Fonksiyonel MR Nedir?

Sinirbilim araştırmalarında popülerliği giderek artan fonksiyonel MR nedir? Ankara Üniversitesi Beyin Araştırmaları Uygulama ve Araştırma Merkezi'nden Gözde Vatansever yazdı.


Fonksiyonel MR (işlevsel manyetik rezonans görüntüleme; fMRI ya da iMRG), özellikle son 20 yılda sinirbilim çalışmalarında en çok kullanılan yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Standart MR’ın aksine, klinikte kullanımı yaygın değildir. Dolayısıyla –en azından şimdilik- çoğunlukla bir araştırma ve ölçme tekniğidir.

MR, isminden de anlaşılacağı gibi, biyolojik dokuları görüntülemek için güçlü manyetik alanlar kullanır. Farklı dokuların güçlü manyetik alanda farklı görünmesi temel alınarak, beyin dokusunun yapısal özellikleri MR yardımıyla incelenebilir. Beyindeki hasar ve kayıplar, gri ve beyaz madde farklılıkları, tümörler bu şekilde belirlenebilir. Dokunun yapısını incelemeye olanak sağlaması nedeniyle standart MR çekimleri “yapısal MR” olarak da adlandırılır.

MR ve benzeri yapısal beyin görüntüleme yöntemleri ile, aktif fonksiyon gösteren beyinde meydana gelen fizyolojik değişiklikler tespit edilemez. Buna karşın fonksiyonel görüntüleme yöntemleri beynin çalışmasını görüntüleyerek beyin fonksiyonlarını izleme olanağı sunar. Bir zihinsel işlev sırasında hem beyin bölgelerini, hem de bu bölgelerde meydana gelen aktivite farklılıklarını tespit ederek beyinde çeşitli işlevler ile ilişkili aktivasyon örüntülerinin tanımlanmasına yardımcı olur.

fMRI tekniği, çalışmakta olan beyindeki fonksiyonel süreçleri BOLD (Blood oxygenation level dependent, kan oksijenlenme seviyesine bağımlı) sinyali temel alarak ölçer. Sinyalin nöral aktivite ile uyumlu olduğu farklı teknikler ile doğrulanmakla birlikte, BOLD sinyali nöral aktiviteyi doğrudan yansıtmaz, kandaki oksijenlenme seviyesini gösterir. Bu teknik ile vasküler sistemdeki daha yavaş değişiklikler temel alınarak nöral aktivite hesaplanır. Dolayısıyla beyin metabolizmasını yansıtır. Başka bir deyişle fMRI’da nöral aktivite dolaylı olarak ölçülür.

Vücutta bir bölgede aktivite artışı, o bölgede yüksek oranda oksijen tüketimi demektir. Dokulara gereken oksijeni sağlamak adına o bölgede kanlanma artar ve ihtiyaç duyulan oksijen bu şekilde tedarik edilir. Tıpkı koşarken bacak kaslarında kanlanmanın artması gibi, beyinde de bir bölgede nöral aktivitenin artması o bölgede lokal olarak kanlanmayı arttırır. Aktivasyonu artan nöronlarda nörotransmitter salınımı, aksiyon potansiyelinin iletimi, iyon dengesinin korunması gibi pek çok aktivite, o bölgede daha yüksek enerji ihtiyacı doğurur. Vasküler sistem tarafından o bölgeye oksijenli kan (oksihemoglobin bulunduran kan) iletilir. Aktif bölgeye iletilen kandaki oksijen, nöronların kullanabileceğinden çok daha fazladır. Bölgede oksihemoglobin artar; deoksihemoglobin azalır. Kandaki hemoglobin molekülünün oksijen taşıdığı ve taşımadığı durumlarda manyetik özelliklerinin farklılaşması MR sinyalini etkiler. Bir bölgede lokal olarak deoksihemoglobin miktarı arttığında MR sinyali azalır, deoksihemoglobin miktarı azaldığında ise sinyal artar. Bu nedenle MR sinyali kan oksijenlenme seviyesine bağımlı (BOLD) sinyal olarak isimlendirilir.

Kan oksijenlenmesindeki değişimler kendiliğinden, normal beyin fizyolojisi gereği gerçekleşir. Dolayısıyla fMRI girişimsel olmayan (non-invasive) bir tekniktir. Kişilere herhangi bir madde enjeksiyonu gerektirmez, zararsızdır. Aynı kişilerde defalarca tekrarlanabilir. Bu avantajları nedeniyle hızla popülerleşmiştir ve pek çok bilimsel merkezde binlerce araştırmacı tarafından sıklıkla kullanılmaktadır.

fMRI tekniğinin bir başka avantajı uzaysal çözünürlüğünün milimetre düzeyinde olmasıdır.  Diğer bir deyişle, sinyalin nereden alındığı milimetre düzeyinde spesifize edilebilir. Sadece korteks değil, subkortikal çekirdekler ve beyincik aktivasyonları da tespit edilir. Sinyalin zamansal çözünürlüğü ise çoğu çalışmada 1-2 saniye civarında olmakla birlikte teknik gelişmeler sayesinde artık milisaniyeler düzeyine çekilebilmektedir.

Bilimsel araştırmalarda popülerliğini artarak sürdürmekle birlikte, diğer tüm tekniklerde olduğu gibi fMRI yönteminin de kısıtlılıkları bulunmakta ve beyin ve davranış ile ilişkili sorulara tek başına cevap verememektedir. Bunlar göz önünde bulundurularak, fMRI bulgularının yorumlanması ve genellenmesinde dikkatli olmak gerekir. En sık düşülen yanılgı, beyin aktivasyonunun bilişsel süreçlere genellenmesinde görülür (reverse inference). fMRI –ya da benzeri diğer tekniklerin- bulgularından “X bölgesi aktive olduğunda aşık olunur, Y bölgesi aktive olduğunda tiksinilir” gibi çıkarımlar yapmak hatalıdır. Zihinsel ve davranışsal süreçlerin beyindeki temsili bundan çok daha karmaşıktır. Bunun yanında, fMRI çalışmaları nöral aktivitenin manipülasyonunu değil, ölçülmesini içerir. Bu nedenle fMRI bulgularının yorumlanması tek yönlü olmak durumundadır: Davranışın/ zihinsel sürecin deneysel manipülasyonu, beyin fonksiyonunda değişiklik yapar.

Aktivasyon bilgisine ek olarak, fMRI verisinde ileri analizler yapılarak çeşitli işlevlere ilişkin bağlantısallık haritaları da çıkarılabilmektedir. Birbiri ile korelasyon gösteren beyin bölgelerinin aktivasyonları tespit edilebilmekte, aktivasyonların birbiri üzerindeki nedensel etkileri de hesaplanabilmektedir. fMRI verilerinde analiz yöntemleri her geçen gün gelişmekte ve çeşitlenmektedir. Bununla birlikte teknolojik gelişmelere paralel olarak uzaysal ve zamansal çözünürlük de iyileştirilmekte, tekniğin gelişmesi sürmektedir. İlerleyen dönemlerde bu görüntüleme tekniği beynin işleyişini çözme çabasında elimizdeki en güçlü araçlardan biri olmaya adaydır.

Kaynaklar ve ileri okuma:

Görseller Wikimedia Commons

Huettel, S. A., Song, A. W., & McCarthy, G. (2004). Functional magnetic resonance imaging (Vol. 1). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Kosslyn, S. M. (1999). If neuroimaging is the answer, what is the question?. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences354(1387), 1283-1294.

Logothetis, N. K. (2008). What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature453(7197), 869.

Soares, J. M., Magalhães, R., Moreira, P. S., Sousa, A., Ganz, E., Sampaio, A., … & Sousa, N. (2016). A hitchhiker’s guide to functional magnetic resonance imaging. Frontiers in neuroscience10, 515.