PDF Page Organizer - Foxit Software
Beyin Görüntüleme Kafatası inceleyenler (frenolojistler), kafatasının yüzeyindeki yumruları inceleyerek beyni anlayabileceklerini düşünmüşlerdir. Günümüzde buna inanması zor olsa da bu kişilerin, kafatasının dışından araştırarak beyni anlamaya çalışma tutkusu yıllar boyunca pek çok kişiyi büyülemiştir. Şimdi, çağdaş beyin görüntüleme tekniklerinin ortaya çıkışı ile bu incelemeyi gerçekten yapabiliyoruz. Modern tarayıcılar, sinirsel ve sinir yolları ile ilgili yapıların, beyin kan akımı ile enerji metabolizmasının ve farklı eylemleri yaptığımızda sinirsel aktivitede ortaya çıkan değişikliklerin harika görüntülerini sağlamak için çeşitli yolları kullanırlar.
Modern tekniklere bir gezinti Bir yapıyı bir fonksiyonla ilişkilendirme çabalarındaki çoğu bilgi, otopsi sırasında ölçülen beyin yapısı ile akla ve davranışa ait garip özellikleri ilişkilendiren nörolog ve nöropsikologlarca öğrenilmiştir. Beynin konuşma alanları Broca tarafından bu yolla aydınlatılmıştır. Bu yaklaşım pek çok başarının yanısıra sınırlandırmalara da sahiptir. Bu tür incelemelerde, beynin bir bölgesine yönelik hasar sonucu görülen fonksiyon kaybının, o bölgenin normal fonksiyon gösterdiği basit varsayımı ile yapılamaz. Örneğin, bir bölgenin normalde iletişim kurduğu diğer bölgelerle bağlantısının kesilmesi veya ortadan kalkması ile bir kusur ortaya çıkabilir. Normal koşullarda hasarlı bölgeler tarafından yerine getirilen işlevlerin hasar görmemiş beyin alanları tarafından üstlenilmesi de olanaklıdır. Bu durum plastisite olarak bilinmektedir. Son olarak, çok az sayıdaki patolojik doku bozukluğu hassas bir fonksiyonel bölgeyle sınırlı kalmış olabilir ve kişi hayatta iken yapılan inceleme ile daha sonra beyninde yapılan analiz arasında oldukça uzun bir gecikme olabilir. Yapısal beyin görüntüleme teknikleri yaklaşık 30 yıl önce geliştirilmeye başlamıştır. Medikal fizikçilerin yakın zamanda fonksiyonel görüntüleme yöntemlerinde gerçekleştirdikleri gelişmeler özel bir ilgi çekmiştir. Bunlar bize tam anlamıyla, kafatasının içini görme ve düşünürken, öğrenirken veya rüya görürken beynimizde neler olup bittiğini inceleme imkanı sağlamıştır.
Çalışma prensipleri Sinir aktivitesini gösteren elektrofizyolojik teknikler aktifleştirilen sinirlerin zar potansiyelindeki değişiklik bilgisine dayandırılmıştır. Beyin tarama teknikleri, aktif sinirler için gerekli enerji metabolizmasındaki değişiklikleri göstererek çalışırlar. Yüklü iyonların sinirlerin içine ve dışına hareketini (sinaptik ve aksiyon potansiyellerinin de altında yatan) sağlayan elektrokimyasal gradyentlerin çalışması için enerji gerekir. Bu enerjinin kaynağı glukozun oksidasyonudur. Glukoz ve oksijen beyne, serebral dolaşım ile taşınır. Nörovasküler bağlantılar (sinirlerle damarlar arasındaki bağlantılar) nedeniyle, aktif bölgelerdeki beyin kan akımında yerel artma olur. Bu çok hızlı gerçekleşir. Modern sinir görüntüleme araçları beyin kan akımındaki bu yerel değişiklikleri ölçer ve bu bilgiyi sinir aktivitesinin göstergesi olarak kullanır. Geliştirilen ilk fonksiyonel teknik Pozitron Emisyon Tomografisi (PET) olarak adlandırılmıştır. Bu teknik, biyolojik açıdan ilginç bileşiklere bağlanan radyoaktif iz elementlerinin (nörotransmiter reseptörlerine bağlanan ilaçlar gibi) insanlara enjeksiyonunu içerir. Kişinin başının çevresindeki detektör halkaları, izotop çekirdekten yayımlanan gama parçacıklarının beyni sönümlenerek geçmeleri sırasındaki konumlarını ve zamanla değişimlerini kayıtlar. PET beyin kan akımındaki (BKA) yerel değişikliklerin haritalarını oluşturmada kullanılabilir. Böyle ölçümler insan beyninin duyusal, motor ve bilişsel (kognitif) beyin fonksiyonlarının konumlandırılmasını sağlamıştır. PET yönteminin çeşitli kusurları vardır. Bunlardan en önemlisi radyoaktif iz element enjeksiyonunu gerektirmesidir. Bu, çocuklarla doğurganlık yaşındaki bayanlar gibi pek çok kişide PET taraması yapılamayacağı ve tarama sırasında alınan ölçümlerin sayısının sınırlandırılması gerektiği anlamını taşır. Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI) olarak adlandırılan ve vücuda radyoaktif maddelerle yapılan herhangi bir girişimi gerektirmeyen farklı bir teknik geliştirilmiştir.
Solda: E.M.I. Şirketinin ‘Beatles grubu’ nun plak satışlarından elde ettiği kazanç, ilk beyin tarayıcılarının geliştirilmesi için gerekli ödemeye destek sağlamıştır. Bunlar ve daha sonraki makineler sinirbilimcilerin beyne farklı bakabilmesini sağlamıştır. Sağda: Modern bir MRI tarayıcısı. Kişi, 30 dakikadan 1 saate kadar süren bir tarama için, halka şeklindeki bir mıknatıs içine doğru hareket eden bir masa üzerine yatar.
41
PDF Page Organizer - Foxit Software Bu teknik, her yaştaki kişilerin beyinlerinin görüntülenebilmesini olanaklı kılar. MRI, beyin dokusunun çok ince görüntülerini oluşturmada kullanılabilir ve difüzyon tensör görüntüleme (diffusion tensor imaging, DTI) olarak adlandırılan son gelişme, beyin bölgelerini bağlayan liflerin beyaz madde alanlarının ayrıntılı görüntülenebilmesini olanaklı kılar.
Beyin kan damarlarının görüntüleri. Kan akımındaki değişiklikler detekte edilebilir ve sinir aktivitesinin göstergesi olarak kullanılır.
MRI teknolojisinin en heyecan verici uygulamalarından biri, beynin fonksiyonunun görüntülenmesini sağlamasıdır ve bu fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI) olarak adlandırılır. Bu teknik, kandaki oksihemoglobin (oksijen bağlı hemoglobin) ile oksijenini yitirmiş deoksihemoglobinin manyetik özelliklerindeki farklılığa dayalıdır ve bu nedenle fMRI sinyali Kan Oksijenasyon Düzeyine Bağımlı Sinyal (Blood-Oxygenation-Level-Dependent signal – BOLD) olarak adlandırılır. Sinirsel aktivite artması, enerji gerektiren iyon pompalarını aktive edecek iyonik hareketlere yol açar, oksijen tüketiminde ve enerji metabolizmasında artış olur. Bu, oksijenini yitiren hemoglobinin artmasına ve manyetik sinyalde küçülmeye neden olur. Bununla birlikte, yerel kan akımındaki artış ile saniyeler içerisinde oksijen tüketiminde artış olur. Beyin kan akımındaki artış, oksijen tüketimindeki artışın üzerine çıktığından oksi-hemoglobin artar ve sinyal büyüklüğünde bağıl artış görülür. Artan beyin kan akımının mekanizması hala açık değildir, fakat günümüzde nörotransmiter ilişkili bir sürecin bundan sorumlu olduğu düşünülmektedir.
Uygulamaya koyma
Bilgisayar teknolojisi sayesinde, PET ve MRI tarayıcıları ile elde edilen görüntüler, beyin kan akımındaki değişikliklerin tam olarak nerede olduğunu gösterir.
42
Muhtemelen sayıları birbirinden çıkarmada çok iyisinizdir. Fakat beyin görüntülerini çıkarmayı hiç denediniz mi? Kafası karışmış görünen çocuğa şaşırmayın (aşağıdaki karikatür). Beyin görüntülerini iki ve üç boyutta çıkarma, veri analizi açısından eleştiriye açık sonuçlar doğurabilir. Çoğu fMRI çalışmaları, kişi dikkatli bir şekilde kontrol edilen görevleri yerine getirirken ölçülen BOLD sinyalini içerir. Tarama sırasında, kişiler bir mıknatıs tünelinde yatarlar ve onların uyaranlara karşı yanıtları görüntülenir. Kişinin görebilmesi için bir ekran üzerine düşürülen görsel veya bir kulaklıktan verilen işitsel uyaran olmak üzere geniş bir aralıkta uyaranlar uygulanabilir. Algılama, öğrenme, anımsama, düşünme veya planlama gibi soyut olayları incelemek de olanaklıdır.
PDF Page Organizer - Foxit Software Genellikle birbirine çok benzeyen ve biri diğerinin hemen arkasından yapılacak iki görev planlanır. Bundaki amaç, ilk görev araştırmacının ilgilendiği beyin süreçlerini içerirken, diğer görevin bunu içermemesidir. Daha sonra, elde edilen ve birbirini izleyen bu beyin görüntüleri, özellikle kritik beyin süreçlerinin gerçekleşmesi ile ilgili aktivitede olan değişikliklerin piksellerden oluşan iki boyutlu (2D) görüntüsünü verecek şekilde, birbirlerinden çıkarılır. Bu görüntüler, üç boyuttaki istenen fark görüntüsü sonucunu verecek şekilde bilgisayarla biraraya toplanırlar (önceki sayfadaki karikatüre bakınız). Son gelişmeler, bir veya iki saniye kadar kısa süreli düşüncelerin ve beyin aktivitelerinin bile ölçülebileceğini göstermektedir. Bu inceleme, olaya ilişkin fMRI olarak bilinmektedir. Bir görevin yerine getirilmesi sırasında ölçülen sinyalin istatistik olarak güvenilirliğini sınamada veri analizinin kanıtlanmış yöntemleri kullanılmaktadır. Görüntü verilerini işlemede standart hale getirilmiş yaygın olarak kullanılan bir analiz paketi istatistiksel parametrik haritalama (statistical parametric mapping, SPM)
Bir tarayıcıda bulunan bir kişi çeşitli türden görsel görüntüler sergileyebilir. Bunların hepsinde görsel korteksin birincil alanları (V1 ve V2) “parlayacaktır”. Akıllı çıkarma tekniklerinin kullanılması, renk bilgisi değerlendirmesinin V4 alanını (solda), buna karşın hareket bilgisi değerlendirmesinin (ekranda hareket eden gelişigüzel noktalar, sağda) V5 alanını aktive ettiğini gösterir.
olarak adlandırılmaktadır. SPM haritaları genellikle ‘en aktif’ alanlardan en düşük aktiviteye doğru kırmızımsı sarıdan maviye ve oradan siyaha kadar değişen renklerle verilir. Beyin görüntülemeyle ilgilenen bilim adamları, belli fonksiyonlar gerçekleşirken aktive olan alanları ‘parlayan’ alanlar olarak ifade ederler. Bir kişi sürekli değişen bir satranç tahtası desenine bakarsa, birincil görme korteksinde önemli bir aktivasyon gözlenir. Hareketli ve renklendirilmiş desenlerin kullanılması ve görme sisteminin farklı alanlarını aktifleştirmek için planlanmış diğer uyaranlar, insan görsel sisteminin düzenlenimi hakkında çok fazla yeni bilgi sağlamıştır. Diğer duyusal çeşitlemeler için de benzer çalışmalar yapılmıştır. Bu yerelleştirmeye uygun tarzda düşünme, görsel kelimeleri şifrelenmiş seslere dönüştürme, ses birimlerini bir kelimede gruplandırma ve kelimenin anlamını çıkarma gibi okumanın farklı bileşenlerinde rol alan beyin alanlarını tanımaya yardımcı olmuştur. Sezinlenen ve algılanan ağrıda rol alan beyin alanlarını birbirinden ayırma çalışmalarını içeren öğrenme görevleri de incelenmiştir. Bununla birlikte, araştırma ilerledikçe çeşitli beklenmeyen olaylar da ortaya çıkmıştır. Uzun dönemli bellek görevlerinde, medial temporal lobun düzenli
Beşinci (V5) bölgenin aktivitesi hareketin algılanmasını yansıtır. Bu alanın girdileri korteksin V2 ve beynin derinliklerindeki pulvinar (Pul) bölgelerinden gelir. Posterior parietal korteks (PPC) bilgi akışını kontrol eder. Etkin bağlanabilirlik bunların bağıl katkılarının analizinin yapılabilmesini olanaklı kılar.
olarak parlamasının görülmesi bu beklenmedik başarısızlığın ilk örneğidir. Bununla birlikte, bazı sanal gerçekliğin de dahil olduğu daha yeni sınama modelleri, günümüzde onun prefrontal korteks ve prekuneus gibi diğer alanlarla birlikte belleğin işlenmesindeki aktivitesini ortaya koymaktadır. Yeni nörofizyolojik ve diğer görüntüleme bulguları ile birlikte, belleğe katılan bu beyin alanlarının çeşitliliği, beynin bellek sistemleri ile ilgili anlayışımızda bir değişiklik yapmaya neden olmuştur. Etkin bağlanabilirlik olarak bilinen ve karmaşık görevler sırasında farklı beyin bölgelerinin sinirsel aktivitelerinin nasıl etkileştiklerine ve birbirleriyle nasıl ilişkilendiğine bakmak için yeni matematiksel teknikler de geliştirilmektedir. Bu ölçüler, beyin bölgelerinin bir takım olarak nasıl çalıştıklarını ve yalnızca yalıtık fonksiyonel birer aktif noktalar olmadıklarını değerlendirmemizi sağlar. Beklenti, yüksek alan şiddetine sahip mıknatıslarla daha fazla incelikli görüntüler sağlayan bu yeni tekniklerin, algılama, düşünme ve eylemin kusursuz kontrolü için birbirleri ile iletişim kuran sinirlerden oluşan ağların dinamiği hakkında bilgiler verecek olmasıdır.
Araştırmada Gelinen Son Nokta
Nikos Logothetis, beyindeki sinirlerin aktivitesi ile beyin görüntüleme deneylerinde görülen sinyaller arasındaki ilişkinin anlaşılmasına önemli katkı sağlayan genç bir araştırmacıdır. Elektriksel kayıtların fMRI ile birleştirildiği son deneyler, sinaptik aktivite ile BOLD sinyali arasında aksiyon potansiyeli oluşumundan daha yakın ilişki olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, BOLD sinyali bir beyin bölgesinin aksiyon potansiyeli çıktısından çok o bölgedeki sinaptik etkinliklerin güvenilir göstergesidir. Bu, BOLD sinyalinin, fonksiyonunun konumu açısından yorumlanması için önemli bir akıl yürütmedir.
İlgili İnternet Siteleri: http://www.dcn.ed.ac.uk/bic/ http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/
43