Aangezien je op deze website bent en op dit artikel hebt geklikt veronderstel ik dat je enige belangstelling hebt voor de werking van de hersenen. Dit verlangen om meer te begrijpen over de hersenen wordt gedeeld door veel filosofen in de afgelopen eeuwen. Zij stuitten echter op enkele obstakels op hun weg. Zo maakte de grootte van de neuronen (diameter 0,01-0,05 mm) het onmogelijk om ze te observeren vóór de uitvinding van de microscoop aan het eind van de 17e eeuw, en zelfs toen konden die observaties alleen worden gedaan op postmortale hersenen. Een andere cruciale uitvinding, die in dit artikel centraal staat, was die van de verschillende hersenscan technieken die eenvoudigweg nodig zijn om een levend brein door de schedel en de verschillende weefsels eromheen te observeren. Zo werden eind jaren 19 en begin jaren 20 enkele technieken voorgesteld, zoals de "balans voor de menselijke circulatie" van Angelo Mosso, die meer weg had van een middeleeuws martelwerktuig dan van een hersenscanner, en de pneumoencefalografie, waarbij het hersenvocht moest worden vervangen door lucht. Deze technieken zijn nu achterhaald. Hier zullen we ons concentreren op de sterke en zwakke punten van drie recentere, belangrijke en gevestigde technieken: fMRI, EEG en PET-beeldvorming.

FMRI

Functional magnetic resonance imaging of functionele MRI (fMRI), niet te verwarren met structurele MRI (gewoon MRI genoemd), is een pijnloze, niet-invasieve neuroimaging techniek die gedetailleerde 3D-beelden van onze hersenen maakt en hersenactiviteit meet. Om hersenactiviteit te meten kijken we indirect naar de verhouding tussen oxy- en deoxyhemoglobine. Wat betekent dat? Onze bloedsomloop is verantwoordelijk voor de zuurstofvoorziening van de verschillende cellen en weefsels van ons lichaam en de afvoer van afvalstoffen en kooldioxide uit deze cellen. Dit wordt gedaan door hemoglobine, een eiwit in de rode bloedcellen waaraan zuurstof en kooldioxide zich kunnen binden en zo door het lichaam getransporteerd worden. Het zuurstofrijke bloed is dus gebonden aan hemoglobine en wordt daarom oxyhemoglobine genoemd. Wat de hersenen betreft: wanneer een bepaald gebied actief is, wordt er meer zuurstofrijk bloed aangevoerd. De combinatie van de grote elektromagneet waaruit de MRI-scanner bestaat en radiofrequentie golven kan de verschillende magnetische eigenschappen tussen zuurstofrijk en zuurstofloos bloed detecteren. Het signaal dat de MRI-scanner opvangt, wordt daarom de BOLD-respons (blood-oxygen-level-dependent) genoemd. Eenvoudig gezegd maakt fMRI beelden van hersenactiviteit op basis van de hoeveelheid zuurstofrijk bloed die naar de actieve hersengebieden stroomt. Meer details over het mechanisme van deze techniek vindt je hier: fMRI - Brain Matters.

fMRI wordt vooral gebruikt vanwege de uitstekende spatiële resolutie. Dat wil zeggen dat het zeer nauwkeurig kan bepalen welk deel van de hersenen actief is (ten opzichte van andere delen) en hoge kwaliteitsbeelden van de hersenen kan maken. Daarom wordt het vooral gebruikt om de structuur van de hersenen te bestuderen, functies toe te wijzen aan de specifieke gebieden, maar ook om de effecten van cerebrovasculaire ongevallen, trauma of neurodegeneratie op de hersenfunctie te onderzoeken en de groei van hersentumoren bij te houden. Aan de andere kant is een fMRI-scan duur, en moeten de patiënten stil blijven liggen om duidelijke beelden te kunnen maken, wat vaak moeilijker is dan het lijkt. Dit resulteert soms in een slechte beeldkwaliteit. Bovendien is de belangrijkste beperking van fMRI dat het een slechte temporele resolutie biedt omdat het bloed enige tijd nodig heeft om van het ene deel van de hersenen naar het andere te stromen (de BOLD-respons duurt ongeveer 4 seconden, wat in de wereld van de neurowetenschap een hele lange tijd is). Dit betekent dat we niet precies kunnen zeggen wanneer de veranderingen in activiteit in de hersenen plaatsvinden. Om dit te compenseren worden fMRI-onderzoeken vaak gecombineerd met EEG.

EEG

Zoals je waarschijnlijk weet, communiceren de neuronen in de hersenen via elektrische impulsen, in de vorm van een actiepotentiaal en een postsynaptische potentiaal. Elektro-encefalografie (EEG) is een methode om deze elektrische activiteit te meten door elektroden met een speciale geleidende lijm op de hoofdhuid te plaatsen. Het precieze mechanisme van EEG is vrij complex, maar je kunt er hier meer over lezen: EEG - Brain Matters. In het kort: wanneer neuronen communiceren, verlaten positieve en negatieve ionen zoals Na+, K+, of Cl- voortdurend de membranen van de neuronen, wat aanleiding geeft tot dynamische bewegingen van positieve en negatieve lading in de hersenen, dipolen genoemd. Elektroden vangen deze verschillen in elektrische lading op en sturen het door naar een apparaat dat de hersenactiviteit registreert en omzet in de vorm van golfpatronen. Specialisten kunnen die golfpatronen analyseren en identificeren. Dusver zijn er vijf basispatronen: delta-, theta-, alfa-, bèta- en gamma golven. Elk patroon is geassocieerd met verschillende staten van alertheid en verschillende functies.

In tegenstelling tot fMRI ligt een van de grootste voordelen van EEG in de hoge temporele resolutie. Dat wil zeggen dat EEG het vermogen heeft om hersenactiviteit vast te leggen in real-time, op het niveau van milliseconden (duizendsten van een seconde). EEG-beeldvorming kan echter geen precieze informatie verschaffen over de oorsprong van de hersenactiviteit (lage spatiële resolutie), noch kan het op betrouwbare wijze signalen van subcorticale structuren detecteren. Daarom worden EEG- en fMRI-technieken vaak gecombineerd, omdat zij elkaar goed aanvullen.

PET

Zoals we eerder zagen bij fMRI, hebben neuronen zuurstof nodig om te functioneren, en door de veranderingen in de magnetische eigenschappen van zuurstofrijk versus zuurstofarm bloed te meten, kunnen we veranderingen meten die verband houden met hersenactiviteit. Positronemissietomografie (PET) is een nucleaire beeldvormingstechniek die ook wordt gebruikt om hersenactiviteit te meten, door een vergelijkbaar maar verschillend methodologisch pad te volgen. Neuronen hebben inderdaad zuurstof nodig, maar ook glucose voor een goede werking. De hersenen hebben ongeveer 5,6 mg glucose per 100 g hersenweefsel per minuut nodig. De gedachte achter PET-beeldvorming is om een radioactieve tracer in de bloedbaan te injecteren die zich bindt aan glucose. Wanneer vervolgens bepaalde hersengebieden activeren, wordt de in de glucose aanwezige tracer daarheen gebracht. Een positron zal uit het deeltje vrijkomen en in aanraking komen met een elektron. Hierdoor ontstaan van twee fotonen, die door de PET-scan worden gedetecteerd. Meer details over de werking van PET-beelden vind je hier: PET - Brain Matters.

Een van de redenen om een PET-scan te gebruiken is dat deze met hoog kwalitatieve anatomische resolutie kan aantonen welke delen van je lichaam op cellulair niveau actief worden. Dit is vooral nuttig voor het identificeren en onderzoeken van kankers, infecties en hoe het lichaam reageert op ziekten en hun behandelingen. PET wordt ook steeds meer gebruikt om neurotransmissie te onderzoeken. PET-beeldvorming heeft echter ook enkele beperkingen. De meest voor de hand liggende is dat de persoon moet worden geïnjecteerd met radioactieve tracers. Deze procedure is niet schadelijk als ze één of twee keer wordt uitgevoerd, maar wordt problematisch als ze vaker wordt uitgevoerd, omdat de effecten van de straling zich gedurende het leven opstapelen. Daarom kun je dezelfde persoon niet meerdere keren scannen. Dit is een beperking voor wetenschappelijk onderzoek, omdat je geen within-subjects onderzoek kunt uitvoeren. In zo’n soort onderzoek zou je dezelfde persoon/hersenen onder verschillende omstandigheden willen vergelijken. Dit soort studies zijn nuttig omdat hersenen van mens tot mens sterk verschillen, en het proces van middeling of standaardisering van verschillende hersenen ingewikkeld is en vaak de gegevens beïnvloedt.

Conclusie

Kortom, er bestaat geen magische beeldvormingstechniek die ons volledige toegang geeft tot de structuur en de functie van de hersenen op het niveau van milliseconden en millimeters. Iedere techniek maakt andere analyses van de hersenen mogelijk, die allemaal hun eigen voordelen en beperkingen of kosten hebben. Daarom moeten beeldvormingstechnieken worden gekozen afhankelijk van wat men over de hersenen wil weten. Als de timing van hersenactiviteit belangrijk is, zal je waarschijnlijk kiezen voor EEG, maar als je geïnteresseerd bent in waar de activiteit plaatsvindt, zijn fMRI of PET betere opties. Momenteel werken wetenschappers aan het combineren van technieken zodat we de krachten van de technieken kunnen bundelen. 

Auteur: Pablo de Chambrier