Brein in beeld by New Scientist

LE BIHAN

denis le bihan

Op verkenning in de menselijke hersenen denis le bihan

in ons hoofd omgaat als we praten, lezen of gewoon nadenken. MRI-scans laten zelfs zien wat zich in de hersenen afspeelt vóórdat we een beslissing nemen. Met deze technologie kunnen we ook de hersenactiviteit van een embryo in de baarmoeder bestuderen,

BREIN IN BEELD

Nieuwe hersenscantechnieken maken het mogelijk om te zien wat er

of de oorsprong van psychische afwijkingen. De onbegrensde mogelijkheden van dit nieuwe onderzoeksveld stellen ons ook voor volkomen nieuwe ethische vragen. Zijn wij wel ons brein? Denis Le Bihan is oprichter en directeur van het Franse instituut NeuroSpin, dat zich bezighoudt met hersenonderzoek met behulp van revolutionaire MRI-technieken. Le Bihan is een belangrijke pionier en specialist op dit gebied. Eind 2010 ontving hij de Holst Memorial Lecture Award van de TU Eindhoven.

‘Enthousiast maakt Le Bihan de frappante toepassingen en resultaten van het MRI-onderzoek duidelijk.’ Le Monde Uit de inhoud: 1 Elementaire deeltjes 2 Het magnetische brein 3 Het brein zien denken 4 Het magnetische brein in volle actie 5 Hersenonderzoek via watermoleculen 6 Water, molecuul van de geest? 7 Het kristallen brein

WB121 Hardcover Brein216p.indd 1

www.veenmedia.nl ISBN 9789085714156 NUR 910 9 789085 714156

Op verkenning in de menselijke hersenen

31-07-13 15:25

LE BIHAN

denis le bihan

Op verkenning in de menselijke hersenen denis le bihan

BREIN IN BEELD

Nieuwe hersenscantechnieken maken het mogelijk om te zien wat er

WB121 Hardcover Brein216p.indd 1

www.veenmedia.nl ISBN 9789085714156 NUR 910 9 789085 714156

Op verkenning in de menselijke hersenen

31-07-13 15:25

WB121 Brein opmaken H1.indd 1000

31-07-13 14:06

Hoofdstuk 1

Elementaire deeltjes Voordat we ons op de ontdekking van onze hersenen storten, moeten we begrijpen in welk opzicht dit orgaan bijzonder is (zie de afbeelding op de volgende pagina). De hersenen wegen gemiddeld bijna anderhalve kilo: bij mannen 1,3-1,4 kilo, bij vrouwen iets minder. Ze bestaan uit twee helften, een linker- en een rechterhelft, die tamelijk verschillende rollen hebben. Ze maken deel uit van een groter geheel, het centrale zenuwstelsel, dat ook de hersenstam omvat waar de verbindingswegen met het ruggenmerg doorheen gaan (sommige zenuwcellen die vanuit de hersenen naar het uiteinde van het ruggenmerg lopen zijn meer dan een meter lang). Hoewel de hersenstam relatief gering van omvang is, is hij van cruciaal belang aangezien hij kleine, vitale structuren omvat die ritme geven aan ons leven – denk aan slaap, ademhaling, hartslag. Dat is ongetwijfeld de reden waarom hij heel goed wordt beschermd en moeilijk bereikbaar is, want een beschadiging ervan is over het algemeen dodelijk. De hersenstam wordt omringd door het cerebellum ofwel de ‘kleine hersenen’, die in feite niets gemeen hebben met de grote hersenen. De rol van het cerebellum is vooral het vloeiend maken en coördineren van onze bewegingen; dat we recht kunnen lopen of piano kunnen spelen, hebben we aan de kleine hersenen te danken. Menselijke hersenen zijn indrukwekkender vanwege hun complexiteit dan vanwege hun omvang. De hersenen van de olifant, met zijn legendarische geheugen, zijn met 4 tot 5 kilo wel groter, maar menselijke hersenen vertonen zeer veel plooien en knobbels, de zogenoemde groeven en windingen. Die vinden we niet zo sterk ontwikkeld terug bij de andere grote diersoorten, zelfs niet bij de grote apen. Aan de Franse arts Paul Broca wordt de elementaire ontdekking toegeschreven van het feit dat de twee hersenhelften in functioneel opzicht niet identiek zijn,

WB121 Brein opmaken H1.indd 1

31-07-13 14:06

Frontale kwab

Frontale kwab Pariëtale kwab

Occipitale kwab

Temporale kwab

Fissuur van Rolando Sulcus intraparietalis Dorsolaterale prefrontale cortex Sulcus temporalis superior

Gebied van Broca

Driedimensionale weergave van de hersenen op basis van een MRI-scan.

A. De lobben of kwabben van de linkerhersenhelft of –hemisfeer. B. De hersenen van onderen af gezien. C. Enkele belangrijke structuren die aan het oppervlak zichtbaar zijn. (Deze beelden zijn gereconstrueerd met de software BrainVisa, met dank aan Y. Cointepas, D. Rivière en J.F. Mangin, NeuroSpin.)

WB121 Brein opmaken H1.indd 2

en dat de hersenen een orgaan vormen dat weliswaar homogeen lijkt, maar dat is geordend in gebieden met verschillende specifieke functionele eigenschappen, hetgeen bij andere organen meestal niet het geval is (levercellen doen allemaal hetzelfde werk, ongeacht hun positie in het orgaan). Deze ontdekking heeft de weg vrijgemaakt voor de moderne hersenfysiologie en staat centraal in het concept neuro imaging ofwel ‘neurobeeldvorming’: daarbij gaat het meer dan om de beelden om kaarten die de ‘natuurlijke geografie’ van deze gebieden laten zien en, sterker nog, hun betrokkenheid bij de sensomotorische of cognitieve functies waaraan ze ten grondslag liggen.

BREIN IN BEELD

31-07-13 14:06

De ontdekkingen van Broca Paul Broca was chirurg in het gesticht van Bicêtre (tegenwoordig is Bicêtre onderdeel van Le KremlinBicêtre, een gemeente in het zuiden van de agglomeratie Parijs). In 1861 kreeg hij een patiënt die ongewild beroemd is geworden, Leborgne (zie Schiller F., 1990). In het gesticht kreeg hij de bijnaam ‘tan-tan’, want als hem vragen werden gesteld (Hoe heet u? Welke dag is het vandaag?, enzovoort), gaf hij antwoord met de enkele lettergreep, ‘tan’, die hij vaak tweemaal herhaalde. Deze patiënt had wat we tegenwoordig afasie noemen, een storing bij het voortbrengen van taal, hoewel hij niet leed aan een verlamming van de bij het spreken gebruikte spieren die helpen om klanken voort te brengen. Na de dood van de patiënt, op 17 april dat jaar, verrichtte Broca autopsie en sectie op diens hersenen. Hij trof er een aandoening ofwel laesie aan (zie de afbeelding rechts) en stelde twee centrale hypothesen op, die hij de volgende dag meteen voorlegde aan de Société d’Anthropologie de Paris: de functiestoornis van zijn patiënt moest het gevolg zijn van de specifieke locatie van de laesie in de hersenen. Deze laesie zat aan de voorkant,

Paul Pierre Broca (1824-1880).

A De hersenen van Leborgne, een afatische patiënt van Paul Broca.

A. Gewone foto van de hersenen (de pijl geeft de laesie aan). B. Een horizontale MRI-doorsnede (ook hier is de laesie goed te herkennen en met de pijl aangegeven). C. Driedimensionale reconstructie op grond van MRI-beelden (de pijl geeft weer de laesie aan). (Met dank aan E.A. Cabanis en collega’s, Hôpital des Quinze-Vingts, Parijs.)

Hoofdstuk 1 • Elementaire deeltjes

WB121 Brein opmaken H1.indd 3

31-07-13 14:07

genoemde voetzoolreflex beschreef.

onder aan de derde winding van de voorhoofdskwab van de linkerhersenhelft. Had deze laesie ergens anders gezeten, meer naar achteren of in de rechter hersenhelft, dan zou Leborgne wellicht andere symptomen hebben gehad, maar niet afatisch zijn geweest. Deze hypothese werd snel getest op andere patiënten. Zo ontstond een principe dat tegenwoordig uitgebreid is geverifieerd, namelijk dat er een direct verband bestaat tussen hersenlocatie en functie, waarbij elk hersengebied is verbonden met een specifieke functie (motoriek, gezichtsvermogen, gehoor, taal, enzovoort) die in verschillende schalen uiteenvalt, net zoals een matroesjka (de Russische houten poppetjes die in elkaar passen). Het gebied dat bij Leborgne was getroffen, draagt tegenwoordig officieel de naam ‘gebied van Broca’. Al lijdt de rol van het gebied van Broca bij het voortbrengen van taal geen enkele twijfel, tegenwoordig weten we dat voor de spraak tal van andere hersengebieden van belang zijn (en een netwerk vormen). En omgekeerd is het gebied van Broca ook bij andere functies betrokken. Maar dat neemt niet weg dat het postulaat van de regionale differentiatie van de hersenen tegenwoordig duidelijk vaststaat. Broca’s tweede grote ontdekking is de specialisatie van de twee hersenhelften: taal is gelokaliseerd in de linkerhersenhelft (de twintig afasiepatiënten van Broca hadden allemaal een laesie aan de linkerkant). Vóór Broca werd verondersteld dat de twee hersenhelften identieke functies hadden, zoals onze beide nieren of longen exact dezelfde rol spelen. Voor het eerst bleek dus dat de twee hersenhelften niet identiek waren, niet functioneel uitwisselbaar. Bij 85 procent van de mensen zijn de taalgebonden functies dominant in de linkerhersenhelft aanwezig, bij de anderen zitten ze in de rechter hersenhelft en soms is hun dominantie minder duidelijk, wanneer de beide hersenhelften in dezelfde mate aanzienlijk aan de spraak deelnemen. Op welk moment in miljoenen jaren evolutie is deze lateralisatie van de menselijke hersenen ontstaan? Heeft de aanleg voor taal in de linkerhersenhelft een genetische oorsprong? Is deze aanleg al aanwezig in de hersenen van een foetus en van een baby voordat deze begint te praten? Is er een verband met manuele vaardigheid? De onderzoeken in de neurobeeldvorming beginnen geleidelijk aan en gedeeltelijk antwoorden op deze vragen te geven. Na de ontdekking van Broca is aanzienlijke vooruitgang geboekt, want zijn concept had voor een ware doorbraak gezorgd in het begrip van de werking van de hersenen. Meer dan een eeuw lang hebben neurologen (en in het bijzonder de neurologen van de Franse school aan het begin van de twintigste eeuw, met Pierre Marie, Jules Déjerine, Joseph Babinski en vele anderen) veel geleerd van hun patiënten met hersenletsel. Ze hoefden hun patiënten en hun functiestoornissen alleen maar goed te observeren, en vervolgens na hun overlijden hun hersenen te ‘bergen’ om een verband te kunnen leggen tussen de locatie van de laesie en de functiestoornis. Ze verdienen alle eer, deze neurologen, die als detectives de hersenen onderzochten en in staat waren om, met een precisie van enkele centimeters – en in de hersenstam zelfs enkele millimeters – de locatie van de laesie vast te stellen op basis van de zorgvuldige en gedetailleerde observatie van soms subtiele neurologische symptomen, zoals een kleine afwijking in de oogbeweging of subtiele cognitieve stoornissen die door complexe testen aan het licht werden gebracht. Zelfs als de aard van de laesie kon worden vermoed op grond van de symptomen (zoals de vergroeiing van een kleine hersenslagader door een bloedstolsel), mondde dat echter zelden uit in de genezing

BREIN IN BEELD

Joseph Babinski (1857-1932), Frans neuroloog die in 1896 de naar hem

WB121 Brein opmaken H1.indd 4

31-07-13 14:07

van de patiënt, omdat de therapeutische middelen destijds heel beperkt waren. Deze conceptuele benadering, waarbij de functionele gebreken worden geassocieerd met hersenlocaties, had echter haar beperkingen. Om te beginnen moest je de hersenen in handen zien te krijgen en te ontleden, maar niet alle patiënten overleden! En op patiënten die stierven, werd niet systematisch lijkschouwing verricht. Bovendien werd de lokalisatie van de laesies niet van tevoren wetenschappelijk getoetst, maar beschouwd als een gegeven van Moeder Natuur. Terwijl sommige gebieden heel vaak werden aangetast, waren andere dat bijna nooit en hun functionele rol bleef daardoor onbekend. Dit is deels te verklaren door het feit dat veel laesies hun oorsprong vinden in de bloedvaten en dat sommige bloedvaten meer risico lopen of kwetsbaarder zijn dan andere.

Het ontstaan van de moderne neurobeeldvorming A. Een traditionele röntgenfoto

Met de ontwikkelingen in de neurochirurgie in de jaren 1950 – in het bijzonder met de school van de Canadese neurochirurg Penfield – zag een radicaal andere methode het licht. Tijdens chirurgische ingrepen op de hersenen werden de patiënten in de loop van de operatie gewekt (de hersenen vormen weliswaar het zenuwcentrum par excellence, maar ze zijn zelf ongevoelig voor pijn). Bij het aanraken of elektrisch stimuleren van een hersengebied kon de patiënt dan direct verslag uitbrengen van zijn gevoelens, zoals bijvoorbeeld: ‘Ik voel kriebels in mijn duim’. Zo konden voor elke patiënt persoonlijke functiekaarten worden opgesteld om die gebieden af

B. Angiogram dat de opaciteit van de bloedvaten in de schedel laat zien ten gevolge van een ingespoten contrastvloeistof. (Met dank aan S. Lehéricy en collega’s, Hôpital de la Salpêtrière.)

Hoofdstuk 1 • Elementaire deeltjes

WB121 Brein opmaken H1.indd 5

van een menselijke schedel.

31-07-13 14:07

Conrad Wilhelm Röntgen (1845-1923), ontdekker van de röntgenstralen. Hij ontving daarvoor in 1901 de eerst Nobelprijs voor natuurkunde.

WB121 Brein opmaken H1.indd 6

te bakenen die bij de verwijdering van een kankergezwel of van een epileptische haard niet moesten worden geraakt, teneinde de motorische functies van de patiënt te beschermen. Deze benadering maakte het mogelijk de postulaten van Broca voor het eerst direct, ‘positief ’ te bevestigen via de expressie van functies. Tot dan toe was de benadering ‘negatief ’ geweest – via de deficiëntie of uitval van functies bij patiënten met hersenlaesies. Nu kwam echter juist de functie-inhoud van normale hersengebieden tot uiting. In deze context kwam in de jaren 1970 het moderne, met de computer gegenereerde hersenscan- of neurobeeldonderzoek op – een revolutie die onze benadering van de hersenen voorgoed heeft veranderd. Tot dan toe hadden neurologen alleen de radiologie van de schedel tot hun beschikking. Met röntgenstraling, in 1905 ontdekt door Conrad Röntgen, was hooguit een schimmenspel van de schedel op een radiografische film te bereiken. Die schaduwbeelden vielen op grond van hun intensiteit grofweg uiteen in vier categorieën: bot en verkalkte structuren (zeer ondoordringbaar voor röntgenstraling), water en weefsels, vet (weinig doordringbaar voor röntgenstraling) en lucht (transparant). Radiografische beelden van de schedel lieten dus alleen botbreuken zien, de afdruk van afwijkende bloedvaten of soms van woekerende tumoren onder het schedeldak, bij uitzondering van verkalkte tumoren, maar nauwelijks meer. Men kon nog een stap verder gaan door een joodhoudende vloeistof, ondoordringbaar voor röntgenstraling, in de aders of slagaders van de patiënt te injecteren om de vertakte vaatstructuren zichtbaar te maken. Naast de directe aandoeningen van deze bloedvaten (zoals een aneurysma: het uitzetten van een deel van een slagader, angioom: abnormale wildgroei van vaten, vernauwing door plaques van atheroom, afsluiting door een bloedstolsel, enzovoort), was al te vermoeden dat er andere, onzichtbare aandoeningen aanwezig waren, zoals tumoren, omdat deze de normale vaatstructuren verplaatsen (zie de afbeelding op de vorige pagina). (De intracerebrale angiografie wordt overigens tegenwoordig nog altijd toegepast, maar met een ander doel, namelijk in het kader van een ingreep en naar aanleiding van therapeutisch handelen. Denk aan de injectie in situ van stoffen om een hemorragische breuk af te dichten, of van medicijnen, om bijvoorbeeld een bloedstolsel op te lossen.) Ook konden de ventriculaire holten, open ruimtes centraal in de hersenen die de cerebrospinale vloeistof bevatten, ‘ondoorzichtig’ worden gemaakt door onder aan de rug een joodhoudende vloeistof rond het ruggenmerg te injecteren of een luchtbel (zogenoemde luchtencefalografie). Door de patiënt acrobatische houdingen te laten aannemen (en hem zelfs met het hoofd omlaag te houden) slaagde men erin die luchtbel te laten opstijgen tot in de hersenkamers en vervolgens tot in een specifieke plek binnen de ventrikels. Afgezien van het ongemak van deze methode en de vreselijke hoofdpijnen die er vaak op volgden, waren ook hier nog slechts die aandoeningen te zien die deze hersenholten verplaatsten of vervormden. Al het andere bleef hopeloos onzichtbaar. Op het gebied van de functies slaagden neurologen erin de elektrische activiteit te registreren die door de hersenen wordt uitgezonden (dat gebeurde met behulp van de zogeheten elektroencefalografie ofwel e.e.g.). De zenuwimpuls waarmee neuronen of hersencellen met elkaar kunnen communiceren, berust op bewegingen van ionen (atomen die hun elektrische neutraliteit hebben verloren) zoals natrium, kalium of calcium. De bewegingen van deze geladen deeltjes vormen een zwakke elektrische stroom die elektrische en magnetische velden veroorzaakt. Die

BREIN IN BEELD

31-07-13 14:07

Beweegbare tafel

Draairichting

Draaiende röntgenbron A. Het werkingsprincipe van het CT-scanapparaat.

Beweegbare B ttafel

B. Doorsneden van de hersenen van een patiënt. Het contrast tussen de witte en grijze stof is slecht te zien.

Bundel röntgenstraling

De laesies (in dit geval uitzaaiingen, bij de pijlen) worden duidelijk zichtbaar na een joodinjectie waardoor de bloedvaten ondoorlatend worden. (© D. Le Bihan.)

laatste kunnen op afstand worden gedetecteerd en geregistreerd door middel van elektroden op de hoofdhuid. Maar dankzij de lokalisatie van deze signalen – die overigens heel grof bleef – waren vooral abnormale elektrische centra op te sporen, ofwel vanwege hun opvallend sterke intensiteit, zoals bij epileptische aanvallen, ware cerebrale ‘stormen’, of juist door het wegvallen van het signaal in geval van tumoren of bij een lokale beschadiging van het hersenweefsel.

Draaiende röntgendetectoren

De eerste revolutie: het CT-scanapparaat Het leven en het welzijn van de patiënt (en zijn neuroloog) veranderen volledig door de opkomst van de CT-scanner (computertomografie) in 1972, met dank aan de Engelse ingenieur Godfrey Houndsfield die, samen met Allan McLeod Cormack, in 1979 de Nobelprijs voor geneeskunde en fysiologie heeft ontvangen (zie afbeelding rechts). Dat jaar markeert een doorbraak met de invoering van de informatica in de radiologie (zie Houndsfield G.N., 1980). Eindelijk worden de hersenen zichtbaar zonder dat de schedel hoeft te worden geopend. Om te beginnen, wordt de klassieke röntgenfilm vervangen door röntgengevoelige receptoren die zijn verbonden met een computergeheugen. In plaats van de grofweg vier schaduwnuances die de radioloog op het oog onderscheidde, onderscheidt de computer met behulp van deze sensoren honderden tinten grijs. Er kunnen dus nuances worden opgespoord tussen de schaduwen van gezonde hersenen en de schaduwen die voortkomen uit een laesie of zelfs uit verschillende structuren van de hersenen. Bovendien werpen de hersenen nu niet één enkele schaduw, maar worden ze onder

Hoofdstuk 1 • Elementaire deeltjes

WB121 Brein opmaken H1.indd 7

31-07-13 14:07

tientallen of zelfs honderden verschillende hoeken afgetast of gescand – het Engelse woord scan betekent letterlijk aftasten. Dit is mogelijk vanwege de extreme gevoeligheid van de detectoren en de digitalisering door de computer: de dosis röntgenstraling voor een projectie is oneindig veel kleiner dan bij een klassieke radiografie of röntgenfoto, waardoor de invalsrichtingen kunnen worden vermeerderd terwijl de totale straling op een laag niveau blijft. Cormack blies een stelling van de Russische wiskundige Oldendorf uit 1917 nieuw leven in en liet zien dat veelvoudige projecties kunnen worden gecombineerd door ze bij elkaar op te tellen in het geheugen van de computer om zo puntsgewijs te reconstrueren hoe de röntgenstraling door de schedel en zijn kostbare inhoud wordt afgezwakt. Dat virtuele beeld hoeft dan alleen nog maar in een reëel beeld te worden omgezet door het op een scherm zichtbaar te maken (overigens zou het algemene principe vervolgens worden overgenomen voor andere beeldconstruerende methoden die geen röntgenstraling gebruiken). Bij een CT-scan worden de stralen in een vlak afgetast (de stralingsbron draait rondom het hoofd van de patiënt); het verkregen beeld vertegenwoordigt dus een ‘plakje’ loodrecht op de as van het hoofd. Op dit plakje (zie de afbeelding op de vorige pagina) zien we de structuren van de huid, het schedelbeen met fijne details van zijn innerlijke structuur, zoals de uitwendige en de inwendige botdelen van het schedeldak, maar voor het eerst zien we vooral het inwendige van de schedel, dat wil zeggen de hersenen, de hersenkamers binnenin de hersenen natuurlijk, en eventueel afwijkingen, zoals een laesie. En dat allemaal zonder autopsie of sectie, zonder pijn en zonder schade. De patiënt hoeft alleen maar een paar minuten in de scanner te liggen terwijl zijn hersenen virtueel door een bundel röntgenstralen in plakjes worden ontleed. Een totale revolutie, niet alleen in technologisch opzicht. De radioloog, gewend aan zijn schimmenspel, ziet veel meer dan met zijn eigen ogen. Hij moet het contrastniveau van het beeld op het bedieningspaneel van de computer leren regelen om deze of gene structuur duidelijker zichtbaar te maken. We spreken van ‘contrastvensters’, want het gaat erom de positie en de grootte van deze vensters zo te kiezen, dat het menselijk oog alleen maar een bepaald onderdeel waarneemt van het landschap dat de computer overziet. Afhankelijk van deze keuze varieert het aanzicht van de beelden enorm, omdat sommige vensters de details van het schedelbeen beter laten zien en andere de hersenstructuren. Bovendien moet de radioloog nu leren denken in sneden, en op een nieuwe manier leren kijken naar de hele driedimensionale anatomie van de hersenen, die hij jarenlang uit anatomiehandboeken en tijdens secties heeft bestudeerd. Er ontstaan tomografische atlassen – tomografie is de naam voor de (röntgen)techniek waarbij in vlakken of doorsneden wordt gescand. Voor neurologen is dit alles een grote verrassing, een droom die uitkomt, maar soms volgt ook een teleurstelling, bijvoorbeeld wanneer ze ontdekken dat de lokalisatie van een laesie die ze op grond van een fijne analyse van de symptomen van hun patiënt hadden opgesteld, totaal niet strookt met die van de scanner. Met de CT-scanner werd het mogelijk om bij patiënten met neurologische symptomen – wanneer er nog tijd is om een behandeling toe te passen – een laesie aan het licht te brengen, inclusief de precieze locatie en de uitwerking op naburige functionele gebieden. Soms kon ook op grond van het beeld zelfs worden vastgesteld van welke aard de laesie was. Om het onderscheid tussen gezond en beschadigd weefsel te versterken, kan dan nog eens gebruik worden

WB121 Brein opmaken H1.indd 8

BREIN IN BEELD

31-07-13 14:07

gemaakt van een injectie met een joodhoudende vloeistof of een andere ‘contraststof ’. Zo’n voor röntgenstraling ondoorlatende stof verspreidt zich tot in de kleinste haarvaatjes van het bloedvatstelsel. Een laesie met veel vaten, zoals een tumor, wordt op die manier duidelijk zichtbaar (zie afbeelding B op pagina 7). Ook kunnen we de ontwikkeling van een laesie in de tijd volgen, in het bijzonder om na te gaan of die niet toeneemt, of om ons ervan te verzekeren dat die na behandeling afneemt. Maar het oog van de scanner ziet soms ook te veel, zoals afwijkingen waarvan we niet weten wat we ermee aan moeten, die we niet kunnen verklaren, die toevalligerwijze worden ontdekt tijdens het zoeken naar een andere afwijking. En sommige zichtbare laesies blijven als een soort ‘ongeïdentificeerde objecten’ helaas zonder diagnose, en vooral: zonder behandeling. Het heeft bijna tien jaar geduurd voordat de CT-scanner in de ziekenhuizen verscheen en even lang voordat hij systematisch in het zorgstelsel werd opgenomen. Bij wijze van anekdote: toen ik in 1980 mijn toelatingsexamen tot het coassistentschap deed, werd sterk aangeraden om het in ons werk niet over CT-scanapparatuur te hebben, tenzij we wilden worden bestempeld als sciencefictionartsen! Toch was er ongeveer tegelijk met de opkomst van de CT-scanapparatuur al een andere revolutie op til, Magnetic Resonance Imaging ofwel MRI. De uitgangspunten daarvan werden in 1973 in het tijdschrift Nature gepubliceerd door de Amerikaanse scheikundige Paul Lauterbur. Deze opmerkelijke technologie zou er nog langer over doen om de medische wereld binnen te dringen, want sommige vermaarde wetenschappers ‘geloofden’ er niet in. Lauterbur ontving pas in 2003 de Nobelprijs voor geneeskunde en fysiologie, samen met de Engelse fysicus Peter Mansfield.

A. Model van een watermolecuul (H2O): een waterstofkern (H) bevat slechts één proton, de zuurstofkern (hier rood) telt er 8, en ook 8 neutronen. B. Een atoom bestaat uit een kern en elektronen. De kern is op zijn beurt opgebouwd uit protonen en neutronen, die weer bestaan uit quarks. C. Het proton draagt een magnetisch moment – net als de aarde – dat verbonden is met zijn rotatie of draaiing. (© D. Le Bihan.)

Elektronenspin Het natuurkundige principe achter de MRI is radicaal anders, aangezien er geen röntgenstralen worden gebruikt maar een magnetisch veld en radiogolven. Het gemeenschappelijke punt blijft echter de combinatie van enerzijds een techniek die met signalen een contrast aanbrengt binnen de verschillende biologische weefsels en anderzijds de informatica, waarmee op grond van deze

N Atoomkern

Elektron

Proton

Neutron

Quark

AARDE

Hoofdstuk 1 • Elementaire deeltjes

WB121 Brein opmaken H1.indd 9

PROTON

31-07-13 14:07

signalen beelden kunnen worden geconstrueerd, ook hier in de vorm van doorsneden. Ook een MRI-scanner is een cilinder waarin de patiënt gaat liggen. Centraal in het systeem staat een zeer grote magneet die een bijzonder sterk magnetisch veld voortbrengt, tientallen malen sterker dan het aardmagnetische veld – het veld dat richting geeft aan de wijzer van een kompas. Waarom zo’n sterke magnetische kracht nodig is? Omdat het om niets minder gaat dan om het magnetiseren van atomen. Terwijl röntgenstralen in wisselwerking staan met de elektronen rond de atomen, gaat MRI de atoomkern zelf te lijf. Deze laatste bestaat uit kerndeeltjes, protonen en neuronen (zie de afbeelding op de vorige pagina). De eenvoudigst mogelijke kern bestaat uit één enkel proton; dat is het waterstofatoom, dat (samen met het watermolecuul waarin het zich bevindt) in het hele vervolg van dit boek de hoofdrol zal spelen – na de hersenen, uiteraard. Als het in een magnetisch veld wordt geplaatst, wordt het proton in kwestie ‘magnetisch’. In natuurkundige termen zeggen we dat het een ‘magnetisch moment’ heeft, waardoor het zich in de richting van het veld kan draaien, ongeveer zoals de wijzer van een kompas in het magnetisch veld van de aarde. Maar daar houdt de vergelijking op. We begeven ons in de wereld van het oneindig kleine waarin de kwantumfysica heerst, een wereld die heel anders is dan die van ons. (De kwantummechanica is de tak van de natuurkunde die de fundamentele verschijnselen be-

Een subtiel evenwicht Kernspin ontstaat door de ‘beweging’ van (positief of negatief ) geladen deeltjes binnen atoomkernen: de zogeheten quarks. Een proton (de kern van het waterstofatoom) bevat er drie, die er opmerkelijke eigenschappen aan geven. Anders dan een kompas kan een proton zich namelijk op twee manieren richten in het magnetische veld – in de richting van het veld of in tegengestelde richting. Bij een heel lage temperatuur gaan alle protonen in de richting van het veld liggen, in stabiele ‘rustpositie’, maar zodra de temperatuur hoger is, gaan de protonen vanwege hun thermische ofwel temperatuurbeweging beetje bij beetje over tot de tegengestelde richting, wat ze ook een zekere stabiliteit geeft. De rustpositie is namelijk heel kwetsbaar en er is weinig voor nodig om de magnetisering van een proton naar de andere kant te doen omslaan. Het evenwicht tussen beide posities is afhankelijk van de temperatuur en de kracht van het magnetische veld. In het aardmagnetische veld vinden we bij kamertemperatuur of bij 37 °C – de temperatuur van de hersenen – in elke richting ongeveer hetzelfde aantal protonen gekeerd, waarbij het verschil slechts bestaat uit 2 protonen per 1 miljard protonen méér in de ene dan in de andere richting. Het resulterende magnetische moment (dat wil zeggen de totale magnetisatie van de verzamelde kernen) wordt uitsluitend door dit minieme verschil veroorzaakt, want protonen met tegengestelde oriëntatie heffen elkaars effect wederzijds op. Bij sterke magnetische velden wordt dit verschil groter en zodoende neemt het daaruit resulterende magnetische moment toe.

WB121 Brein opmaken H1.indd 10

BREIN IN BEELD

31-07-13 14:07

In een magnetisch veld (Bo): de protonen oriënteren zich in de richting van het veld (N+) en in tegengestelde richting N–)

Geen veld: de protonen vertonen geen oriëntatie

EÆ E"

Een radiogolf laat de protonen van de onderste positie naar de bovenste positie omslaan (hier is er maar één omgeslagen)

De protonen keren terug naar hun oorspronkelijke oriëntatie (relaxatie) en zenden daarbij een radiogolf uit (het NMR-signaal)

A. Het principe van NMR, Nuclear Magnetic Resonance, ofwel kernspinresonantie. B. Het principe van de MRI, Magnetic Resonance Imaging, ook wel kernspin-

Een radiogolf exciteert de protonen

tomografie genoemd (lokalisatie van

De protonen relaxeren door een radiosignaal uit te zenden

NMR-signalen door de magnetische veldgradiënten). C. De constructie van een MRI-scanner. Fouriertransformatie

Tijd

Een variabel magnetisch veld (gradiënt) wordt op het hoofdveld Bo geplaatst

Frequentie/positie De frequentie van de protonen is afhankelijk van hun posities als gevolg van de veldgradiënt

Patiënt Radioantennes

Beweegbare tafel

Gradiëntspoelen

Magneet C

Hoofdstuk 1 • Elementaire deeltjes

WB121 Brein opmaken H1.indd 11

31-07-13 14:07