מהי fMRI וכיצד היא פועלת?

האם אי פעם הסתכלתם על מישהו ותהיתם, ’מה קורה בתוך הראש שלהם? זוהי שאלה מפורסמת שנשאלה על ידי הדמות ג’וי מסרט דיסני פיקסר בשם הקול בראש, והיא חידה שרופאים ומדענים מנסים לפתור באופן יומיומי, בסיועו של דימות מוחי. דימות מוחי מאפשר לרופאים ולמדענים להסתכל במבנים הפנימיים של המוח בלי לפתוח את הגולגולת. ישנן כמה שיטות לדימות מוחי. אחת מהן נקראת דימות תהודה מגנטית (MRI), והיא מתבוננת במבנה של המוח, ושיטה נוספת היא דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI), שמסתכלת על תפקודו של המוח.

fMRI מודדת פעילות מוחית על ידי איתור שינויים בזרימת הדם אל המוח. fMRI היא תוצר של MRI. למעשה, שתיהן משתמשות באותו המכשיר, שנקרא סורק תהודה מגנטית (איור 1). טכנולוגיית MRI משמשת ליצירת תמונות תלת-ממדיות מפורטות של המבנה הפנימי של אובייקט, באמצעות שדות מגנטיים וגלי רדיו [2]. ניתן להשתמש ב-MR כדי לחקור איברי גוף נוספים פרט למוח, ואפילו אובייקטים שאינם חיים. לדוגמה, MRI יכולה לשמש ארכיאולוגים לצילום תמונות של החלק הפנימי של מאובנים. fMRI יכולה לשמש גם לדימות איברי גוף שאינם המוח. ברפואה, MRI ו-fMRI של המוח מסייעות לזהות מחלות, לתכנן טיפולים ולחקור את הגורמים שמובילים למחלות וללקויות.

סורקי MR פועלים באמצעות צילום תמונות של המוח, שכבה אחת בכל פעם. לאחר מכן, התמונות נערמות כמו פנקייקים כדי ליצור תמונה שלמה של האזור שמצלמים. כיצד זה אפשרי, אתם שואלים? הגוף האנושי מורכב ממיליארדי מולקולות, כולל מולקולות מים, שניתן לאתרן באמצעות מכונת MRI. אטומים בכל המולקולות לרבּות מולקולות מים (H₂O), מכילים פרוטונים [2]. פרוטונים הם כמו מגנטים זעירים [2]. בהיעדר שדה מגנטי חזק (כלומר, כשאנו מחוץ לסורק ה-MR), פרוטונים בגופנו מכוונים בכיוונים אקראיים (איור 2A). כשאנו שוכבים בתוך הסורק, השדה המגנטי החזק שלו, שהוא בדרך כלל חזק פי עשרות אלפים מהשדה המגנטי של כדור הארץ, מכריח את הפרוטונים האלה להסתדר בכיוון השדה, אף על פי שאיננו יכולים להרגיש זאת כלל (איור 2B). סליל הגרדיאנט (ראו gradient coil, איור 1) מסייע למפעילי הסורק לקבוע היכן בדיוק הגוף שלנו נמצא בתוך הסורק.

לאחר מכן, סלילי תדר הרדיו (RF) מעבירים גלים של תדרי רדיו דרך אזורים בגוף שעוברים דימות, כדי לסדר מחדש את הפרוטונים פעם נוספת, אולם באופן זמני (איור 2C). סלילי RF יכולים להיות חלק ממכשיר MRI עבור סריקת הגוף כולו, או להיחבש כקסדה מיוחדת כשמצלמים את המוח. כאשר גלי הרדיו כבר לא משודרים, הפרוטונים “נרגעים” למצבם המקורי עם השדה המגנטי של הסורק. כשהם עושים זאת, הפרוטונים משחררים את האנרגיה שמשכה אותם בכיוון של סליל ה-RF (כמו שחרור של מקלעת), בצורה של אותות אלקטרומגנטיים (איור 2D).

באותו האופן שמיליוני טיפות מים יכולות ליצור שלולית, כשהאותות ממיליוני פרוטונים מנותחים בתשומת לב, הם יכולים להתחבר וליצור תמונה מפורטת של הגוף [2]. בעוד ש-MRI רק מצלם תמונות של מבנה המוח, fMRI מראה את הפעילות (או התפקוד) של המוח, על ידי השוואת זרימת הדם בתנאים שונים.

נוירונים – אבני הבניין של מוחנו

המוח מסייע לנו להבין את העולם שסביבנו, ולהגיב כלפיו. הוא מאפשר לנו לפרש דברים שאנו רואים אותם, נוגעים בהם, שומעים אותם וטועמים מהם, ומווסת את תגובות גופנו לסביבה החיצונית. הוא עושה כל זאת דרך רשת של תאים זעירים שנקראים נוירונים, אשר מעבדים מידע ומעבירים אותו בין המוח לשאר הגוף [3]. כאשר המוח מתמודד עם מטלה, כמו למשל זכירת רעיון, נוירונים שאחראים על הפעילות הזו נעשים פעילים יותר מנוירונים אחרים שסביבם. הם עושים זאת על ידי יצירת אותות כימיים וחשמליים, והעברתם מנוירון אחד לאחר. התהליך הזה נקרא פעילות נוירונלית, או פעילות מוחית.

כיצד fMRI מודדת פעילות מוחית?

פעילות נוירונלית דורשת אנרגיה. כמו תאים אחרים בגוף, נוירונים מייצרים אנרגיה על ידי שימוש בחמצן, כדי לפרק סוכר. כאשר פעילות נוירונלית מתגברת באזור מסוים במוח, נדרשת יותר אנרגיה. כדי לחדש את מלאי האנרגיה הזו, מועבר עוד דם שנושא חמצן אל אותו האזור במוח. הדם נושא חמצן באמצעות מולקולה שנקראת המוגלובין. המוגלובין מכיל ברזל, שמקנה לו את תכונותיו המגנטיות, כמו מילוי זעיר של ברזל. כתלות באם ההמוגלובין נושא חמצן או לא (כלומר, אם הוא מחומצן או לא), יש לו תכונות מגנטיות מעט שונות. לכן, פעילות עצבית רבה יותר מובילה לזרימה גדולה יותר של דם מחומצן (איור 3), כך שאזורי מוח פעילים יותר הם גם מעט יותר מגנטיים. זה גורם לתבניות מעט שונות של גלים אלקטרומגנטיים.

fMRI מאתרת פעילות מוחית על ידי מדידת שינויים בכמות החמצן בדם ובכמות זרימת הדם .[5, 4] המדד הזה ידוע כפעילות BOLD (קיצור של blood-oxygen-level-dependent activity). במילים אחרות, פעילות BOLD היא ממלאת מקום נוחה של פעילות מוחית: fMRI מודדת פעילות מוחית בעקיפין על ידי מדידת פעילות BOLD. זה קצת דומה ללהבין היכן ומתי מתרחשים ברקים, באמצעות הקשבה לרעמים.

תובנות BOLD לגבי פעילות מוחית

במהלך שלושת העשורים האחרונים פחות או יותר, חוקרים השתמשו בשיטות BOLD MR במטרה להתחיל לענות על שאלתה של ג’וי מהסרט “הקול בראש” לגבי מה קורה בתוך ראשיהם של אנשים. כוחה של fMRI לחדור לעומקים שאחרת היו בלתי חדירים בתפקוד מוחי, בבני אדם ובחיות, מומחש באופן יפהפה בעבודתו של דוקטור גרגורי ברנס ועמיתיו. הם השוו את פעילות BOLD במוחות של כלבים, בתגובה לשני אותות יד שונים: אחד שאמר לכלבים שהם עומדים לקבל תגמול של מזון טעים, ואחר שאמר להם שהם לא יקבלו תגמול (איור 4A).

הם מצאו שאזור עמוק בתוך המוח, שנקרא הגרעין הזנבי, היה פעיל יותר כשהכלבים ראו אות תגמול מאשר כשהן ראו אות של חוסר בתגמול (איור 4B). מחקרים קודמים בבני אדם ובמינים אחרים הראו שאותו אזור במוח פעיל בבני אדם כשאנו מצפים לתגמול. אם כן, בדוגמה הזו ישנה תשובה לשאלה של ג’וי מהסרט: מה שקורה בראשיהם של כלבים דומה מאוד למה שקורה בראשינו שלנו בנסיבות דומות, ויכול להיות מצולם באמצעות fMRI בשני המקרים [6]. זוהי תובנה מדהימה שלא הייתה מתאפשרת אלמלא היינו מסוגלים “לקרוא” את מוחותיהם של כלבים באמצעות fMRI!

פריצת דרך בתחומים שונים, כולל רפואה

הפיתוח של MRI ושל fMRI אִפשר לנו לבצע צעדים גדולים בהבנת תפקוד המוח. חלק מזה נובע מכך ש-MRI ו-fMRI, בניגוד למשל לקרני רנטגן, לא פוגעות בתאי מוח באמצעות קרינה מזיקה, ויכולות לקבוע את המיקום של פעילות מוחית ביתר דיוק. יתרה מזו, MRI יכולה לשמש לחקור מגוון רחב של דברים נוסף על בני אדם לרבּות חיות, צמחים, אורגניזמים אחרים, ואפילו מאובנים, שאין להם דם.

אולם ההשפעה הגדולה ביותר של MRI ושל fMRI, מחוץ לגבולותיו של מחקר טהור, הייתה בהבנת מחלות מוח. לדוגמה, לפני כמה שנים, היינו מסוגלים לאתר את מחלת האלצהיימר רק בשלבים מאוחרים, כאשר מרבית הנזק למוח היה בלתי הפיך. עם הפיתוח של fMRI, איתור מוקדם של אלצהיימר נעשה אפשרי יותר ויותר. אנשים עם אלצהיימר נוטים להראות פחות פעילות באזורים מסוימים במוחם, בהשוואה לאנשים בריאים. לכן, רופאים יכולים להשתמש ב-fMRI כדי לאבחן אלצהיימר בשלב מוקדם, באמצעות איתור רמות אבנורמליות או נמוכות של פעילות באזורים האלה במוח, לפני שהמחלה מחריפה.

כמו כן סורקי fMRI מסוגלים כיום להבחין בין מוח עם אוטיזם וללא אוטיזם, בדיוק של 97% [7]. במוחות עם אוטיזם, מחקרי fMRI הראו תבניות של פעילות מופחתת באזור במוח שחשוב לתכנון, לפתרון בעיות ולפירוש אינטראקציות חברתיות. יתרה מזו, סריקות של מטופלים עם אוטיזם הראו קשרים מעטים יותר בין שני חצאי המוח. לכן, על ידי השוואה שיטתית בין תפקוד מוחי במטופלים עם מחלות מסוימות שקשורות למוח, לבין תפקוד המוח של מטופלים בריאים, מתרחשת התקדמות מהירה בהבנת המחלות האלה.

מה הלאה?

חרף ההתקדמות הרבָּה, נותרו כמה אתגרים. לדוגמה, אנו עדיין יודעים מעט מאוד על האופן שבו המוח מתפתח בילדוּת המוקדמת. כיום, מכשירי fMRI הם חשוכים, רועשים ומפחידים, מה שגורם להם להיות בלתי מתאימים עבור פעוטות ואנשים שפוחדים ממקומות צפופים. נדרש למכשירים אלה גם זמן רבליצור תמונות, וה“מצלמות” שלהם רגישות במיוחד לתנועה, מה שגורם לתמונות להיות מטושטשות. יתרה מזו, שיטת fMRI היא יקרה, לא ניידת ודורשת אימון רב של רופאים ושל מדענים. חוקרים עובדים על פתרון הבעיות האלה. אתגר עיקרי נוסף הוא לשפר את מהירות תהליך דימות ה-MR, ולשפר את איכות התמונות. האתגרים האלה, וכמה אתגרים נוספים, יכולים להיראות מאיימים, אולם הם למעשה הזדמנויות עתידיות למוחות הצעירים והשאפתניים של היום.

מילון מונחים

שדה מגנטי (Magnetic Field): ↑ שדה שמתרחש סביב מגנט, אשר מפעיל כוח שמושך אובייקטים מגנטיים אחרים, או דוחה אותם.

תדירות גלי רדיו (Radio Frequency Waves): ↑ אותות אלקטרומגנטיים מיוחדים שנוצרו על ידי סלילים של תדרי רדיו במטרה לכוונן מחדש פרוטונים מהשדה המגנטי של המגנט של סורק MRI.

אותות אלקטרומגנטיים (Electromagnetic Signals): ↑ אותות שנוצרים דרך הוויברציות של שדות מגנטיים ושדות חשמליים.

נוירונים (Neurons): ↑ תאי עצב ששולחים ומקבלים אותות חשמליים וכימיים על פני מרחקים ארוכים, במיוחד במוח.

המוגלובין (Hemoglobin): ↑ חלבון מכיל ברזל בתוך תאי דם אדומים, שתופס חמצן ונושא אותו לרקמות הגוף.

הגרעין הזנבי (Caudate Nucleus): ↑ אזור במוח אשר, בין השאר, מגיב לתגמולים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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