mätningar med den faktiska hjärnaktiviteten. Detta är något att beakta speciellt när man analyserar transienta förlopp – alla regulatoriska mekanisker har en egen dynamik. Av denna anledning är den temporala upplösningen också mycket lägre i fMIR och fNIR (~1s).

PET är ytterligare en metod som dock ej används lika frekvent inom forskning då det bygger på att man injicerar ämnen med radioaktiva isotoper, som sedan via blodet distribueras till hjärnan, och på så sätt kan man via den strålning som dessa isotoper avger lokalisera hur olika ämnen distribueras i kroppen och hjärnan. Den spatiella upplösningen är god, men den temporala upplösningen är mycket sämre än fNIR/fMRI.

Vilken utrustning behövs för de olika avbildnings-metoderna?

fMRI och MEG kräver väldigt dyrbara installationer och maskiner som normalt sett endast finns på stora forskningsinstitut eller sjukhus där man kan hyra in sig i befintliga installationer för olika forskningsprojekt. Ofta kan samma utrustning utnyttjas av både klinisk verksamhet och forskning. Men många gånger vill man göra avbildningen under ett kontrollerat experiment, dvs samtidigt som man ger försökspersonen någon form av stimuli under avbildningen (samt att man ofta önskar mäta andra fysiologiska parametrar synkront med avbildningen, t.ex. hudkonduktans, EKG, andning, EMG etc) måste man komplettera med utrusning för att leverera stimuli och göra fysiologiska mätningar med givare och elektroder utan att störa avbildningen. Man vill samtidigt inte få elektromagnetiska störningar från tex fMRI-scannern in i mätsystemet.

För fMRI och MEG kan BIOPAC tillhandahålla nyckelfärdiga system för detta, som är gjorda för att integreras i befintliga fMRI- och MEG-installationer. Dels har vi speciella förstärkare med inbyggda specialfilter för att minimera de specifika störningar man får i dessa situationer, dels har vi filterkit som man monterar i väggen mellan kontrollrummet och det magnetiskt eller elektriskt avskärmade rummet. Vi har även ett stort sortiment av kablar och givare som är anpassade med icke magnetiskt eller fiberoptiskt material för att kunna vara inuti mätkammaren.

Se tillbehör för fMRI och MEG här.

EEG- och fNIR-system kräver inga speciella avskärmade rum, utan det är ekonomiskt mer rimliga system att t.ex. kunna köpas in för enskilda forskargrupper eller institutioner. Även om det normalt är system som delas.

EEG-system klassificeras efter hur många elektrod-positioner man mäter samtidigt på huvudet. Är det ett fåtal positioner kan man använda lösa elektroder som man fixerar manuellt. Om det däremot är många positioner så använder man normalt sett mössor med färdigpositionerade elektroder. BIOPAC har flera olika EEG-system både med lösa elektroder och mössor. Vilket system man väljer beror helt på applikation.

Se våra EEG-system. (länk till sida EEG)

fNIR är ett sensorband eller en sensorarray som man placerar på huvudet. Sensorbandet skickar ljus nära det infraröda området, som därefter delvis reflekteras och delvis absorberas olika av OxyHb och deOxyHb. I sensorarrayen finns alltså både ljusemitter och ljusdetektor. Den mäter på ett djup av 1-2cm och man får ett mått på relativ variation av total blodvolym samt syresättning.

Se vårt fNIR system här.

Referenser

(1) Neuroscience, Exploring the Brain, 3rd Ed

Mark F. Bear, Barry W. Connors, Michael A. Paradiso

(2) Biochemistry, 5th Ed

Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer

Behöver du hjälp?

Välkommen att kontakta oss! Vi guidar dig framåt i din beslutsprocess och är måna om att hitta en optimal teknisk lösning för just din applikation. Använd gärna vårt webb-formulär för vägledning.

Missa inte BIOPAC webinars!

Anmäl dig till live-sessioner eller titta på inspelat material när du vill.

Om BIOPAC Systems, Inc.

Vill du veta mer om vår leverantör kan du besöka deras hemsida.