fMRI: wat komt in beeld?

Mogen we zeggen dat functionele beeldvorming van de hersenen ons een blik gunt op het doen en laten van de hersenen? Dat soort beeldvorming geeft ons in elk geval een overzicht van de metabole en hemodynamische activiteit in de hersenen en de variaties daarvan tijdens cognitieve processen. Dat kan bijvoorbeeld het geval zijn als iemand een cognitieve taak uitvoert. Of ook tijdens de slaap, bij coma of na een hersenletsel. Functionele beeldvorming biedt dus een inkijk in fysiologische en pathologische situaties, en leert welke mechanismen ten grondslag liggen aan onze cognitieve prestaties, emoties, bewegingen of andere fenomenen. In geval van hersenletsels (geheugenverlies, ziekte van Parkinson, ziekte van Alzheimer ...) geeft functionele beeldvorming inzicht in welke mogelijkheden de patiënt nog heeft. Positronemissietomografie (PET-scan) blijft erg nuttig, bijvoorbeeld bij onderzoek naar de normale neurotransmissie of afwijkingen van het hersenmetabolisme. Maar bij onderzoek naar het substraat van cognitieve processen wordt bij voorkeur geopteerd voor functionele beeldvorming door magnetische kernspinresonantie (fMRI).Het onderzoek geeft een bijna onmiddellijk overzicht van de lopende hersenactiviteit, leert meer over het substraat van psychische processen, is zeer waardevol bij het diagnosticeren van neurodegeneratieve aandoeningen en andere neurologische ziektes, brengt de neurobiologische effecten van cognitieve revalidatie (aandacht, taal ...) in beeld, enzovoort. fMRI wordt ook almaar belangrijker in de neurochirurgie en vervangt gedeeltelijk de WADA-test (anesthesie van één hemisfeer) om na te gaan welke hemisfeer dominant is bij cognitieve processen, vooral de taal. Het is een onvervangbare techniek, die nooit eerder geziene onderzoeksmogelijkheden biedt. Maar laten we niet te hard van stapel lopen. fMRI wordt in de media vaak voorgesteld als een 'allround-optie'. Nu kan fMRI wel nagenoeg in real time een tipje van de sluier lichten over de werking van de hersenen, maar net zoals de PET-scan biedt deze techniek niet de fabelachtige mogelijkheden die haar soms worden toegedicht, zoals in onze gedachten lezen. "Bij gebrek aan een theoretisch referentiemodel van de onderzochte functie (geheugen, taal, ...) bestaat er een risico op overinterpretatie van de resultaten", zegt prof. Steve Majerus, van de eenheid voor onderzoek in psychologie en cognitieve neurowetenschappen van de Universiteit van Luik (ULiège). En hij voegt er nog aan toe: "Voetstootse interpretaties zijn zelden vruchtbaar en kunnen leiden tot verkeerde besluitvorming." Het is belangrijk voor ogen te houden dat fMRI de activiteit van de neuronen niet direct, maar onrechtstreeks opneemt. fMRI meet vooral de veranderingen in de doorbloeding van de arteriële of veneuze capillairen in geactiveerde hersenzones (BOLD-signaal - Blood Oxygenation Level Dependant). Hierbij wordt gebruikgemaakt van beeldverwerking en multipele, complexe statistische bewerkingen. Waarom moet het beeld worden bewerkt? Ten eerste kan het hoofd van de proefpersoon zeer licht van positie veranderen tijdens het onderzoek. De opeenvolgende beelden moeten dus wat worden bijgesteld. Ten tweede moet onderzoek bij meerdere proefpersonen rekening houden met het feit dat de vorm van de hersenen verschilt van de ene persoon tot de andere. De hersenbeelden van elke proefpersoon moeten daarom worden getransformeerd om ze te kunnen vergelijken met die van hersenen met gestandaardiseerde afmetingen. Die 'normalisering' is essentieel om vergelijkend onderzoek te kunnen verrichten. Voorts is specifieke software vereist voor complexe statistische verwerking van de signalen van fMRI. Een voorbeeld daarvan is het programma Statistical Parametric Mapping (SPM). De gebruiker moet een statistisch model definiëren dat alle experimentele variabelen bevat en de schommelingen daarvan tijdens het onderzoek weergeeft. Dat model is vereist om na te gaan welke hersenzones specifiek worden geactiveerd in een gegeven situatie (bijvoorbeeld, het lezen van woorden) in vergelijking met een andere (bijvoorbeeld, het lezen van termen die geen betekenis hebben zoals 'banmok')."Bij fMRI worden honderden duizenden voxels (1) gegenereerd. Daarom moet ook rekening worden gehouden met het feit dat een activering louter toeval zou kunnen zijn, ook al is ze statistisch significant", beklemtoont Steve Majerus. "Statistische software zoals SPM omvat procedures voor correctie van de vooraf bepaalde statistische drempel om het risico op fout positieve uitkomsten te verkleinen." Daarvoor bestaan meerdere opties. Naargelang van de gekozen optie zal de correctie min of meer streng zijn en de foutmarge min of meer groot. Kortom, zonder statistisch model kunnen de beelden die bij fMRI worden verkregen, niet worden geïnterpreteerd. Nog andere aspecten zijn relevant. Gezien het basisprincipe van fMRI en de beperkingen die daaruit voortvloeien, moeten we met Steve Majerus aannemen dat "het verkregen beeld uiteindelijk niet de directe hersenactiviteit weergeeft, maar een statistische interpretatie van activering van de hersenen." Wat we te zien krijgen, strookt dus niet direct met de werkelijkheid. Prof. Steven Laureys, hoofd van het hersencentrum aan het CHU van Luik, heeft in 2006 fMRI gebruikt in samenwerking met de Universiteit van Cambridge. Zijn resultaten illustreren mooi wat de techniek wel en niet vermag. De vorsers slaagden erin fMRI in real time te gebruiken om een 'dialoog' aan te gaan met een patiënte van 23 jaar, bij wie men al eerder met diezelfde techniek een minimaal bewuste toestand had vastgesteld, hoewel men oorspronkelijk dacht er bij haar sprake was van een niet-responsieve waaktoestand (vroeger vegetatieve toestand genoemd).Er werden eenvoudige vragen gesteld waarop ze met ja of neen moest antwoorden. Nu ziet men op fMRI geen verschillende zones oplichten naargelang de proefpersoon met ja of neen wil antwoorden. Daarom werd de patiënte gevraagd zich in te denken dat ze aan het tennissen was als ze 'ja' wilde antwoorden, en dat ze in huis rondliep als ze 'neen' wilde antwoorden. Tussen deze twee profielen van hersenactivering kan men wél het onderscheid maken, zoals eerder was aangetoond bij gezonde vrijwilligers. "Bij fMRI is het echter nooit zwart of wit", zegt Steve Majerus. "De beeldvorming toont meestal een simultane activiteit in de twee onderzochte netwerken, maar in wisselende mate. De statistische software gaat na of de waargenomen activering het best lijkt op het theoretische netwerk is dat correleert met 'ja', dan wel het theoretische netwerk dat correleert met 'neen'. Daaruit kan men afleiden of het antwoord 'ja' of 'neen' is. Het blijft dus een probabilistische conclusie." De laatste tien jaar werd significante vooruitgang geboekt inzake fMRI, me name dankzij multivariate technieken en scanners met een zeer krachtig magnetisch veld (7 Tesla). Dat bespreken we in een volgend nummer.