Tegenwoordig, wanneer we het hebben over onderzoeken naar de hersenactiviteit van mensen, gaat het meestal om het scannen van deelnemers hun hersenen met behulp van functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI), wat vaak wordt beschouwd als de standaardmethode voor hersenscans. In tegenstelling tot veel oudere en traditionele methoden, zoals geïmplanteerde elektroden of encefalografie (EEG), meet fMRI echter niet rechtstreeks de elektrische signalen van de hersenen. In plaats daarvan registreert het de bloedstroom in de hersenen. Maar is bloedstroom niet iets heel anders? Hoe is dat überhaupt gerelateerd aan hersenactiviteit?
Dit was de belangrijkste vraag toen fMRI aan het einde van de 20e eeuw werd ontwikkeld. Destijds was er één intuïtieve theorie over de aard van het fMRI-signaal: wanneer hersengebieden actief zijn, vuren hun neuronen (d.w.z. geven ze actiepotentialen af). Wanneer neuronen in een gebied vuren, verbruikt dat gebied meer zuurstof dan minder actieve gebieden. Als reactie daarop levert het lichaam nieuwe zuurstof aan het actieve gebied via vers bloed om het vuren van de neuronen van brandstof te voorzien. Kortom, het idee was dat gebieden waarvan de neuronen vuren, meer zuurstof nodig hebben, waardoor er meer zuurstofrijk bloed naar dit hersengebied stroomt. De fMRI-scanner detecteert vervolgens deze toename in zuurstofrijk bloed en software kan deze verandering zichtbaar maken door het gebied in een 3D-hersenbeeld te markeren.
Het probleem was hoe getest kon worden dat neurale activiteit in een bepaald gebied leidt tot een grotere toevoer van zuurstofrijk bloed. Idealiter zou men zowel fMRI-gegevens (die de bloedstroom meten) als elektroden (die actiepotentialen meten) verzamelen om te zien of er een verband tussen beide bestaat. Maar er was één obstakel: MRI-scanners maken gebruik van magnetische velden die enorme verstoringen veroorzaken in elektrische apparaten in de buurt, waaronder elektrode-opnamen. Hierdoor is het erg moeilijk om beide signalen tegelijkertijd te meten.
Geloof het of niet, maar dit weerhield onderzoekers in 2001 er niet van om het slimme apparaat te bouwen dat hieronder is afgebeeld, speciaal ontworpen om de vraag te beantwoorden hoe bloedstroom en neurale activiteit met elkaar verband houden. De pilaar op de afbeelding is een verticale MRI-scanner die is ontworpen om apen op een stoel te laten zitten. De onderzoekers presenteerden visuele prikkels aan de apen om neuronale activiteit in hun visuele cortex op te wekken. Zonder in detail te treden over de techniek, stelde deze unieke opstelling de onderzoekers in staat om de elektroden af te schermen tegen de magnetische verstoring van de MRI-scanner. Hierdoor werd het onderzoeksteam het eerste dat tegelijkertijd zowel de neurale activiteit als de bloedstroom in hetzelfde hersengebied kon meten.
(Logothetis Neurophysiology Lab, Max Planck Institute Tuebingen; zie Logothetis et al., 2001)
De bevindingen van dit experiment waren revolutionair: in tegenstelling tot de intuïtieve theorie leek de bloedstroom, zoals gemeten door het fMRI-signaal, niet te worden veroorzaakt door de actiepotentialen van neuronen. In plaats daarvan leek de bloedstroom nauwer verband te houden met iets dat het lokale veld potentieel wordt genoemd, een ander signaal dat net als actiepotentialen door elektroden wordt opgevangen. Heel eenvoudig gezegd: als actiepotentialen de elektrische signalen meten die uit een neuron komen, dan meten lokale veldpotentialen de elektrische signalen die een neuron binnenkomen. Dit suggereerde dat het fMRI-signaal niet de output van een gebied weergeeft, maar juist de input!
In een vervolgonderzoek injecteerde het onderzoeksteam serotonine in de visuele cortex, wat het effect heeft dat actiepotentialen kunstmatig worden verminderd. Ze wilden nagaan of het fMRI-signaal zou worden beïnvloed door minder neuronale activiteit. Zoals verwacht bleven zowel de lokale veldpotentialen als het fMRI-signaal onveranderd, ondanks het ontbreken van actiepotentialen! Dit toonde aan dat fMRI-activiteit niet afhankelijk is van de sterkte van neuronale activiteit. In plaats daarvan is het nauwer verbonden met de hoeveelheid input die een hersengebied ontvangt. Kortom: de fMRI-respons heeft meer te maken met input dan met output!
De precieze reden voor dit niet intuïtieve resultaat is nog steeds niet helemaal duidelijk en tot op de dag van vandaag discussiëren wetenschappers over verschillende verklaringen voor hoe neurale processen de bloedstroom in de hersenen beïnvloeden. Ongeacht de reden heeft dit resultaat echter een fundamentele invloed gehad op de manier waarop fMRI-gegevens moeten worden geïnterpreteerd. Toch maken sommige neurowetenschappers zelfs vandaag de dag nog weleens de fout om de fMRI-activiteit van een bepaald gebied gelijk te stellen aan neurale activiteit. In sommige gevallen zouden ze natuurlijk gelijk hebben: als een neuron veel input krijgt, zal deze zich opstapelen en het neuron dichter bij de drempel brengen voor het vrijgeven van een actiepotentiaal. Dus hoe meer input, hoe groter de kans dat een neuron uiteindelijk zal vuren. Maar het belangrijkste punt is dat we dit niet met zekerheid kunnen zeggen, aangezien het fMRI-signaal geen informatie bevat over of neuronen daadwerkelijk hebben gevuurd of niet.
Een illustratief voorbeeld hiervan is een slachtoffer van een beroerte dat het vermogen om zijn hand te bewegen heeft verloren. Wanneer de patiënt in een fMRI-scanner ligt terwijl de aangetaste hand met een borstel wordt gestimuleerd, zal dit zoals verwacht activiteit in de somatosensorische cortex veroorzaken. Er zijn echter ook gevallen waarin er extra fMRI-activiteit in de primaire motorische cortex optreedt. Dit is vreemd, omdat de neuronen in de motorische cortex verbonden zijn met spieren. Als de neuronen echt zouden vuren, zouden ze zeker beweging in de hand veroorzaken. Hoe kunnen we dit verklaren? Wat we in de fMRI-gegevens zien, is waarschijnlijk het resultaat van het volgende proces: de aanraking van de borstel wordt via het perifere zenuwstelsel doorgegeven aan de somatosensorische cortex, die verbonden is met de primaire motorische cortex. Het signaal wordt dus doorgegeven en prikkelt de neuronen in de primaire motorische cortex lichtjes. Omdat er input is, stroomt er zuurstofrijk bloed naar de primaire motorische cortex en verschijnt dit als een signaal in de fMRI-gegevens. Als gevolg van de beroerte zullen de neuronen echter niet daadwerkelijk vuren. Met andere woorden, we kunnen een signaal waarnemen wanneer er input is, maar geen output.
Het is aantrekkelijk om op basis van een fMRI-signaal te concluderen dat een gebied actiepotentialen produceert en een actieve rol speelt in het onderzochte proces, ook al ontvangt het alleen maar passief input. Daarom moet fMRI altijd met de nodige voorzichtigheid worden geïnterpreteerd.
Het doel van dit artikel was om de eenvoudige maar cruciale kanttekening te benadrukken dat fMRI-activiteit niet hetzelfde is als neurale activiteit. Niettemin blijft fMRI een onmisbaar hulpmiddel voor de neurowetenschap en hopelijk heeft deze korte reis naar het verleden van de neurowetenschap u geholpen om waardering te krijgen voor de enorme inspanningen die onderzoekers hebben geleverd om de nauwkeurigheid van onze meetinstrumenten te bestuderen. Dus de volgende keer dat u een kleurrijke fMRI-afbeelding ziet: onthoud dat de heldere vlekken niet noodzakelijkerwijs betekenen dat er een signaal wordt uitgezonden. Controleer, net als in het geval van de motorische cortex van de patiënt met een beroerte, altijd of de activiteit die u ziet in overeenstemming is met wat we weten en logisch is. Het kan altijd gewoon een artefact van input zijn.
Auteur: Emil Stroecker
Referenties en verdieping
Heeger, D. J., & Ress, D. (2002). What does fMRI tell us about neuronal activity? Nature Reviews. Neuroscience, 3(2), 142–151. https://doi.org/10.1038/nrn730
Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M., Trinath, T., & Oeltermann, A. (2001). Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal. Nature, 412(6843), 150–157. https://doi.org/10.1038/35084005
Rauch, A., Rainer, G., & Logothetis, N. K. (2008). The effect of a serotonin-induced dissociation between spiking and perisynaptic activity on BOLD functional MRI. Proceedings of the National Academy of Sciences, 105(18), 6759–6764. https://doi.org/10.1073/pnas.0800312105
