MRI: Ett fönster mot hjärnan

När Bradley Peterson, en psykiater och forskare vid Columbia University, erbjöd sig att skanna min hjärna med en magnetisk resonanskamera i storleken på en liten Airstream-släpvagn, sa jag genast ja. Jag tillbringade 10 minuter med att fylla i en sidlång checklista (jag ljög på frågan och frågade om jag var klaustrofobisk) och ytterligare några minuter med att tömma mina fickor och göra mig av med nycklar, armbandsur och penna, som kan bli missiler inuti MRI:s kraftfulla magnet. fält.

Jag la mig på en smal pall som gled in i maskinen som en låda i ett bårhus. Maskinen stönade och klirrade när den kikade in i min skalle och tystnade sedan. Med ett försiktigt sus gled pallen ut och jag slappnade av. På ungefär den tid det tar att bränna några CD-skivor på min bärbara dator lutade Peterson sig över en skärm och visade mig en detaljerad svartvit bild av min hjärna.

Den här historien var en del av vårt decembernummer 2005

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Hjärnskanningar som den jag hade är nu rutin, används för allt från att upptäcka tecken på stroke till att söka upp misstänkta tumörer. Men forskare som Peterson driver MRI-teknik längre än någon en gång trodde att den skulle kunna gå. Under det senaste decenniet eller så har MRT omarbetats för att avslöja inte bara hjärnans anatomi utan också hur hjärnan fungerar.

Medan konventionella MR-undersökningar, som den Peterson gav mig, avslöjar fysiologiska strukturer, kan en variant som kallas funktionell MR (fMRI) nu också avbilda blodflödet över tid, vilket gör att forskare kan se vilka delar av hjärnan som är aktiva under vissa uppgifter.

Faktum är att fMRI-studier under de senaste åren har gett forskare häpnadsväckande bilder av hjärnan i verkligheten. En ännu nyare förlängning är MRI-spektroskopi, en annan typ av funktionell avbildning som övervakar aktiviteten hos vissa kemikalier i hjärnan – vilket ger andra ledtrådar till hjärnans funktion än vad fMRI gör. Och senast har forskare banat väg för en MRT-teknik som kallas diffusionstensoravbildning (DTI) som producerar 3D-bilder av det bräckliga, spindelformade nätverket av trådar som förbinder en del av hjärnan med en annan.

MRT har blivit, säger Robert Desimone, chef för McGovern Institute for Brain Research vid MIT, det mest kraftfulla verktyget för att studera den mänskliga hjärnan. Jag liknar det vid uppfinningen av teleskopet för astronomer. Desimone noterar att teleskopets ankomst inte omedelbart revolutionerade den vetenskapliga förståelsen av universum. Det tog tid, eftersom forskare lärde sig hur man använder sitt nya verktyg.

Samma sak händer med MRT, säger Desimone. Forskare har precis börjat inse potentialen hos dessa tekniker, som först användes allmänt på människor för cirka 15 år sedan. Du ser mycket spänning i fältet, säger Desimone.

Flera tekniska framsteg har bidragit till MRT:s förbättring. Toppar på listan är utvecklingen av kraftfullare MR-magneter, som möjliggör mer detaljerade skanningar med högre upplösning. Vad megapixlar är för en digitalkamera, tesla, ett mått på magnetfältets styrka, är för MRI:er: ju mer du har, desto bättre bildkvalitet. De nyaste MRI genererar magnetfält på cirka sju tesla, många tusen gånger starkare än jordens magnetfält och minst dubbelt så starka som de som vanligtvis används på sjukhus. (Vissa forskningscentra, inklusive McGovern Institute, har 9,4-tesla MRI-skannrar för djurstudier.)

En annan nyckelutveckling är en följd av allt mer komplexa metoder för datoranalys. Dessa tillåter forskare att extrahera mer och bättre information från skannerdata och har förbättrat inte bara fMRI utan även MRT-spektroskopi och DTI.

Det yttersta syftet med hjärnavbildningsforskning är att hjälpa till att förklara hur miljarder nervceller och kopplingar i hjärnan ger upphov till tankar. Men forskare tillämpar också de nya MRT-teknikerna till ett mer praktiskt, omedelbart mål: att förbättra diagnosen och behandlingen av psykiska sjukdomar och inlärningsstörningar. Förhoppningen är att MR-undersökning ska ge mycket mer exakt diagnos av psykiatriska sjukdomar vars symtom kan likna varandra, vilket förhindrar år av lidande för patienter som fått fel mediciner.

Som en del av detta arbete använder forskare MRT för att undersöka orsakerna inte bara till psykiatriska åkommor utan till alla typer av hjärnavvikelser och inlärningsstörningar, inklusive de som ofta finns hos barn som är födda för tidigt. Och medan försök att använda hjärnavbildning för att förbättra den psykiatriska hälsovården har haft liten framgång under det senaste decenniet, ger de nya MRI-teknikerna – i huvudsak mycket starkare teleskop på sinnet – nytt hopp om att hitta bättre sätt att ingripa.

Bipolärt fingeravtryck

En av ledarna i ansträngningen att anlita MRT för diagnos och behandling av psykiatriska åkommor är John Port vid Mayo Clinic i Rochester, MN. Port är en neuroradiolog som började sin karriär med att studera elektroteknik och datavetenskap vid MIT och senare fick en doktorsexamen i cellbiologi och en MD från University of Illinois. Så han har en bra position att forska i både grundläggande MRT-teknik och dess tillämpningar för medicin.

Ports arbete med MRT skulle kunna ha bred tillämpning inom psykiatrin, men för tillfället koncentrerar han sig på sitt speciella intresse: bipolär sjukdom. Bipolär sjukdom, även kallad manodepression, kännetecknas av humörsvängningar från vild överflöd till djup depression, med perioder av stabilitet däremellan. Röntgen eller konventionell MRI visar ingen skillnad mellan hjärnan hos personer med bipolär sjukdom och de utan det; medicinska tidskrifter är fulla av misslyckade försök att använda bildbehandling för att hitta distinkta tecken på sjukdomen.

Port tycker att många av dessa försök var vetenskapligt felaktiga. Jag har en lista med husdjur som är en mil lång, säger han. Det finns en miljon studier, men patienterna kan vara på sex olika mediciner. Så när du ser något annat, är det medicinen? Eller är det något på gång? Ett annat problem med många tidigare studier, säger han, är att de inkluderade för få patienter. Du kan inte säga något från 10 patienter. Mycket av forskningen har inte varit så rigorös som den borde vara.

Trots år av arbete vet neuroforskare fortfarande inte vad som orsakar bipolär sjukdom, eller exakt vilka delar av hjärnan som är inblandade. Den bristen på kunskap har allvarligt försvårat sökandet efter säkrare och effektivare sätt att behandla sjukdomen. De viktigaste läkemedlen för bipolär sjukdom, litium och Depakote, har funnits i årtionden.

Båda upptäcktes av en slump, när forskare som försökte göra något annat märkte att läkemedlen lindrade symptomen hos patienter med bipolär sjukdom. Och även om läkemedlen kan vara någorlunda effektiva hos vissa människor, har läkare ingen aning om hur de fungerar eller vilka patienter som mest sannolikt kommer att gynnas. För att hitta bättre läkemedel måste forskare kunna rikta in sig på de exakta mekanismer eller strukturer som är involverade i bipolär sjukdom.

Att fastställa mekanismerna kan också leda till en mer exakt utvärdering av störningen. Ofta görs diagnos inom psykiatrin genom ett slags försök och misstag, där en psykiater gör en välgrundad gissning baserad på beteendet eller självrapporterade symtom hos en patient, ordinerar ett läkemedel och ser om det hjälper eller inte. Om det inte gör det överväger psykiatern en annan diagnos och en annan medicin, tills något börjar fungera.

Vad psykiatriker behöver är något test som ger dem svaret: den här patienten har sjukdomen eller inte, säger Port. Han och andra forskare hoppas att MRI-skannrar kommer att ge den definitiva diagnosen. Och för dem inom mentalvårdsbranschen skulle det förändra allt. Jag ägnar resten av min karriär åt att ta fram ett avbildningstest som kommer att hjälpa psykiatriker att diagnostisera bipolär sjukdom och andra sjukdomar, säger Port.

Port är en av många forskare som nu experimenterar med MRT-spektroskopi, där programvara producerar en bild av hjärnan baserat på en spektroskopisk skanning. Bilden består av individuella datapunkter som kallas voxels, kuber som är analoga med pixlarna i en 2D-datorbild. Var och en motsvarar en volym ungefär lika stor som en kidneyböna. För varje voxel får Port en avläsning om närvaron eller frånvaron av vissa kemikalier som är indikatorer på hjärnans funktion.

För att förstå hur MRT-spektroskopi fungerar är det nödvändigt att förstå lite om hur magnetisk resonanstomografi fungerar mer generellt. MRI-skannrar fångar upp extremt svaga elektromagnetiska signaler som kommer från protoner i atomerna av molekyler som utgör kroppens vävnader – i det här fallet hjärnvävnad.

Tänk på det som att lyssna efter ett nålfall i ett åskväder, säger Port. Varje proton har ett magnetfält som pekar i en viss riktning, precis som jordens. När MRI är påslagen riktar dess magnet in protonernas magnetfält i samma riktning. Utbrott av radiofrekvent energi slår tillfälligt några av protonerna ur linje. När protonerna snäpper tillbaka på plats frigör de energi och genererar en minimal signal som MRI:s detektorer kan ta upp. Genom att vända protonerna på olika sätt och mäta olika egenskaper hos dessa vändningar, inklusive tiden de tar, kan forskare identifiera olika vävnader och kemikalier i hjärnan.

Med hjälp av MRT-spektroskopi kan Port mäta nivåer av kemikalier som n-acetylaspartat, som bara finns i neuroner, eller glutamat, som stimulerar nervcellsaktivitet. När Port använde tekniken över många delar av hjärnan hos bipolära patienter och jämförde resultaten med resultaten från friska kontroller, kom han fram till ett kemiskt fingeravtryck som verkade vara en indikator på bipolär sjukdom.

När vi jämförde alla bipolära patienter i vilket humör som helst med deras matchade normala kontrollpersoner, fann vi att två områden i hjärnan var signifikant olika, säger Port. Port och hans team identifierade också förändringar i många regioner av hjärnan hos personer med bipolär sjukdom som indikerade om de var i ett maniskt tillstånd eller deprimerade. Vi hittade ett kemiskt mått på humörtillståndet, säger han.

Så har Port hittat det länge eftersökta diagnostiska testet för bipolär sjukdom? Identifierar hans kemiska fingeravtryck på ett tillförlitligt sätt personer som har bipolär sjukdom och utesluter de som inte har det?

Kanske, men han kan inte vara säker än. Vi tror att vi är inne på något bra, säger han, men vi måste kontrollera det och se till att det kommer att vara kliniskt användbart. Det är en fråga om att prova tekniken med tillräckligt många patienter för att vara säker på att den är statistiskt giltig – att den inte kommer att producera för många falska positiva eller falska negativa. Det behöver inte vara perfekt, men det måste vara tillräckligt bra för att lägga till användbar information till vad psykiatriker kan urskilja genom sina traditionella metoder för diagnos, intervjuer och analyser av patienthistorier.

Om Port är korrekt, men tekniken bevisar sig själv, skulle det vara ett landmärke inom psykiatrisk forskning: ett diagnostiskt test för bipolär sjukdom. Och om tekniken fungerar med bipolär sjukdom kan den vara anpassningsbar till andra psykiatriska sjukdomar.

Port och andra experimenterar också med diffusionstensoravbildning. DTI mäter vattendiffusion i hjärnan. Vatten strömmar genom hjärnan som det gör någon annanstans – längs minsta motståndets väg. I hjärnan, det är längs axonerna, neuronernas långa svansar, som förmedlar elektriska signaler till andra neuroner. (Det är från den feta, vita isoleringen som omger de flesta axoner som vit materia har fått sitt namn; resten av neuronen och oisolerade axoner utgör tillsammans grå materia.)

Port har precis börjat undersöka tekniken. Men så småningom kommer forskare att kunna använda DTI kliniskt för att leta efter sjukdomar som stör vit substans - amyotrofisk lateralskleros [Lou Gehrigs sjukdom] och schizofreni, säger Port.

Diagnostisera utveckling

Teknikerna som Port studerar, om de visar sig vara framgångsrika, kommer att användas för att diagnostisera personer som redan visar tecken på psykisk ohälsa. Men hur är det med andra som är disponerade för problem men ännu inte börjat uppvisa symtom? Kan MR-tekniken hjälpa till att hitta dessa personer så att de kan hjälpas innan symtomen visar sig?

På Columbia försöker Peterson svara på den frågan. Han och medarbetare är bland de första som skannade hjärnan på för tidigt födda barn – ibland inom några dagar efter deras födelse. Syftet är att katalogisera vilka typer av hjärnavvikelser de upptäcker och att hitta sätt att ingripa tidigare än någonsin för att försöka korrigera eller kompensera för dem.

Peterson blev först intresserad av komplikationerna av för tidig födsel för omkring 10 år sedan, när han började sin psykiatriska forskning vid Yale University. Han hade upptäckt något mycket ovanligt i hjärnan hos personer med Tourettes syndrom. De flesta av oss har asymmetrier i våra hjärnor - den vänstra sidan matchar inte exakt den högra. De flesta av oss har också ett öga som är större än det andra (som porträttfotografer kommer att påpeka) och andra mindre asymmetrier.

Men hjärnan hos personer med Tourettes syndrom var annorlunda. I Tourettes hjärna verkade det finnas en frånvaro av asymmetri, säger Peterson. En liknande frånvaro av asymmetri hade observerats hos djur som överlevde komplicerade förlossningar. Peterson bestämde sig för att titta på barn som hade fötts för tidigt. Liksom Port använder han de senaste MRI-teknikerna för att försöka få information som inte har varit tillgänglig tidigare.

Det fanns en anledning till hans intresse. Barn som föds för tidigt löper större risk för inlärningssvårigheter och till och med psykiatriska sjukdomar. Att förstå hur deras hjärnor är olika borde leda till nya sätt att hjälpa dem.

När det hände följde Laura Rowe Ment, en pediatrisk neurolog vid Yale, en grupp på 500 för tidigt födda barn födda mellan 1989 och 1992 som en del av en pågående studie. Peterson och Ment upprättade ett samarbete. Det fanns avbildningsrapporter som antydde olika typer av problem i hjärnan – när det gäller hjärnans utveckling. Men de var okontrollerade, siffrorna var små – de var impressionistiska, säger Peterson.

Även med tanke på deras mindre kroppsstorlek, tenderar för tidigt födda barn att ha oproportionerligt små huvuden. Gissningen var att hjärnstorleken skulle minska senare i livet, säger Peterson. Forskare spekulerade också i att det skulle bli skador på den vita substansen. Ments barn, som då var ungefär åtta år gamla, var särskilt användbara eftersom hon och hennes kollegor hade dokumenterat allt som hänt dem sedan de föddes.

Det första Peterson gjorde var att använda MRI-skannern för att bestämma storleken på de åttaåriga barnens hjärnor. Gissningen var rätt – deras hjärnor var mindre än normalt. Men minskningen i storlek inträffade bara i vissa hjärnregioner - de delar av cortex som styr rörelse, syn, språk, minne och visuella och rumsliga resonemang. Dessa regioner var dramatiskt mindre, säger Peterson. De andra delarna av deras hjärnor var normalstora, eller nära den.

Den andra gissningen – om skador på vit substans – visade sig också vara korrekt. Det fanns mindre vit substans i de motoriska områdena i barnens hjärnor, vilket betyder att det fanns relativt få ledningsanslutningar där. Och volymminskningen korrelerade med IQ-poäng. Ju större avvikelsen – desto mer onormal den var i alla dessa regioner – desto lägre var deras IQ, säger Peterson.

Frågan var då: Uppstod dessa avvikelser vid eller före födseln eller någon gång senare? Peterson började skanna normala och för tidigt födda barn. Skanningarna av för tidigt födda barn visade att de hade samma hjärnavvikelser som åttaåringarna. Det var så distinkt, mönstret av avvikelser, det är nästan omöjligt att titta på en skanning och inte kunna säga att det här är ett för tidigt fött barn, säger Peterson.

En av de mest framträdande skillnaderna var storleken på de små hålrummen i hjärnan som kallas ventriklar. Ventriklarna är kraftigt vidgade, ungefär fyra gånger större hos de för tidigt födda barnen än i termen barn, säger Peterson. Det såg vi hos åttaåringar och hos spädbarnen. Vävnaden runt de ventriklarna är verkligen skadad...Det tyder på att dessa barn har problem i utvecklingen redan innan de föds. Peterson följde de nyfödda i två år och testade dem sedan med ett slags IQ-test avsett för småbarn. Ju tidigare de föddes, desto mer omogna var deras hjärnor vid födseln. Och ju mer omogna deras hjärnor, desto lägre intelligenspoäng.

För neurovetenskapsmän var upptäckten att för tidigt födda barn hade hjärnavvikelser vettig. Mycket av hjärnans tillväxt och utveckling sker under den sista hälften av graviditeten. Neuroner börjar livet klumpat nära mitten av det som kommer att bli hjärnan men börjar snart migrera utåt. Gliaceller, som hjälper neuroner att kommunicera, går igenom en period av explosiv tillväxt, vilket står för det mesta av hjärnans viktökning. Neuronerna sträcker ut slingrande tentakler och söker förbindelser med andra celler. Miljarder kopplingar skapas under de sista veckorna av graviditeten. Axoner utvecklar sedan sina pälsar av vit, fet isolering. Vid det här laget är hjärnan enormt överutvecklad, med alldeles för många ledningar och anslutningar. Så det börjar skära ner. Det är som om varje anslutning testas för att fastställa dess värde. De användbara kretsarna hålls; de andra trimmas bort, vilket ger en snygg, effektiv maskin.

För tidig födsel stör sannolikt dessa processer – migrationen av nervcellerna, tillväxten av gliaceller och vit substans, och trimningen. För tidigt födda barn har de flesta nervceller de kommer att bära med sig in i vuxenlivet, men det är möjligt att de inte är på rätt ställen eller korrekt anslutna eller testade. Forskare, säger Peterson, testar intensivt dessa möjligheter.

Petersons forskning ger hopp om att hjälpa barn att kompensera för alla hjärnrelaterade egenheter de kan ha. Vi vill använda bildbehandling för att förutsäga vem som kommer att få särskilt svåra problem under utvecklingen, så att vi kan ingripa mer effektivt, säger han. Den interventionen kan bestå av speciellt utformade utbildningsprogram eller sjukgymnastik och andra behandlingar för att kompensera för fysiska och känslomässiga svårigheter.

När Peterson började detta arbete var hans intresse professionellt. Men nu har han ett personligt intresse också. För två år sedan föddes hans dotter fyra veckor för tidigt. Även om hon inte visar några negativa effekter, säger han att han tittar på henne och han oroar sig.

Brainstorming

När Peterson skannade mig hittade han inget fel eller oroande. Om jag hade haft en hjärntumör eller någon framträdande abnormitet, skulle han ha upptäckt det. Men det är ungefär all kliniskt användbar information han kunde få från en snabbskanning. Om Peterson hade låtit mig gå igenom de sofistikerade skanningarna han använder med för tidigt födda barn, kanske han kunde ha upptäckt någon egenhet i hur min hjärna beter sig. Men på grund av den stora variationen i normal hjärnstruktur och funktion skulle han inte ha kunnat dra så mycket konkreta slutsatser om hur min hjärna skiljer sig från andra människors.

Men under de kommande åren, när tekniken fortsätter att förbättras, kan det bli möjligt för vem som helst av oss, med eller utan uppenbara sjukdomar eller neurologiska problem, att lära sig mycket mer om tillståndet i våra hjärnor, våra uppfattningar och vårt tänkande. Den dåliga nyheten är att även om dessa tekniker är mycket kraftfulla, är de inte där vi behöver vara, säger MIT:s Desimone. Vi måste använda dessa MRI-magneter på sätt som de inte har använts tidigare.

Desimone's McGovern Institute har precis invigt Martinos Imaging Center. Ett rum på centret rymmer en toppmodern MR-skanner. Bredvid den finns ett annat rum som tills vidare kommer att stå tomt. Vi har den där för en ny enhet, säger Desimone. Han vet ännu inte vad den enheten kommer att vara. Det är vår utmaning – att uppfinna det här. Tanken är att gå längre än där vi är nu, till framtidens teknik.

Paul Raeburns senaste bok är Bekant med Natten , en memoarbok om att uppfostra barn med depression och bipolär sjukdom.

Dölj