MRI: een venster op de hersenen

Toen Bradley Peterson, een psychiater en onderzoeker aan de Columbia University, aanbood om mijn hersenen te scannen met een magnetische resonantiecamera ter grootte van een kleine Airstream-aanhanger, zei ik meteen ja. Ik besteedde 10 minuten aan het invullen van een paginalange checklist (ik loog over de vraag of ik claustrofobisch was) en nog een paar minuten met het legen van mijn zakken en het wegdoen van sleutels, polshorloge en pen, die raketten zouden kunnen worden in het krachtige magnetische magnetische veld van de MRI. veld.

Ik ging op een smalle pallet liggen die als een la in een mortuarium in de machine gleed. De machine kreunde en kletterde terwijl hij in mijn schedel tuurde, en viel toen stil. Met een zacht gezoem gleed de pallet naar buiten en ik ontspande. In ongeveer de tijd die het kost om een ​​paar cd's op mijn laptop te branden, leunde Peterson over een scherm en liet me een gedetailleerd zwart-witbeeld van mijn hersenen zien.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van december 2005

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Hersenscans zoals die ik had, zijn nu routine en worden voor van alles gebruikt, van het opsporen van tekenen van een beroerte tot het opsporen van vermoedelijke tumoren. Maar onderzoekers zoals Peterson duwen MRI-technologie verder dan iemand ooit dacht dat het zou kunnen gaan. In de afgelopen tien jaar is MRI opnieuw ontworpen om niet alleen de anatomie van de hersenen te onthullen, maar ook de manier waarop de hersenen werken.

Terwijl conventionele MRI-scans, zoals degene die Peterson me gaf, fysiologische structuren onthullen, kan een variant genaamd functionele MRI (fMRI) nu ook de bloedstroom in de loop van de tijd in beeld brengen, waardoor onderzoekers kunnen zien welke delen van de hersenen actief zijn tijdens bepaalde taken.

Inderdaad, fMRI-onderzoeken van de afgelopen jaren hebben onderzoekers verrassende beelden opgeleverd van de hersenen die daadwerkelijk aan het werk zijn. Een nog nieuwere uitbreiding is MRI-spectroscopie, een ander soort functionele beeldvorming die de activiteit van bepaalde chemicaliën in de hersenen bewaakt - en andere aanwijzingen geeft voor de hersenfunctie dan fMRI. En recentelijk hebben onderzoekers pionierswerk verricht met een MRI-techniek genaamd diffusion tensor imaging (DTI), die 3D-beelden produceert van het fragiele, spinachtige netwerk van draden dat het ene deel van de hersenen met het andere verbindt.

MRI is volgens Robert Desimone, directeur van het McGovern Institute for Brain Research aan het MIT, het krachtigste hulpmiddel geworden voor het bestuderen van het menselijk brein. Ik vergelijk het met de uitvinding van de telescoop voor astronomen. Desimone merkt op dat de komst van de telescoop niet meteen een revolutie teweegbracht in het wetenschappelijke begrip van het universum. Dat kostte tijd, omdat onderzoekers leerden hoe ze hun nieuwe tool moesten gebruiken.

Hetzelfde gebeurt met MRI, zegt Desimone. Onderzoekers beginnen nu pas het potentieel te beseffen van deze technieken, die ongeveer 15 jaar geleden voor het eerst op grote schaal op mensen werden gebruikt. Je ziet veel opwinding in het veld, zegt Desimone.

Verschillende technische ontwikkelingen hebben bijgedragen aan de verbetering van MRI. Bovenaan de lijst staat de ontwikkeling van krachtigere MRI-magneten, die meer gedetailleerde scans met een hogere resolutie mogelijk maken. Wat megapixels zijn voor een digitale camera, teslas, een maat voor magnetische veldsterkte, zijn voor MRI's: hoe meer je hebt, hoe beter de kwaliteit van het beeld. De nieuwste MRI's genereren magnetische velden van ongeveer zeven tesla's, vele duizenden keren sterker dan het magnetische veld van de aarde en minstens twee keer zo sterk als de velden die doorgaans in ziekenhuizen worden gebruikt. (Sommige onderzoekscentra, waaronder het McGovern Institute, hebben MRI-scanners van 9,4 tesla voor dierstudies.)

Een andere belangrijke ontwikkeling is een opeenvolging van steeds complexere methoden voor computeranalyse. Hierdoor kunnen onderzoekers meer en betere informatie uit scannergegevens halen en zijn niet alleen fMRI maar ook MRI-spectroscopie en DTI verbeterd.

Het uiteindelijke doel van hersenbeeldonderzoek is om te helpen verklaren hoe de miljarden neuronen en verbindingen in de hersenen tot gedachten leiden. Maar onderzoekers passen de nieuwe MRI-technieken ook toe op een meer praktisch, direct doel: het verbeteren van de diagnose en behandeling van psychische aandoeningen en leerstoornissen. De hoop is dat MRI-beeldvorming een veel nauwkeurigere diagnose zal bieden van psychiatrische ziekten waarvan de symptomen op elkaar kunnen lijken, waardoor jarenlang lijden wordt voorkomen voor patiënten die de verkeerde medicijnen gebruiken.

Als onderdeel van deze inspanning gebruiken onderzoekers MRI om de oorzaken te onderzoeken, niet alleen van psychiatrische aandoeningen, maar van allerlei soorten hersenafwijkingen en leerstoornissen, waaronder die vaak worden aangetroffen bij te vroeg geboren kinderen. En hoewel pogingen om hersenbeeldvorming te gebruiken om de psychiatrische gezondheidszorg te verbeteren de afgelopen tien jaar weinig succes hebben gehad, bieden de nieuwe MRI-technologieën - in wezen veel sterkere telescopen voor de geest - nieuwe hoop op het vinden van betere manieren om in te grijpen.

Bipolaire vingerafdruk

Een van de leiders in de poging om MRI in te zetten bij de diagnose en behandeling van psychiatrische aandoeningen is John Port van de Mayo Clinic in Rochester, MN. Port is een neuroradioloog die zijn carrière begon met een studie elektrotechniek en computerwetenschappen aan het MIT en later een doctoraat in celbiologie en een MD behaalde aan de Universiteit van Illinois. Hij bevindt zich dus in een goede positie om zowel de basis-MRI-technologie als de toepassingen ervan in de geneeskunde te onderzoeken.

Ports werk aan MRI zou een brede toepassing kunnen hebben in de psychiatrie, maar voorlopig concentreert hij zich op zijn specifieke interesse: bipolaire stoornis. Bipolaire stoornis, ook wel manische depressie genoemd, wordt gekenmerkt door stemmingswisselingen van wilde uitbundigheid tot diepe depressie, met perioden van stabiliteit daartussen. Röntgenfoto's of conventionele MRI's laten geen verschil zien tussen de hersenen van mensen met een bipolaire stoornis en mensen zonder bipolaire stoornis; medische tijdschriften zijn bezaaid met mislukte pogingen om beeldvorming te gebruiken om onderscheidende tekenen van de ziekte te vinden.

Port denkt dat veel van die pogingen wetenschappelijk gebrekkig waren. Ik heb een lijst met ergernissen van een kilometer lang, zegt hij. Er zijn een miljoen onderzoeken, maar de patiënten kunnen zes verschillende medicijnen gebruiken. Dus als je iets anders ziet, zijn het dan de medicijnen? Of is er iets aan de hand? Een ander probleem met veel eerdere onderzoeken, zegt hij, is dat er te weinig patiënten bij betrokken waren. Van 10 patiënten kun je niets zeggen. Veel van het onderzoek is niet zo rigoureus geweest als zou moeten.

Inderdaad, ondanks jarenlang werk, weten neurowetenschappers nog steeds niet wat de bipolaire stoornis veroorzaakt, of precies welke delen van de hersenen erbij betrokken zijn. Dat gebrek aan kennis heeft de zoektocht naar veiligere en effectievere manieren om de ziekte te behandelen ernstig belemmerd. De belangrijkste medicijnen voor bipolaire stoornis, lithium en Depakote, bestaan ​​al tientallen jaren.

Beide werden per ongeluk ontdekt, toen onderzoekers die iets anders probeerden te doen, merkten dat de medicijnen de symptomen van patiënten met een bipolaire stoornis verlichtten. En hoewel de medicijnen bij sommige mensen redelijk effectief kunnen zijn, hebben artsen geen idee hoe ze werken of welke patiënten er waarschijnlijk baat bij hebben. Om betere geneesmiddelen te vinden, moeten onderzoekers zich kunnen richten op de exacte mechanismen of structuren die betrokken zijn bij bipolaire stoornis.

Het lokaliseren van de mechanismen zou ook kunnen leiden tot een nauwkeurigere evaluatie van de aandoening. Vaak wordt de diagnose in de psychiatrie gedaan door een soort vallen en opstaan, waarbij een psychiater een weloverwogen gok doet op basis van het gedrag of de zelfgerapporteerde symptomen van een patiënt, een medicijn voorschrijft en kijkt of het helpt. Als dat niet het geval is, overweegt de psychiater een andere diagnose en een ander medicijn, totdat iets begint te werken.

Wat psychiaters nodig hebben, is een test die hen het antwoord geeft: deze patiënt heeft de ziekte of niet, zegt Port. Hij en andere onderzoekers hopen dat MRI-scanners de definitieve diagnose zullen bieden. En voor degenen in de geestelijke gezondheidszorg zou dat alles veranderen. Ik wijd de rest van mijn carrière aan het bedenken van een beeldvormende test waarmee psychiaters bipolaire stoornis en andere ziekten kunnen diagnosticeren, zegt Port.

Port is een van de vele onderzoekers die nu experimenteren met MRI-spectroscopie, waarbij software op basis van een spectroscopische scan een beeld van de hersenen maakt. Het beeld bestaat uit afzonderlijke gegevenspunten die voxels worden genoemd, kubussen die analoog zijn aan de pixels in een 2D-computerbeeld. Elk komt overeen met een volume ter grootte van een kidneyboon. Voor elke voxel krijgt Port een meting over de aan- of afwezigheid van bepaalde chemicaliën die indicatoren zijn voor de hersenfunctie.

Om te begrijpen hoe MRI-spectroscopie werkt, is het nodig om een ​​beetje te begrijpen hoe magnetische resonantiebeeldvorming in het algemeen werkt. MRI-scanners pikken extreem zwakke elektromagnetische signalen op die afkomstig zijn van protonen in de atomen van moleculen die de lichaamsweefsels vormen - in dit geval hersenweefsel.

Zie het als luisteren naar een speld die valt in een onweersbui, zegt Port. Elk proton heeft een magnetisch veld dat in een bepaalde richting wijst, net als dat van de aarde. Wanneer de MRI is ingeschakeld, lijnt zijn magneet de magnetische velden van de protonen in dezelfde richting uit. Uitbarstingen van radiofrequentie-energie slaan tijdelijk enkele van de protonen uit de lijn. Wanneer de protonen weer op hun plaats klikken, geven ze energie af en genereren ze een minuscuul signaal dat de MRI-detectoren kunnen opvangen. Door de protonen op verschillende manieren om te draaien en verschillende eigenschappen van die flips te meten, inclusief de tijd die ze nodig hebben, kunnen onderzoekers verschillende weefsels en chemicaliën in de hersenen identificeren.

Met behulp van MRI-spectroscopie kan Port niveaus van chemicaliën meten, zoals n-acetylaspartaat, dat alleen in neuronen wordt aangetroffen, of glutamaat, dat de activiteit van zenuwcellen stimuleert. Toen Port de techniek in veel delen van de hersenen bij bipolaire patiënten gebruikte en de resultaten vergeleek met die van gezonde controles, kwam hij met een chemische vingerafdruk die een indicator leek te zijn van een bipolaire stoornis.

Toen we alle bipolaire patiënten in elke stemmingstoestand vergeleken met hun gematchte normale controlepersonen, ontdekten we dat twee delen van de hersenen significant verschillend waren, zegt Port. Port en zijn team identificeerden ook veranderingen in veel hersengebieden van mensen met een bipolaire stoornis die aangaven of ze in een manische toestand of depressief waren. We hebben een chemische maatstaf gevonden voor de gemoedstoestand, zegt hij.

Dus heeft Port de lang gezochte diagnostische test voor bipolaire stoornis gevonden? Identificeert zijn chemische vingerafdruk betrouwbaar mensen met een bipolaire stoornis en sluit hij degenen uit die dat niet hebben?

Misschien, maar hij weet het nog niet zeker. We denken dat we iets goeds op het spoor zijn, zegt hij, maar we moeten het controleren en ervoor zorgen dat het klinisch bruikbaar is. Het is een kwestie van de techniek met voldoende patiënten uitproberen om er zeker van te zijn dat het statistisch geldig is - dat het niet te veel valse positieven of valse negatieven zal produceren. Het hoeft niet perfect te zijn, maar het moet goed genoeg zijn om nuttige informatie toe te voegen aan wat psychiaters kunnen onderscheiden door middel van hun traditionele methoden van diagnose, interviews en analyses van patiëntgeschiedenissen.

Als Port echter gelijk heeft en de techniek zichzelf bewijst, zou het een mijlpaal zijn in psychiatrisch onderzoek: een diagnostische test voor bipolaire stoornis. En als de techniek werkt bij een bipolaire stoornis, kan deze worden aangepast aan andere psychiatrische aandoeningen.

Port en anderen experimenteren ook met diffusietensorbeeldvorming. DTI meet de waterdiffusie in de hersenen. Water stroomt door de hersenen zoals overal, langs de weg van de minste weerstand. In de hersenen zijn dat langs de axonen, de lange staarten van de neuronen, die elektrische signalen naar andere neuronen overbrengen. (Van de vette, witte isolatie die de meeste axonen omringt, ontleent witte stof zijn naam; de rest van het neuron en niet-geïsoleerde axonen vormen samen grijze stof.)

Port is net begonnen met het onderzoeken van de techniek. Maar uiteindelijk zullen onderzoekers DTI klinisch kunnen gebruiken om te zoeken naar ziekten die interfereren met witte stof - amyotrofische laterale sclerose [de ziekte van Lou Gehrig] en schizofrenie, zegt Port.

Diagnose van ontwikkeling

De technieken die Port bestudeert, zullen, als ze succesvol blijken, worden gebruikt bij het diagnosticeren van mensen die al tekenen van een psychische aandoening vertonen. Maar hoe zit het met anderen die vatbaar zijn voor problemen, maar nog geen symptomen beginnen te vertonen? Kan de MRI-technologie helpen om deze mensen te vinden, zodat ze kunnen worden geholpen voordat symptomen optreden?

Bij Columbia probeert Peterson die vraag te beantwoorden. Hij en zijn medewerkers behoren tot de eersten die de hersenen van premature baby's scannen - soms binnen enkele dagen na hun geboorte. Het doel is om de soorten hersenafwijkingen die ze ontdekken in kaart te brengen en manieren te bedenken om eerder dan ooit in te grijpen om ze te corrigeren of te compenseren.

Peterson raakte ongeveer 10 jaar geleden voor het eerst geïnteresseerd in de complicaties van vroeggeboorte, toen hij aan zijn psychiatrisch onderzoek aan de Yale University begon. Hij had iets heel ongewoons ontdekt in de hersenen van mensen met het syndroom van Gilles de la Tourette. De meesten van ons hebben asymmetrieën in onze hersenen - de linkerkant komt niet precies overeen met de rechterkant. De meesten van ons hebben ook één oog dat groter is dan het andere (zoals portretfotografen zullen aangeven) en andere kleine asymmetrieën.

Maar de hersenen van mensen met het syndroom van Gilles de la Tourette waren anders. In het brein van de Tourette leek er geen asymmetrie te zijn, zegt Peterson. Een vergelijkbare afwezigheid van asymmetrie was waargenomen bij dieren die gecompliceerde geboorten overleefden. Peterson besloot te kijken naar te vroeg geboren kinderen. Net als Port gebruikt hij de nieuwste MRI-technologieën om informatie te verkrijgen die nog niet eerder beschikbaar was.

Er was een reden voor zijn interesse. Te vroeg geboren kinderen lopen een groter risico op leerproblemen en zelfs psychiatrische aandoeningen. Begrijpen hoe hun hersenen verschillen, zou moeten leiden tot nieuwe manieren om hen te helpen.

Toevallig volgde Laura Rowe Ment, een kinderneuroloog aan Yale, een groep van 500 premature kinderen geboren tussen 1989 en 1992 als onderdeel van een lopend onderzoek. Peterson en Ment zetten een samenwerking op. Er waren beeldvormingsrapporten die verschillende soorten problemen in de hersenen suggereerden - in termen van hersenontwikkeling. Maar ze waren ongecontroleerd, de aantallen waren klein - ze waren impressionistisch, zegt Peterson.

Zelfs gezien hun kleinere lichaamsgrootte, hebben premature kinderen de neiging om onevenredig kleine hoofden te hebben. De gok was dat de hersengrootte later in het leven zou afnemen, zegt Peterson. Onderzoekers speculeerden ook dat er schade zou zijn aan de witte stof. De kinderen van Ment, die toen ongeveer acht jaar oud waren, waren vooral nuttig omdat zij en haar collega's alles hadden gedocumenteerd wat hen was overkomen sinds hun geboorte.

Het eerste wat Peterson deed, was de MRI-scanner gebruiken om de grootte van de hersenen van de achtjarige kinderen te bepalen. De gissing was juist - hun hersenen waren kleiner dan normaal. Maar de afname in grootte vond alleen plaats in bepaalde hersengebieden - de delen van de cortex die beweging, visie, taal, geheugen en visueel en ruimtelijk redeneren regelen. Deze regio's waren dramatisch kleiner, zegt Peterson. De andere delen van hun hersenen waren van normale grootte, of kwamen er dichtbij.

De tweede gok - over schade aan witte stof - bleek ook correct. Er was minder witte stof in de motorische gebieden van de kinderhersenen, waardoor er relatief weinig bedradingsverbindingen waren. En de vermindering van het volume correleerde met IQ-scores. Hoe groter de afwijking – hoe abnormaal die in al deze regio’s – hoe lager hun IQ was, zegt Peterson.

De vraag was toen: Zijn deze afwijkingen ontstaan ​​bij of voor de geboorte of enige tijd later? Peterson begon met het scannen van normale en premature baby's. Op de scans van premature pasgeborenen bleek dat ze dezelfde hersenafwijkingen hadden als de achtjarigen. Het was zo onderscheidend, het patroon van afwijkingen, het is bijna onmogelijk om naar een scan te kijken en niet te kunnen zien dat dit een prematuur kind is, zegt Peterson.

Een van de meest opvallende verschillen was de grootte van de kleine holtes in de hersenen die ventrikels worden genoemd. De ventrikels zijn enorm verwijd, ongeveer vier keer groter bij te vroeg geboren kinderen dan bij de voldragen kinderen, zegt Peterson. We zagen dat bij achtjarigen en bij de zuigelingen. Het weefsel rond die ventrikels is echt beschadigd... Het suggereert dat deze baby's ontwikkelingsproblemen hebben nog voordat ze geboren zijn. Peterson volgde de pasgeborenen twee jaar en testte ze vervolgens met een soort IQ-test bedoeld voor peuters. Hoe eerder ze werden geboren, hoe onrijper hun hersenen waren bij de geboorte. En hoe onvolwassen hun hersenen, hoe lager hun intelligentiescores.

Voor neurowetenschappers was de ontdekking dat premature kinderen hersenafwijkingen hadden, logisch. Een groot deel van de groei en ontwikkeling van de hersenen vindt plaats tijdens de laatste helft van de zwangerschap. Neuronen beginnen hun leven samengeklonterd in de buurt van het centrum van wat de hersenen zullen worden, maar beginnen al snel naar buiten te migreren. Gliacellen, die neuronen helpen communiceren, maken een periode van explosieve groei door, wat verantwoordelijk is voor het grootste deel van de gewichtstoename van de hersenen. De neuronen breiden meanderende tentakels uit, op zoek naar verbindingen met andere cellen. Tijdens de laatste weken van de zwangerschap worden miljarden verbindingen gelegd. De axonen ontwikkelen dan hun jassen van witte, vette isolatie. Tegen die tijd zijn de hersenen enorm overontwikkeld, met veel te veel draden en verbindingen. Dus het begint te bezuinigen. Het is alsof elke verbinding wordt getest om de waarde ervan te bepalen. De nuttige circuits blijven behouden; de andere worden weggesneden, waardoor een slanke, efficiënte machine overblijft.

Vroeggeboorte verstoort waarschijnlijk deze processen - de migratie van de zenuwcellen, de groei van gliacellen en witte stof, en het trimmen. Premature kinderen hebben de meeste neuronen die ze met zich mee zullen dragen in het volwassen leven, maar het is mogelijk dat ze niet op de juiste plaatsen zitten of niet goed aangesloten of getest zijn. Onderzoekers, zegt Peterson, testen deze mogelijkheden intensief.

Het onderzoek van Peterson biedt de hoop kinderen te helpen compenseren voor alle hersengerelateerde eigenaardigheden die ze hebben. We willen beeldvorming gebruiken om te voorspellen wie in de loop van de ontwikkeling bijzonder moeilijke problemen zal krijgen, zodat we effectiever kunnen ingrijpen, zegt hij. Die interventie kan bestaan ​​uit speciaal ontworpen onderwijsprogramma's of fysiotherapie en andere behandelingen om fysieke en emotionele problemen te compenseren.

Toen Peterson aan dit werk begon, was zijn interesse professioneel. Maar nu heeft hij ook een persoonlijk belang. Twee jaar geleden werd zijn dochter vier weken te vroeg geboren. Hoewel ze geen nadelige gevolgen heeft, zegt hij dat hij naar haar kijkt en zich zorgen maakt.

Brainstormen

Toen Peterson me scande, vond hij niets verkeerds of zorgwekkends. Als ik een hersentumor of een opvallende afwijking had gehad, zou hij het hebben opgemerkt. Maar dat is ongeveer alle klinisch bruikbare informatie die hij uit een snelle scan zou kunnen halen. Als Peterson me door de geavanceerde scans had geleid die hij gebruikt bij de premature baby's, had hij misschien een gril kunnen ontdekken in de manier waarop mijn hersenen zich gedragen. Maar vanwege de grote variabiliteit in de normale hersenstructuur en -functie, zou hij niet veel specifieks hebben kunnen concluderen over hoe mijn hersenen verschillen van die van andere mensen.

In de komende jaren kan het echter voor ieder van ons mogelijk worden om, met of zonder duidelijke ziektes of neurologische problemen, veel meer te leren over de toestand van onze hersenen, onze waarnemingen en ons denken. Het slechte nieuws is dat hoewel deze technieken erg krachtig zijn, ze niet zijn waar we moeten zijn, zegt Desimone van MIT. We moeten deze MRI-magneten gebruiken op manieren waarop ze nog niet eerder zijn gebruikt.

Desimone's McGovern Institute heeft zojuist het Martinos Imaging Center ingehuldigd. Een kamer in het centrum herbergt een ultramoderne MRI-scanner. Daarnaast is er nog een kamer die voorlopig leeg blijft. We hebben het daar zitten voor een nieuw apparaat, zegt Desimone. Hij weet nog niet wat dat apparaat zal zijn. Dat is onze uitdaging: het hier uitvinden. Het idee is om verder te gaan dan waar we nu zijn, naar de technologie van de toekomst.

Het meest recente boek van Paul Raeburn is: Kennismaken met de nacht , een memoires over het opvoeden van kinderen met een depressie en een bipolaire stoornis.

zich verstoppen