ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي مزود ببرنامج خاص يسمح له بمراقبة قدرة الدماغ على العمل. لا يُستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي حاليًا لأغراض البحث فحسب، بل يُستخدم أيضًا لتشخيص أمراض مختلفة مثل الألم العضلي الليفي، وتحديد مناطق معينة في الدماغ قبل الجراحة والمزيد.
يعد فحص الرنين المغناطيسي الوظيفي، وهو اختصار للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (بالعبرية، "التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي")، تقنية أو طريقة تصوير جديدة نسبيًا، أحدث اختراعها ثورة حقيقية في عالم الأبحاث والطب النفسي، و يدعي البعض أنها ستصبح واحدة من تقنيات البحث الرائدة في المستقبل في العقود التالية.
إذن ما هو الرنين المغناطيسي الوظيفي بالضبط؟
إنه في الأساس ماسح ضوئي للتصوير بالرنين المغناطيسي مزود ببرنامج خاص يسمح له بمراقبة قدرة الدماغ على العمل. يُستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي حاليًا ليس فقط للبحث، ولكن أيضًا لتشخيص أمراض مختلفة مثل الألم العضلي الليفي، لتحديد مناطق معينة في الدماغ قبل الجراحة، والمزيد. في المنشور أدناه سنشرح كيفية عمل الرنين المغناطيسي الوظيفي وسنشرح أيضًا الدراسة التي قدمت صورة السلمون الميت الشهيرة - والتي رأوا فيها نشاط الدماغ في دماغ الرنين المغناطيسي الوظيفي لسمكة ميتة (!؟!).
كيف يمكن للالرنين المغناطيسي الوظيفي?
تم تصميم فحص الرنين المغناطيسي الوظيفي، الذي تم تقديمه لأول مرة في عام 1990، لتحديد مناطق الدماغ التي يتم تنشيطها نتيجة لأداء المهام أو نتيجة للتحفيز الحسي - على سبيل المثال، لمس الأنف أو تقلص العضلات، مما يعبر عن نفسه في الدماغ، ويتم تصميم التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لتحديد المنطقة التي يتم تنشيطها في الدماغ استجابة لذلك.
في عام 1913، قدم جراح دماغ يدعى وايلدر بنفيلد (وايلدر بنفيلد) أطروحته للدكتوراه في جامعة برينستون، والتي قدم فيها القزم، وهي صورة الرجل الصغير المرسومة داخل الدماغ. تستخدم هذه الصورة كتجمع لجسم الإنسان في الدماغ، وأعضاء الجسم المختلفة كما تنعكس في معالجة المعلومات العصبية في القشرة الدماغية (مع تكبير مناطق اليدين والشفتين واللسان لأنها تحصل على المزيد مساحة المعالجة في الدماغ). يتيح التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي تأكيد هذا البحث فعليًا، ولكن بطريقة غير جراحية.
كيف يفعل ذلك؟
لكي تؤدي خلايا الجسم وظيفتها، تحتاج إلى إمدادات ثابتة من الأكسجين والمواد المغذية، وهي المواد التي يتم توصيلها إليها عبر الأوعية الدموية في الجسم. هناك أعضاء في جسمنا مثل الكبد وعضلات الجسم، تعرف كيفية تخزين العناصر الغذائية (على شكل جليكوجين) والأكسجين (على شكل ميوجلوبين). تم تصميم هذه المخازن لتوفير كمية من الأكسجين والجلوكوز أكثر مما يمكن أن توفره الأوعية الدموية، وذلك لتلبية المتطلبات. ولا يمتلك الدماغ مثل هذه المخازن، لذلك فهو يعتمد فقط على إمداد الدم بالأكسجين والمواد المغذية. تتمتع الأوعية الدموية في الدماغ (وبالطبع في الجسم أيضًا) بالقدرة على التوسع في القطر كاستجابة لبعض التغيرات البيوكيميائية، وبالتالي، إذا لزم الأمر، فهي تعرف كيفية توفير المزيد من الأكسجين والجلوكوز للخلايا في الجسم. الأنسجة - في حالة الدماغ - إلى الخلايا العصبية.
ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي قادر على القياس بشكل غير مباشر يعتمد نشاط الخلايا العصبية على نشاط الأوعية الدموية الإقليمية عندما يعتمد على الاختلافات في التأثيرات الناتجة عن إشارة الرنين المغناطيسي للهيموجلوبين المؤكسج (أوكسي هيموجلوبين) مقابل إشارة الرنين المغناطيسي للهيموجلوبين غير المؤكسج (ديوكسي هيموجلوبين).
ولكي نتمكن من فهم الفرق في الإشارة بشكل أفضل، سنخصص بضع كلمات لوصف بروتين الهيموجلوبين.
الهيموجلوبين هو بروتين ينتمي إلى عائلة البروتينات تسمى البروتينات المعدنية، حيث تتمثل وظيفته الأساسية في نقل الأكسجين إلى خلايا الجسم في جهاز الدم. يحتوي اسم "الهيموجلوبين" على التركيبين اللذين يتكون منهما - مجموعة "الهيم"، وهي جزيء غير بروتيني يتكون من بنية حلقية في وسطها ذرة حديد محاطة بأربع ذرات نيتروجين، وبروتين الجلوبين، بروتين يكون فيه جزيء "الهيم" مدمجًا في رابطة تساهمية. يتكون جزيء الهيموجلوبين بأكمله من أربع وحدات فرعية، وهي في الواقع وحدات جلوبين مرتبطة ببعضها البعض، وأربع مجموعات "هم" موجودة داخل بروتينات الجلوبين. يمكن لكل مجموعة "هم" ربط جزيء أكسجين واحد، وبالتالي فإن جزيء الهيموجلوبين الواحد لديه قدرة ربط تصل إلى أربعة جزيئات أكسجين.
الأوكسي هيموغلوبين (أوكسي هيموغلوبين) هو الهيموغلوبين المؤكسج الذي يظهر على شكل مادة حمراء زاهية تتشكل عندما يتحد الهيموغلوبين في خلايا الدم الحمراء مع الأكسجين. هذا هو الشكل الذي يتم به نقل الأكسجين إلى الأنسجة، حيث يتم إطلاقه. ديوكسي هيموجلوبين (ديوكسي هيموجلوبين) هو هيموجلوبين غير مؤكسد، بدون ذرات أكسجين، ولهذا السبب له لون أزرق بيضاوي.
كيف يتمكن ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي من التمييز بين الإشارة المختلفة للهيموجلوبين المؤكسج والهيموجلوبين غير المؤكسج؟
تتأثر إشارة الرنين المغناطيسي بشكل كبير بعدد الإلكترونات المقترنة (الإلكترونات المقترنة، إلكترونين موجودان في نفس المدار لكن لهما دوران معاكس) وعدد الإلكترونات غير المقترنة (إلكترون وحيد في المدار، ولهذا السبب الذرة أو الجزيء أكثر تفاعلاً مع التفاعلات الكيميائية).
الإلكترونات المزدوجة هي إلكترونات ليس لها تأثير مغناطيسي (ما يسمى Diamagnetic) وبالتالي لا تؤثر على إشارة الرنين المغناطيسي المحلية، بينما الإلكترونات غير المزدوجة ممغنطة (ما يسمى Paramagnetic)، وبالتالي فهي قادرة على التأثير على الرنين المغناطيسي المحلي إشارة، وفي تركيزات عالية حتى تحويل المنطقة الصورة بأكملها مظلمة (في تسلسل صدى الدوران القياسي).
لا يحتوي الأوكسيهيموجلوبين، وهو الهيموجلوبين المؤكسج، على إلكترونات غير متزاوجة، وبالتالي ليس له أي تأثير على إشارة الرنين المغناطيسي المحلية (وهو ثنائي المغناطيسية). عندما يطلق ذرات الأكسجين الخاصة به، فإنه يصبح ديوكسي هيموغلوبين، وهيموغلوبين منزوع الأكسجين، مع أربعة إلكترونات غير متزاوجة. الآن يصبح الهيموجلوبين بارامغناطيسي ويؤدي التركيز العالي للديوكسي هيموجلوبين في الدم إلى عدم التجانس في المجال المغناطيسي وتشوهات في الصورة، وهي عناصر تضعف قوة إشارة الرنين المغناطيسي المحلية. ولهذا السبب يبدو الأوكسي هيموغلوبين أكثر سطوعًا من الديوكسي هيموغلوبين في صورة التصوير بالرنين المغناطيسي T2.
لكن ما تم وصفه حتى الآن ليس سوى نصف الصورة.
كما ذكرنا سابقًا، لا يحتوي الدماغ على مخازن للأكسجين والطاقة (كما هو الحال في الكبد والعضلات على سبيل المثال)، وبالتالي فهو يعتمد فقط على إمداد الدم إليه. لديه أوكسي هيموجلوبين يتدفق في شرايينه الدماغية، والذي كما قيل، بما أنه غير ممغنط، غير مغناطيسي، ليس له أي تأثير على إشارة الرنين المغناطيسي المحلية. في الحالة الطبيعية، لنفترض حالة من الراحة، تستخرج الخلايا العصبية ما تحتاجه من الأوعية الدموية، تاركة في الشعيرات الدموية بشكل رئيسي الديوكسي هيموغلوبين المزرق الذي له التأثير المغناطيسي ومن ثم يحدث انخفاض كبير في الإشارة في الدماغ المنشط المنطقة أو بعد فترة وجيزة.
ومع ذلك، في حالة عمل الخلايا العصبية، أي عندما يتم تنشيطها، فإن الوجود المحلي للناقلات العصبية يسبب خلايا داعمة حولها، والتي تسمى الخلايا النجمية (الخلايا الكبيرة والشائعة في الجهاز العصبي المركزي، وهي على شكل نجمة وهي تلعب العديد من الأدوار الداعمة في أنسجة الدماغ والحبل الشوكي)، لإفراز مواد كيميائية في الشرايين مما يتسبب في توسع الأوعية الدموية ومن ثم توفير المزيد من الأكسجين والمواد المغذية للخلايا العصبية في المنطقة النشطة من الدماغ.
ونتيجة لذلك فإن الزيادة في حجم الدم تكون أكثر من كافية للحاجة الأيضية المطلوبة، وبذلك نصل فعلياً إلى حالة متناقضة حيث تحدث زيادة في كمية الأوكسي هيموجلوبين المحمر أيضاً في الشعيرات الدموية الوريدية، بعد مرورها عبرها. الخلايا العصبية في منطقة الدماغ النشطة. وبما أن أوكسي هيموجلوبين مادة مغناطيسية (لا تمغنط ولا تؤثر على إشارة الرنين المغناطيسي)، فإن هناك زيادة في إشارة الرنين المغناطيسي الإقليمية نسبة إلى مناطق الخلايا العصبية غير الملوثة، مما ينتج منطقة أكثر سطوعًا من المغناطيسية إشارة الرنين في منطقة الخلايا العصبية الثمانية (أو بالأحرى بعد ذلك بوقت قصير سنصل إلى ذلك لاحقًا).
وهكذا، فإن ما يحدث فعليًا هو أن دقة الإشارة بين الخلايا العصبية المنشطة والخلايا العصبية في حالة الراحة (الخلايا العصبية غير النشطة) تعتمد على التركيز النسبي للأوكسيهيموجلوبين في الشعيرات الدموية الوريدية ولذلك يسمى هذا النوع من التصوير بالخط العريض. - التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي المعتمد على مستوى الأكسجين في الدم.
القيود جريئة الرنين المغناطيسي الوظيفي وعلى نشاط الدماغ لأسماك السلمون الميتة
تعد تقنية BOLD fMRI أداة قوية في الأبحاث الوظيفية للدماغ، ولكن لها أيضًا قيود واضحة بسبب الطريقة التي يتم بها الحصول على الإشارة - وترتبط هذه بشكل أساسي بالدقة الزمنية (TE) والدقة المكانية. يشير القرار الزمني إلى دقة القياس فيما يتعلق بالوقت. وبما أننا نختبر نشاط الخلايا العصبية بشكل غير مباشر على أساس الزيادة الإقليمية في الشعيرات الدموية الوريدية للأوكسي هيموجلوبين بعد موقع الخلايا العصبية الأوكتاف، فإن هذا يعتمد على اتجاه تصريف الوريد الذي يصدر الإشارة، وبالتالي يمكن تحديد موقع الإشارة تم اكتشافه على بعد بضعة ملليمترات من منطقة الخلايا العصبية الأوكتاف.
هناك حالة أخرى مشهورة نسبيًا، والتي قدمت للعالم محدودية التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي BOLD، وترتبط بالضوضاء الخلفية التي يمكن أن يتأثر بها.
في عام 2009، قدم بينيت وزملاؤه الصورة، التي أصبحت الآن مشهورة جدًا، في مقال بعنوان: الارتباطات العصبية لأخذ المنظور داخل الأنواع في سمك السلمون الأطلسي بعد الوفاة
تُظهر الصورة نشاط الدماغ لدى سمكة سلمون ميتة في BOLD fMRI استجابةً لعرض صور لأشخاص في مواقف اجتماعية مختلفة. وفي صورة واحدة على الأقل، تمكن الباحثون من إظهار إشارة مهمة داخل دماغ السلمون، والتي من المفترض أن تكون غير نشطة.
لم يكن الهدف من الصورة والمقال الذي لخصها معارضة تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي أو الاستهزاء بها، بل زيادة الوعي بالنتائج الزائفة في فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي، والتي يمكن أن تنتج عن ضوضاء عشوائية في الخلفية، إذا لم يتم إجراء تصحيحات إحصائية معينة بشكل روتيني عند تحليل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي بيانات النتائج. هاجم مؤلفو المقال نتائج العديد من الدراسات التي استخدمت التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي، والتي من الممكن أن تكون بياناتها غير صحيحة بسبب عدم استخدام برامج التصحيح لمشكلة المقارنات المتعددة (مشكلة إحصائية تحدث عند إجراء عدة استدلالات إحصائية في نفس الوقت، أو عندما يتم تقدير مجموعة من المعلمات في نفس الوقت بناءً على البيانات، في بعض الأحيان قد تؤدي التصحيحات أيضًا إلى حدوث مشكلات ورفض الفرضية الصفرية، حتى عندما تكون صحيحة). تنشأ هذه المشكلة على وجه التحديد من القيود المنهجية لاستخدام BOLD fMRI.
في الختام، يعد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي أداة رائعة فتحت العديد من الخيارات لعالم البحث. وعلى الرغم من أنها لا تخلو من عيوبها، إلا أنها أداة بحثية لها بلا شك مستقبل أمامها.
الببليوغرافيا ولمزيد من القراءة:
المقال الشهير عن سمكة السلمون الميتة:
الارتباطات العصبية لأخذ المنظور داخل الأنواع في سمك السلمون الأطلسي بعد الوفاة
بوابة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي وتصوير الدماغ https://fmri.co.il/
بوابة التصوير بالرنين المغناطيسي الإسرائيلية- https://mriportal.co.il/
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
- من الممكن "مراقبة" عملية التمثيل الغذائي للدماغ باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي
- طور باحثون من التخنيون جزيئات نانومترية جديدة لتحديد الخلايا من أجل التصوير بالرنين المغناطيسي والفحص المجهري الضوئي
- أقوى أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي في العالم وما هو المناسب لنا في المستقبل في هذا المجال
كاتب المقال: عوفر بن هورين، الذي يتمتع بخبرة حوالي 20 عامًا في التطبيقات والأبحاث الدوائية والتدريب في مجال التصوير بالرنين المغناطيسي. مؤلف الكتابالتصوير بالرنين المغناطيسي: يلتقي الدليل الكامل للطب والفيزياء" في الموقع www.mriguide.co.il
