Toiminnallinen magneettikuvaus

Toiminnallinen magneettikuvaus eli funktionaalinen magneettikuvaus (engl. functional magnetic resonance imaging, fMRI) on lääketieteellinen kuvantamismenetelmä, jolla tutkitaan aivojen toimintaa.

fMRI-kuva

Funktionaalinen magneettiresonanssikuva 24-vuotiaan potilaan aivoista.

Funktionaalinen magneettiresonanssikuva vasemman käden sormien liikuttamisesta. Värit kuvaavat kohonnutta aineenvaihduntaa ja täten myös kohonnutta aivoaktiviteettia. Mitä vaaleammaksi alue on värjätty sitä todennäköisempää on lisääntynyt aktiviteetti.

Mittalaite

Aivojen toiminnallinen magneettikuvaus tehdään samalla laitteella kuin rakenteellinen magneettikuvaus (MRI). Magneettikuvauslaite on useimmissa sairaaloissa Suomessa ja länsimaissa. Se on päistään avoin putkimainen rakenne, jonka sisään tutkittava liikutetaan tutkimussängyllä kuvausta varten.

Toimintaperiaate

Toiminnallisessa magneettikuvauksessa magneettikuvauslaitteella mitataan aivojen eri osissa tapahtuvia veren happipitoisuuden muutoksia. Menetelmällä voidaan paikantaa jopa alle millimetrin tarkkuudella ne aivoalueet, joilla veren happipitoisuus muuttuu, kun tutkittava tekee jotain tehtävää, esimerkiksi lukee sanoja tai katselee kasvokuvia. Oletetaan, että nämä happipitoisuuden muutokset ovat seurausta hermosolujen sähköisestä toiminnasta, mutta sähköisen toiminnan ja veren koostumuksen ja virtauksen välistä yhteyttä ei ole onnistuttu toistaiseksi tarkasti selvittämään.

Veren virtaus aktiiviselle aivoalueelle muuttuu muutaman sekunnin kuluttua ärsykkeen havaitsemisesta ja aivoalueen sähköisestä aktivoitumisesta. Tietyn aivoalueen aivosolujen aktivoituminen vaatii energiaa. Aivot eivät voi varastoida energian lähteitään happea ja glukoosia. Niinpä aktivoituneet aivoalueet vaativat lisää energiaa. Noin 1–2 sekunnin kuluttua aivoalueen aktivoitumisesta sen verenkierto lisääntyy ja kyseiselle alueelle toimitetaan runsaasti happea (hemoglobiini) ja glukoosia. Noin 4–6 sekunnin kuluttua aktivoitumisesta saavutetaan huippu, jonka jälkeen hapen ja glukoosin määrät palaavat taas ennalleen. Toisin sanoen paikallinen veren virtauksen muutos ja solujen hapenkulutus aiheuttaa muutoksen veressä olevan happipitoisen ja hapettoman hemoglobiinin määrään kyseisellä aivoalueella. Hapeton hemoglobiini, jonka määrä veressä lisääntyy aivoalueen aktivoituessa, on magneettisilta ominaisuuksiltaan erilaista kuin happipitoinen hemoglobiini ja sen määrän lisääntyessä fMRI-signaali pienenee.

Funktionaalisen magneettikuvauksen fysikaalinen toiminta perustuu siis hemoglobiinin erilaisiin magneettisiin ominaisuuksiin silloin, kun se kantaa mukanaan happea (oksihemoglobiini) verrattuna siihen kun se ei kanna happea (deoksihemoglobiini). Oksihemoglobiini on diamagneettinen eli vastustaa ulkopuolista magneettikenttää, kun taas deoksihemoglobiini on paramagneettinen eli voimistaa ulkopuolista magneettikenttää. Aivoalueen aktivoituminen johtaa oksihemoglobiinin määrän suhteelliseen lisääntymiseen ja vastaavasti deoksihemoglobiinin suhteellisen osuuden vähenemiseen. Tämä ero havaitaan magneettikuvauslaitteen mittaamassa radiosignaalissa.

Muutosten paikantamiseksi magneettikuvauslaitteella luodaan magneettikenttä, joka on erilainen kussakin tutkittavan aivojen pisteessä. Analyysiä varten aivot jaetaan mittauspisteisiin ja mittauspisteiden ympäristössä olevassa tilavuudessa, vokseleissa magneettikenttä arvioidaan olevan vakio. Vokselit ovat tyypillisesti kooltaan noin 3x3x3 mm. Magneettikenttä saa kussakin vokselissa olevat vetyatomien ytimet pyörimään eri nopeudella ja eri vaiheessa. Mittausta tehtäessä pyörimisliikettä häiritään radiosignaalilla, joka saa kaikki kyseisen vokselin ytimet pyörimään samassa vaiheessa, mutta osa ytimistä siirtyy korkeammalle energiatilalle. Pyörimisliike kuitenkin palautuu pian ennalleen. Palautumisen nopeus riippuu kyseessä olevasta kudoksesta (rakenteellisen magneettikuvauksen perusta) sekä hapettoman hemoglobiinin määrästä (toiminnallisen magneettikuvauksen perusta). Tästä palautumisesta syntyvä, hiljalleen heikkenevä radiosignaali on fMRI-signaali. Koska kutakin vokselia häiritään eri vaiheessa ja taajuudella olevalla radiosignaalilla, voidaan päätellä jälkikäteen, mistä vokselista mikäkin signaali on peräisin.

Toiminnallisessa magneettikuvauksessa tutkittavalle esitettään tyypillisesti samanlaista ärsykettä noin 10–20 sekunnin ajan ja näitä jaksoja toistetaan noin 10–20 kertaa kullekin ärsyketyypille. fMRI-signaalia verrataan eri koetilanteiden välillä (esimerkiksi sanojen lukeminen versus konsonanttien katselu tai puheäänten kuuntelu versus lepo), jotta saadaan paikannettua ne aivoalueet, jotka aktivoituivat enemmän jommassakummassa tehtävässä.

fMRI-mittauksen turvallisuus

Toiminnallinen magneettikuvaus on kivuton ja siitä ei ole havaittu olevan haittaa tai vaaraa tutkittavalle, kun mittaus suoritetaan turvamääräykset huolellisesti huomioiden. Mittauksessa mahdollisena vaaratekijänä on jatkuvasti päällä oleva voimakas magneettikenttä, minkä vuoksi magneettikuvaushuoneeseen ei saa viedä mitään metalliesineitä, eikä henkilöitä, joilla on metallia kehossaan, voida tutkia tällä menetelmällä. Lisäksi mittalaitteesta kuuluu kova ääni ja kuulosuojausta on tästä syystä käytettävä mittauksen aikana. Mittaus kestää tyypillisesti noin puoli tuntia.

Kritiikkiä

Funktionaalinen magneettikuvaus antaa epäsuoraa tietoa aivojen aktivaatiosta. Niinpä onkin keskusteltu, kuinka hyvin funktionaalinen magneettikuvaus antaa tietoa todellisesta aivojen toiminnasta. Aivojen toiminta on nykyisen käsityksen mukaan voimakkaasti rinnakkaista eli toimintaa tapahtuu samaan aikaan useissa kohdin aivoja. Myös sitä, miten hyvin laitteen analysoima veren hapetusasteesta riippuvainen signaali oikeasti heijastaa hermosolujen biosähköistä toimintaa, on viime vuosina tarkasteltu kriittisesti.

Funktionaalisen magneettikuvauksen ehkä heikoin puoli liittyy ajalliseen tarkkuuteen. Aivoalueen aktivoitumisen jälkeen kestää noin viisi sekuntia ennen kuin havaittu signaali on voimakkaimmillaan.

Katso myös

• Aivosähkökäyrä (EEG)
• Magnetoenkefalografia (MEG)

Aiheesta muualla

• Scholarpedia: Functional magnetic resonance imaging (englanniksi)