Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי פורסם: 22 באוקטובר, 2020

הפיזיקה של MRI וכיצד אנו משתמשים בה כדי לגלות את מסתרי המוח

תַקצִיר

יכולתנו לפרשׁ ולעבד מידע, וגם לווסת רגשות, נקבעת על-ידי המבנה וההרכב הכימי של המוח שלנו. שינוי במבנה או בהרכב הביוכימי של המוח שלנו יכול להשפיע על בריאותנו הנפשית; על האופן שבו אנו מתמודדים עם מצבים של לחץ יומיומי; על היצירתיות שלנו ועל איכות החיים הכללית שלנו. מדענים שמתעניינים בחקר המוח ובהפרעות נפשיות (מדענים אלה נקראים מדעני מוח) מנסים להבין כיצד הארכיטקטורה וההרכב הביוכימי של המוח שונים במצב של בריאות תקינה לעומת מצב של מחלה. כדי לעשות זאת אנו משתמשים בשיטה שנקראת דימות תהודה מגנטית (MRI) במטרה לקבל תמונה של המוח החי, לבחון את התפקודים שלו ואת המבנה שלו. המאמר הזה מסביר על הפיזיקה של MRI ועל האופן שבו אנו משתמשים בה כדי להפיק תמונות של המוח שלנו לשם חקירת האופן שבו המוח פועל.

המוח: ביתה של הנפש

כמרכזהּ של מערכת העצבים, המוח מפרש את המידע שמגיע מסביבתנו באופן שיהיה הגיוני עבורנו. המוח מפרש מידע וגם משחרר כימיקלים ששולחים אותות חשמליים (הודעות) שגורמים לגוף להגיב. אולם המוחות שלנו לא רק מווסתים את הגוף שלנו ואת התנועות שלנו אלא מהווים גם את ביתה של הנפש שלנו. המוח הוא המיקום הפיזי שמקושר לפעילותה של הנפש.

המוחות שלנו שולטים באופן רציף בזרימת המידע: הזיכרונות, המחשבות, הרגשות והדמיון שלנו. זרימת המידע הזו (איור 1A) יכולה להידמות לרשת חברתית שבה במקום שהודעות יישלחו בין חברים ברשת חברתית, המידע נשלח לאזורים שונים במוח דרך תאי עָצָב (נוירונים). הרשת המוחית נשענת על המבנה המוחי וההרכב הכימי של המוח כדי לתפקד באופן תקין. למעשה, מוח מוצלח או יעיל מאפשר לנו להיות בריאים מבחינה קוגניטיבית (יכולתנו לבצע פעילויות מנטליות), רגשית וחברתית.

איור 1 - הרשת המוחית.
  • איור 1 - הרשת המוחית.
  • (A) זרימה של מידע, הרגשות שלנו והמחשבות שלנו יכולים להידמות לרשת חברתית שבה, במקום שהודעות יישלחו בין חברים ברשת החברתית, מידע נשלח לאזורים שונים במוח דרך תאי עצב (נוירונים). (B) בלקויות של בריאות נפשית כמו למשל דיכאון וחרדה, לעיתים קרובות אנו רואים הפרעות ברשת המוחית. ההפרעות האלה יכולות להשפיע על האופן שבו הרשת המוחית שולחת הודעות, מקבלת אותן או מפרשת אותן.

בריאות נפשית

הרשת המוחית, האופן שבו היא שולחת מידע והמבנה הבסיסי שלה קובעים את הבריאות הנפשית שלנו. בלקויות בבריאות נפשית כמו למשל דיכאון וחרדה, לעיתים קרובות אנו רואים הפרעה ברשת המוחית (איור 1B). השינוי הזה במבנה הבסיסי ובהרכב הכימי של המוחות שלנו יכול להשפיע על האופן שבו אנו מתמודדים עם הלחצים הרגילים של חיי היומיום, על היצרנות שלנו ועל איכות החיים הכללית שלנו. לכן, חוקרי מוח שרוצים להבין לקויות בבריאות נפשית ואת האופן שבו כולנו יכולים להישאר בריאים נפשית שואפים לבחון את הרשת המוחית. אם נוכל להבין כיצד המבנה המוחי וההרכב הכימי מובילים לתפקוד בריא, נוכל להתחיל להבין לקויות נפשיות. אולם כדי להיות מסוגלים לחקור את המוח ואת הרשתות שלו, אנו צריכים להיות מסוגלים להסתכל לתוך מוחותיהם של אנשים. כדי לעשות זאת אנו משתמשים בדימוּת תהודה מגנטית (MRI).

דימות תהודה מגנטית: MRI

דימות תהודה מגנטית (MRI) מאפשר לנו לראות לתוך הגוף האנושי בפירוט רב, באמצעות שימוש במגנטים וגלי רדיו. סורק ה-MRI הראשון שהשתמשו בו לדימות של הגוף האנושי נבנה בניו-יורק בשנת 1977. מאז הטכנולוגיה התקדמה מאוד וכיום MRI נמצא בשימוש תדיר על-ידי רופאים שמסתכלים בעזרתו לתוך הגוף האנושי. הסיבה לכך היא ש-MRI לא מְעָרֵב קרינה (כמו סריקת רנטגן או סריקת CT) וישנם עוד ועוד סורקי MRI שמותקנים ברחבי העולם.

ה“מגנט” בדימות תהודה מגנטית

סורק MRI הוא למעשה מגנט עצום. עוצמתו של המגנט נמדדת ביחידה שמכונה טֶסְלָה (T - Tesla). מרבית סורקי ה-MRI שמשתמשים בהם בבתי חולים ובמחקר רפואי פועלים בעוצמה של 3 T או 1.5 T. כדי לשים זאת בפרספקטיבה, עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ היא 0.00006 T. כלומר, סורק MRI שעוצמתו 3 T חזק בערך פי 60,000 מהשדה המגנטי של כדור הארץ!

MRI משתמש בשדות מגנטיים ובגלי רדיו כדי למדוד כמה מים נמצאים ברקמות שונות בגוף, מְמַפֶּה את מיקום המים ואז משתמש במידע הזה כדי להפיק תמונה מפורטת. התמונות כל כך מפורטות מאחר שהגוף שלנו מורכב מסביבות 65% מים, ולכן אנו יכולים למדוד אותות חזקים. מולקולת המים (H2O) מורכבת משני אטומי מימן ומאטום אחד של חמצן. אטומי המימן (H) הם החלק שהופך את המים להיות מעניינים עבור MRI, ומה שאנו משתמשים בו כדי למדוד אות מהגוף כשאנו מבצעים סריקת MRI.

אם נסתכל על מימן ביתר פירוט, אנו רואים שיש לו גרעין מרכזי שמכיל מטען חיובי אחד שנקרא פרוטון (איור 2A). כפי שכדור הארץ מסתובב סביב צירו עם קטבים מגנטיים צפוני ודרומי, כל פרוטון מימן מסתובב הוא כמו מגנט זעיר שמסתובב סביב לציר של עצמו. תנועת הסיבוב ידועה כנקיפה (או פרצסיה). בכל רגע בזמן, כל מיליארדי פרוטוני המימן בגוף שלנו ממוקמים בעמדות אקראיות ומסתובבים סביב הציר של עצמם.

איור 2 - פרוטוני מימן והאופן שבו הם מתנהגים בשדה מגנטי.
  • איור 2 - פרוטוני מימן והאופן שבו הם מתנהגים בשדה מגנטי.
  • (A) מים מורכבים משני אטומי מימן ומאטום אחד של חמצן. גרעין המימן (שמוצג באדום בתור P+) מכיל מטען חיובי אחד – פרוטון שמסתובב סביב צירו, אשר מתנהג כמו מגנט זעיר. (B) בסורק MRI הפרוטונים מסתדרים עם השדה המגנטי B0, חלקם בכיוון “מעלה” (up, באדום) וחלקם בכיוון “מטה” (down, בלבן). השדה המגנטי הכולל שמופק מכל פרוטוני המימן מבטל כמעט לחלוטין את השדות המגנטיים המקומיים של כל אחד מהפרוטונים, ומשאיר רק את השדה המגנטי שמגיע מכל הפרוטונים העודפים שבכיוון “מעלה”, וזהו השדה המגנטי הקטן שאנו יכולים למדוד באמצעות MRI. (C) כאשר נשלח גל או פּוּלְס של אות רדיו עם אותה התדירות כמו תדר הנקיפה של הפרוטון, פרוטוני ה“מעלה” מתהפכים הרחק משדה ה-B0 בעודם סופגים את אנרגיית אות הרדיו.

אולם האקראיות הזו משתנה כאשר אנו ממקמים גוף אנושי בתוך שדה מגנטי חזק מאוד, כמו בסורק MRI. ממש כמו שמחט של מצפן מסתדרת עם הכיוון המגנטי של כדור הארץ, כאשר פרוטוני המימן האלה שמסתובבים באקראיות ממוקמים בסורק MRI, הצירים שלהם מיישרים אותם עם השדה המגנטי החזק יותר של הסורק. אנו קוראים לשדה המגנטי של הסורקים בשם שדה B0. ממש כמו מחט של מצפן בשדה המגנטי של כדור הארץ, המצפן עצמו לא זז פיזית אלא שהמחט מסתובבת סביב עצמה. באופן דומה, פרוטוני המימן לא זזים פיזית בגוף שלכם כשאתם נכנסים לסורק MRI, אלא שהצירים שלהם מסתדרים עם כיוון שדה ה-B0. חלקם יסתדרו בכיוון “מעלה” (במקביל) וחלקם יסתדרו בכיוון “מטה” (אנטי-מקביל), בעודם ממשיכים להסתובב סביב הצירים של עצמם (איור 2B). בהתאם לחוקים המופלאים של פיזיקת הקוונטים, שלא ניכנס אליהם כאן, ישנם מעט יותר פרוטוני “מעלה” מאשר פרוטוני “מטה”. אם תחשבו על השדה המגנטי הכולל שמיותר מכל פרוטוני המימן, המגנטים הזעירים האלה מבטלים זה את זה כמעט לגמרי, ומשאירים רק את השדה המגנטי שנובע מהחלק הקטן של פרוטוני “מעלה” עודפים, וזהו השדה המגנטי הקטן שאנו יכולים למדוד באמצעות MRI.

שדה לא משפיע רק על הכיוון של הפרוטון, אלא גם משפיע על המהירות שבה הפרוטונים האלה מסתובבים (מה שנקרא תדירות נקיפה). תדירות הנקיפה תלויה בחוזק של השדה המגנטי. ככל שהשדה המגנטי חזק יותר, כך הפרוטונים מסתובבים מהר יותר. שני הרעיונות האלה של יישור מחדש של הציר ושל תדירות נקיפה חשובים כשאנו משתמשים ב-MRI כדי למדוד אותות ממולקולות המימן האלה.

כיצד אנו מאתרים את השדה המגנטי?

אז כיצד אנו מפרידים בין השדה המגנטי זעיר שנגרם על-ידי עודף אטומי ה“מעלה” בגוף שלנו מהשדה המגנטי החזק B0 של הסורק עצמו? אנו משתמשים במשהו שנקרא פּוּלְס RF כדי ליצור הפרעה או להסיט את כל הפרוטונים, באותו הזמן, מחוץ ליישור עם השדה המגנטי של הסורק (איור 2C). התדירות של פולס ה-RF צריכה להיות זהה לתדירות הסיבוב של פרוטוני המימן, כך שהם יוכלו להחליף אנרגיה ולהימצא בתהודה זה עם זה. תהודה מאפשרת לפרוטונים לספוג מספיק אנרגיה מפולס ה-RF כדי לסובב את צירם הרחק מהשדה המגנטי 0B, כך שסורק ה-MRI יוכל למדוד אותם. אם תחשבו שוב על האופן שבו מצפן בשדה המגנטי של כדור הארץ מצביע לכיוון הקוטב הצפוני, אנו יכולים לגרום למחט להסתובב כך שהיא תצביע לכיוון מזרח אם אנו ממקמים מגנט קטן קרוב למצפן. זה דומה לאופן שבו פרוטונים מתנהגים כשאנו מפעילים את פולס ה-RF.

אם הגוף מלא כולו בפרוטוני מימן בכיוון “מעלה” שכולם מסתובבים באותו תדר נקיפה בשדה B0, כיצד אנו מכוונים רק אל האטומים במוח במטרה לחקור בריאות נפשית? אנו משתמשים בעובדה שתדירות הנקיפה של פרוטונים תלויה בעוצמת השדה המגנטי. אנו מפעילים שדה חשמלי נוסף, B1, שמשתנה לאורך הגוף. בדוגמה שמוצגת באיור 3A, פרוטוני מימן בראש יסתובבו מהר יותר מאשר האטומים בחזה, בבטן וברגליים. לאחר מכן, אנו מכווננים את פולס ה-RF לתדירות הנקיפה של אטומי המימן שבראש. במצב כזה, פולס ה-RF יהיה בתהודה רק עם הפרוטונים במוח. לכן, רק הפרוטונים במוח יספגו אנרגיה מפולס ה-RF ויסתובבו הרחק מהשדה. B0 אנו יכולים כמובן לכוונן את פולס ה-RF שלנו להיות בתהודה עם פרוטונים אחרים בגוף, כמו בכפות הרגליים, אם נהיה מעוניינים לקבל תמונה של כפות הרגליים!

איור 3 - מיקוד הסריקה שלנו.
  • איור 3 - מיקוד הסריקה שלנו.
  • (A) השדה B1 מופעל ומתגבר לאורך הגוף, מכפות הרגליים לכיוון הראש. במצב כזה, פרוטוני מימן בראש יסתובבו מהר יותר מאשר הפרוטונים שבשאר הגוף, למשל בכפות הרגליים. (B) רקמות שונות כמו חומר לבן, חומר אפור ונוזל המוח והשׁדרה בגוף יפלטו כמויות שונות של אנרגיה. כדי למדוד את האנרגיה שנפלטת מפרוטונים במוח כאשר פולס ה-RF מכובה, אנו ממקמים סליל סביב לראש. (C) השיטה הזו יכולה לספק תמונות שונות רבות של המוח, מה שמספק לנו מידע על (מימין למעלה): האופן שבו המוח מחובר מבנית דרך החומר הלבן – המידע על הכבישים המהירים במוח; (מימין באמצע): נפח אזורי החומר האפור במוח, שם המידע מעובד; (מימין למטה): כיצד המוח מחובר מבחינה תפקודית – כיצד אזורים שונים במוח מתקשרים ופועלים יחד.

כיצד אנו מקבלים תמונה מהפרוטונים המסתובבים האלה?

אז, כיצד אנו מקבלים תמונה מפרוטוני המימן המסתובבים והמוסטים האלה במוח? כאשר פולס ה-RF מכובה, הפרוטונים מסתובבים חזרה ומתיישרים מחדש לאורך השדה המגנטי העיקרי B0. אם נחשוב שוב על המצפן שלנו, כאשר אנו מזיזים את המגנט הקטן שלנו הרחק, המחט תסתובב מכיוון מזרח לכיוון צפון ותתיישר מחדש עם השדה המגנטי של כדור הארץ. כאשר הפרוטונים מתהפכים חזרה ומתיישרים עם B0, הם פולטים אנרגיה. רקמות שונות בגוף פולטות כמויות שונות של אנרגיה. כדי למדוד את האנרגיה הנפלטת אנו צריכים ציוד מיוחד (שנקרא סליל) אשר ממוקם סביב אזור הגוף שאותו אנו סורקים (איור 3B). הסליל משמש כאנטנה ומאתר את האנרגיה שהשתחררה בצורה של זרם חשמלי. הזרם החשמלי מותמר, באמצעות מחשב, ותוך שימוש בחישוב מתמטי שנקרא הַתְמָרַת פוּרְיֶה. מאחר שהפרוטונים של סוגי הרקמות השונים במוח כמו למשל בחומר האפור, בחומר הלבן ובדם פולטים כמויות שונות של אנרגיה, התוצאה של האנרגיה המותמרת היא תמונה מפורטת מאוד של הרקמה שבתוך המוח.

מסקנות

כעת תיארנו כיצד אנו משתמשים ב-MRI כדי לייצר אותות ממולקולות מים בגוף ולמדוד אותם. אולם נוסף על סיפוק של תמונות מתוך הגוף שלנו, MRI יכול לשמש ככלי לענות על שאלות שונות שקשורות להרכּב של המוח ולאופן שבו הוא מתפקד. באמצעות תמונות MRI אנו יכולים לחקור לא רק את המבנה של המוח ואת הרכבו הכימי אלא גם כיצד הרשת המוחית שלנו מחוברת וכיצד אזורים שונים במוח מתקשרים זה עם זה (איור 3C). באופן הזה, חוקרי מוח יכולים לחקור כיצד הרשת המוחית משתנה ממצב של בריאות נפשית תקינה למצב של לקות בבריאות נפשית. באמצעות הבנת האופן שבו מחלה נפשית משנה את המוח נוכל להתחיל לפתח טיפולים עבור הלקויות האלה.

מילון מונחים

דימות תהודה מגנטית (Magnetic resonance imaging, MRI): שיטה שמאפשרת לראות מוחות של אנשים באמצעות מגנטים וגלי רדיו.

B0: שמו של השדה המגנטי של סורק ה-MRI.

תדירות נקיפה (Processional frequency): הקצב שבו פרוטונים מסתובבים בשדה מגנטי.

פולס RF: אות קצר בתדר רדיו (RF – radio frequency): שמשתמשים בו כדי להסיט את פרוטוני התהודה מיישורם עם השדה המגנטי B0.

בתהודה (On resonance): הימצאות באותו התדר.

הַתְמָרַת פוּרְיֶה (Fourier transformation): חישוב מתמטי שמשתמשים בו כדי לייצג זרם חשמלי שעובר בסליל כתמונה.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.