Bu seferki konumuz; beyin görüntüleme ve bunun için kullanılan cihazlardan biri, Fonksiyonel (işlevsel) Manyetik Rezonans Görüntüleme veya kısa yazılışı ile fMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging).
fMRI, beyin görüntülemede kullanılan diğer cihazlara göre en zararsız olanıdır. Şu ana kadar canlılar üzerinde zarar verici bir etkisinin olduğu rapor edilmemiştir. Çünkü, röntgen veya benzeri bir radyasyon yaymaz. Hatta hamileler üzerinde bile zararlı bir etkisi görülmemiştir. Ancak yine de, organ gelişiminin gerçekleştiği ilk üç ay içinde, hamilenin fMRI çekimi önerilmez. Tabii ki, fMRI, manyetik alan yaratarak çalışan bir sistem olduğu için, kalp pili taşıyanlar için tehlikelidir. Benzer şekilde, vücudunda metal protezi olan, hatta ateşli silahla yaralanıp, vücudunda metal kalıntısı olanlar için de fMRI çekimi önerilmez.
fMRI, beyin görüntüleme teknikleri içinde giderek yoğun bir şekilde kullanılan bir sistemdir. Bu amaçla, sinirbilim (nöroloji), psikofizyoloji, bilişsel psikoloji ve benzeri dallarda kullanılmaktadır. Hatta, beynin çalışması hakkında elde edilen bilgilerin neredeyse büyük bir çoğunluğu fMRI tarafından elde edilmiştir. Bu açıdan düşünüldüğünde, beynin çalışma mekanizmasını anlamak için, beyni açıp elektrot yerleştirme veya hayvanlarda, beynin sağlam kısmını bozarak (lezyon) beynin hangi faaliyetlerinin ortadan kalktığını görmek için yapılan işlemleri de azaltmıştır. (Beyin için inceleme yapılacak konunun içeriğine göre her alanda fMRI cihazının kullanılabildiğini söyleyemeyiz.)
Bu yazımızda, beyin görüntüleme konusunu seçmemizin nedeni, daha evvelki yazılarımızda olduğu gibi bundan sonraki yazılarımızda da adını sıkça kullanacağımız bu sistemin (fMRI), beyin faaliyetlerini nasıl görüntülediğini anlatmanın yararlı olacağını düşünmemizdir. Böylece, okurumuzun, beyinle ilgili diğer yazıları okurken, bu sistemin çalışması ile ilgili olarak, makalelerin içinde fMRI için yapılan kısa tanımlamalar yerine, bu makale ile, biraz daha detaylı bilgi sahibi olarak diğer makalelere anlam katmasını istedik.
KISA BİR GİRİŞ
Söz gelimi, bir şey düşündüğümüzde, bir resme baktığımızda, sevindiğimizde, korktuğumuzda elbette ki beynimizin bir faaliyet içinde olduğunu biliriz. Peki bu faaliyetlerin, beynimizin neresinde olduğunu, ne kadar sürdüğünü ve başkaca bilgileri fMRI cihazı vasıtasıyla nasıl anlıyoruz?
Aslında bu konudaki temel prensip çok basit. fMRI cihazının çok yüksek yoğunluklu manyetik alan yarattığını ve bunu yaydığını biliyoruz. Diğer taraftan, beynimizde bir aktivasyon (düşünce, üzüntü, sevinç, korku, bir resme bakmak, müzik dinlemek vb.) meydana geldiğinde, beynin ilgili kısmı bu faaliyetleri yapabilmek için “yakıt” a ihtiyaç duyar. Bu yakıtlardan önemli biri de bildiğimiz oksijendir. Beynimizde, düşüncelerimizi sağlayan sinir hücreleri olduğu gibi, sinir hücrelerinin beslenmesini ve dolayısıyla canlı kalmasında yardımcı olan kılcal kan damarları vardır. İşte, oksijen, kırmızı kan hücrelerine tutunmuş bir durumda, kılcal damarlar vasıtasıyla, kullanılması için, aktivasyon halinde olan sinir hücrelerine ulaşır.
Şimdi, fMRI tarafından yapılan görüntülemenin nasıl sağlandığını açıklayalım. Beynimizde bir aktivasyon olduğunda, aktivasyon olan yere kılcal damarlar vasıtasıyla kan akımı fazlalaşır. Dikkat edilirse, beyindeki aktivasyon ile beraber, bu bölgeye kan akımı “başlar” değil, “artar” kelimelerini kulandık. Bunun sebebi, açıktır ki, beynin o kısmı (nöronlar), aktivasyon olmasa da bir başka deyişle istirahat halinde olsa bile, sinir hücrelerinin canlı kalabilmesi için beslenmeye, yani oksijene ihtiyaç duymasıdır. Soldaki resimde, nöronların, dinlenme halinde de oksijen aldıkları görülmektedir.
İşte bütün olay, kırmızı kan hücrelerinin kendisine bağlı oksijeni, kullanması için sinir hücrelerine vermesi ile başlar. Çünkü fMRI cihazının içinde bulunan kişi ve dolayısıyla beyni, fMRI cihazı tarafından oluşturulan ve yayılan kuvvetli bir manyetik alan etkisi altında kalır. fMRI cihazından yayılan manyetik alan, oksijen taşıyan kırmızı hücrelere başka değerde, oksijen yükünü sinir hücrelerine bırakıp da oksijensiz kalan kırmızı hücrelere başka değerde etkir. İşte bu fark, fMRI tarafından elde edilen, beyin görüntülerine parlak bir leke olarak yansır. Dolayısıyla, beyin görüntülerindeki bu leke gibi parlaklıklar, beynin o kısmında bir aktivasyon olduğunu gösterir.
fMRI CİHAZINA AİT MANYETİK ALANIN GÜCÜ (TESLA)
Her ne kadar yukarıda kısaca özetledik ise de, isterseniz şimdi, teknik olmayacak kadar biraz detaylardan bahsedelim.
Biliyoruz ki, Dünya’nın manyetik bir alanı vardır. Bunun en basit ispatını, elimizdeki basit bir pusula iğnesinin kuzey güney doğrultusunda sapmasından anlayabiliyoruz. Şöyle soralım, mademki, fMRI olarak isimlendirilen bu cihazların manyetik alanlarının olduğunu ve bunların da çok güçlü olduğunu söylüyoruz, peki, bu manyetik alanın gücü ne kadardır? fMRI’ların manyetik alanlarının güçleri, Tesla olarak isimlendirilen birimle ölçülür. Bir fMRI’nın manyetik alan gücü olarak; 1 veya 1,5 veya 2 ve giderek 2,5-3.gibi sayısal değerler kullanılır. Örnek olarak, 'herhangi bir fMRI cihazının manyetik alan gücü 1 Tesla'dır' deyince ne anlamalıyız? Bu durumda tekrar elimizdeki basit pusulaya dönelim. Dünya’nın manyetik alanının gücü yaklaşık yarım (0,5) Gauss kadardır. (Bu değer, Dünya’da bulunduğumuz enlem derecesine göre değişir. Sözgelimi 50 derece paralelde 0,58 Gauss, 0 derece enlemde yani ekvatorda 0,31 Gauss’tur.)
İşte, elimizdeki pusulanın iğnesini Kuzey-Güney doğrultusunda yönlendiren bu güç, Dünya’nın manyetik alanıdır. Diğer taraftan 1 Tesla, onbin Gauss’a eşittir. (1 Tesla=10.000 Gauss). Eğer, hesap kitapla uğraşmak istemiyorsanız ve daha kolay bir anlatımla ifade edilmesi isteniyorsa, bu şu anlama gelmektedir. Bir fMRI cihazının manyetik alan gücünün 1 Tesla olduğunu söylüyor olmakla, bu gücün, yani fMRI cihazının manyetik alanının, Dünya’nın manyetik alanının 20 bin (20.000) katı bir manyetik alan gücüne sahip olduğunu ifade ediyoruz demektir. Benzer şekilde, bir fMRI’nın 1,5 Tesla manyetik alan gücüne sahip olması demek, Dünya’nın manyetik alanının 30 bin katı, cihazın 2 Tesla değerinde manyetik alan gücüne sahip olması demekle de 40 bin katı bir manyetik alan gücüne sahip olduğunu söylüyoruz demektir. Kaldı ki, böyle bir ortamdaki bir pusula iğnesinin, fMRI cihazının oluşturduğu manyetik alan doğrultusunda yönlendiğini hayal edersek, pusula iğnesini yönlendiği doğrultudan, parmağımızın kuvveti ile saptıramayacağımızı ve dolayısıyla, manyetik alanının gücünü daha iyi anlarız.
fMRI CİHAZININ DUYARLILIĞI
fMRI cihazlarının duyarlıkları, sahip oldukları manyetik alan gücüne diğer bir deyişle Tesla değerlerine göre değişiklik göstermektedir. fMRI cihazlarının Tesla değerleri arttıkça, cihazın duyarlığı (hassasiyeti) de artmaktadır. Peki, duyarlık derken neyi kastediyoruz? Bir fMRI’ın Tesla değeri arttıkça, aynı alan içinden daha fazla manyetik alan geçeceğinden, incelenecek alan daha fazla ayrıntılı olarak incelenebilir demektir. Söz gelimi, 1 Teslalık manyetik alan üreten bir fMRI cihazı ile, beynimizde, kenarları 2 milimetreden oluşan küp şeklindeki bir hacimde bulunan sinir hücrelerinde olabilecek aktivasyonu inceleyebiliriz demektir. Artan Tesla değerine göre de, kenarları 1 mm olan (1 milimetreküp) hacim içindeki sinir hücrelerinin aktivasyonlarını incelemek mümkün olur.
fMRI cihazlarının bir başka duyarlılığı ise zamandır. fMRI deneylerinde beyin kabuğunda (serebral) çalışmalar yapılırken, 1-6 saniye arasında yüzlerce görüntü çekilir. Cihazın Tesla değeri arttıkça, aynı zaman aralığında çekilen görüntü sayısı daha da arttığı için, beyindeki aktivasyonları an be an daha iyi yakalayabilme ve dolayısıyla inceleme imkânı doğacaktır.
NÖRONLARDAN ELDE EDİLEN SİNYAL VERİLERİ NASIL İŞLENİYOR?
Öncelikle şunu söyleyelim ki, beyin kabuğunda 1 milimetre küplük hacimde 100.000 den fazla nöron vardır. Bu kadar küçük bir hacimde bile bu sayıdaki nöron, birbirleri ile 1 milyara yakın bağlantı (sinaps) oluştururlar. Bu anlamda, şimdiki teknoloji ile fMRI, her bir nöronun tek tek faaliyetindeki değişikliği gösteremez.
Dışarıdan gelen bir uyaran (bir resme bakmak) veya bir şey düşünmek gibi durumlarda, beynimizdeki bazı nöronlar az çalışırken bazısı fazla çalışır. Hatta, fMRI ile incelemeye çalıştığımız hacim içinde, dışarıdan bir uyarana karşı herhangi bir nöron aktive olurken (söz gelimi, bir resme bakarken), bazısı, bu görme aktivasyonunu engellemeye/durdurmaya yönelik olarak da çalışabilir.
Dolayısıyla fMRI cihazı ile, hangi nöronun ne tür bir tepki verdiği anlaşılamaz. Ve yine fMRI ile çalışma anında, nöronların aktivasyonu öyle bir zamana denk gelir ki, fMRI ile görüntü alındığı anda nöron bir aktivasyon göstermezken, fMRI cihazının görüntü almadığı zamanda nöron aktive olmuş olabilir. Bir başka deyişle, fMRI cihazının arka arkaya çektiği görüntülerden bazılarına, o nöron grubunun aktive oldukları zaman (an) denk gelmemiş ve dolayısıyla görüntülere yansımamış olabilir. Bu nedenlerden dolayı, belli zaman aralığında çekilen görüntüler tek tek ele alınarak işlenmek yerine bu görüntülere ait değerlerin ortalamaları alınarak tek bir görüntü elde edilir. Şu halde fMRI ile çekildiğini düşündüğümüz tek bir görüntü, aslında yüzlerce görüntünün ortalamasıdır. (Resimdeki dokuz görüntünün her biri, yüzlerce görüntünün ortalamasından elde edilmiştir.)
Nöron faaliyetleri, ekranda veya film üzerinde parlak nokta veya lekeler olarak elde edilir. Bazen, bu lekeleri (nöron aktivasyonlarını) daha iyi ayırt edebilmek içini fMRI cihazının bilgisayar yazılımı bu kısımları yapay olarak renklendirir. Bir başka deyişle, zaman zaman bazı görüntülerde rastladığımız bu renklilik, yapaydır.
Beynin belli yerindeki nöronların aktivasyona ait fMRI görüntülerindeki parlaklıklara bakarak, görüntü alındığı anda, hangi nöronların aktive olduğunu söyleyemiyoruz. Bunu, şu şekilde benzetme ile açıklamaya çalışalım. Varsayalım ki bir odada 20 çocuk bulunmaktadır. (1 milimetreküpte 100 bin nöron olduğunu hatırlayalım). Eğer odadan bir uğultu yükselmeye başladığını duyarsak, bu uğultunun, hangi çocukların bağırmasından oluştuğunu bilemeyiz. Bildiğimiz bir şey varsa, odadaki 20 çocuktan bazılarının sesini yükselterek bir uğultu oluştuğudur. İşte bunun gibi, fMRI cihazına ait hassasiyetin, şimdiki teknoloji ile tam yeterli olmaması nedeniyle söz gelimi 1 milimetreküpteki 100 bin nörondan hangilerinin aktive olduğunu söyleyemiyoruz.
Bu arada, fMRI’nın hassasiyetine bağlı olarak, incelenebilen en küçük hacim parçasına Voksel adı verilir.
BOLD NEDİR?
Bu konuya girmeden evvel bir karışıklığı önlemek için kısa bir açıklama yapalım. Bu yazımızda iki adet manyetik alandan bahsediyoruz. Bunlardan biri, fMRI cihazı tarafından oluşturulan manyetik alan. Diğeri ise, fMRI cihazının oluşturduğu manyetik alanın etkisiyle, oksijen taşıyan kırmızı kan hücrelerinin atomlarının etkilenerek oluşan manyetik alandır. Dolayısıyla, bizim yazımıza konu olan, oksijen taşıyan veya taşımayan kırmızı kan hücrelerinden elde edilen manyetik alanların fMRI tarafından işlenen görüntüleridir.
Yazının başında, fMRI cihazı tarafından belirlenen manyetik alanın, aslında sinir hücrelerindeki aktivasyona bağlı olarak, o bölgeye kan akımının olması ve kan içinde bulunan kırmızı kan hücrelerindeki oksijenin, sinir hücrelerinin kullanması için tüketilmesiyle yani kırmızı kan hücresinin oksijensiz kalmasıyla ortaya çıkan fark tarafından yaratıldığını yazmıştık. Şimdi bu olayı kısaca tekrar edelim ve BOLD olarak isimlendirilen yeni bir kavramı konumuza katalım.
Oksijen, kırmızı kan hücrelerinde bulunan hemoglobin adı verilen proteinlerine bağlı olarak taşınır. Oksijenin hemoglobine bağlanması durumuna oksihemoglobin adı verilir. Eğer, kırmızı kan hücresinde bulunan oksijen bağlı hemoglobin, sinir hücresinin kullanması için oksijen yükünü atarsa bu durumda da deoksihemoglobin yani oksijensiz hemoglobin oluşur. Zaten, oksijenli ve oksijensiz durum arasındaki farkın da manyetik alanı yarattığını biliyoruz.
Şu halde tekrar edecek olursak, beyindeki sinir hücrelerinde bir aktivasyon olduğunda, yakında bulunan kılcal damarlardaki kırmızı kan hücrelerinin üzerindeki hemoglobinlere bağlı oksijenler sinir hücrelerinin kullanımı için serbest bırakılmaktadır. Şimdi de kendimize şu soruları soralım. Aktive olmayan sinir hücreleri oksijen tüketmezler mi? Vereceğimiz yanıt “tüketirler” olacaktır. Çünkü, bu sinir hücreleri, o an aktive olmasalar bile, “hayatta kalabilmek, canlılığını devam ettirebilmek” için oksijene ihtiyaç duyarlar. Diğer bir soru da şöyle olabilir: Aktive olan sinir hücreleri aynı miktar mı oksijen tüketir? Bunun da yanıtı “hayır”dır. Diğer bir deyişle, sinir hücrelerinin aktivasyon derecesine göre tükettikleri oksijen miktarı da değişecektir. Eğer, yukarıda, sinir hücrelerinin aktive olduğu anda, kırmızı hücre üzerinden oksijenin alındığı temsili resme bir daha bakacak olursak, oksijene sahip ve sahip olmayan kırmızı kan hücrelerini aynı kılcal damar içinde görmek mümkündür. Dolayısıyla, aynı kılcal damar içinde oksijeni tüketilmiş kırmızı kan hücreleri ile hala oksijen taşıyan kırmızı kan hücreleri bir arada bulunurlar. Şu halde aynı kılcal damar içinde, oksijensiz olan kırmızı kan hücresi ne kadar fazla, oksijenli olan ne kadar az ise, o kılcal damardan beslenen sinir hücrelerinde o derece aktivasyon var demektir. Veya tam tersi düşünülebilir. Şu halde, oksijene sahip kırmızı kan hücrelerinin seviyesi (miktarı), sinir hücrelerinin aktivasyonuna bağlı olarak devamlı değişmektedir. İşte, kılcal damarlardaki oksijendeki seviye değişikliğine bağlı olarak sinyal üretildiği için buna BOLD (Blood-Oxygenation-Level-Dependent signal) açık ifadeyle, kan oksijen seviyesine bağlı sinyal adı verilir. Bu arada, oksijeni tüketilmiş kanın “venöz” olarak isimlendirildiğini ilave bir bilgi olarak aktaralım. Burada da tekrar edecek olursak, sinir hücrelerinin aktivasyonuna bağlı olarak, kılcal damarlardaki kırmızı kan hücrelerinin oksijen taşıyıp taşımaması arasındaki “fark”ın oluşturduğu manyetik alan, fMRI cihazları tarafından elde edilen görüntüleri oluşturmaktadır.
MANYETİK MEKANİZMANIN OLUŞUMU
Şu sorulabilir: Peki, fMRI cihazının kendisinde oluşturulan manyetik alan, gerek cihazdaki mıknatıslar ve gerekse elektrik tarafından oluşturulurken, kanın oksijenlenme seviyesine bağlı olarak kırmızı kan hücrelerindeki manyetik alan nasıl oluşuyor?
Bilindiği üzere, madde atomlardan meydana gelir. Atomların da merkezinde çekirdeği vardır. Nasıl ki Dünya’nın bir manyetik alanı ve bu alanın da bir yönü (kuzey-güney) varsa (yukarıda, Dünya’nın manyetik alanının gösterildiği resim), atom çekirdeklerinin de manyetik alanları ve bu alanlarının yönü vardır. Normalde, birçok atomu yan yana birer bilye gibi düşünürsek, bunların manyetik alanlarının yönelimleri rastgeledir. Ve bir çubuk mıknatısın manyetik alanına konan pusulalara ait iğnelerin doğrultuları nasıl ki bu mıknatısın manyetik alanın doğrultusuna bağlı olarak yönelirse, kırmızı kan hücreleri, üzerlerindeki hemoglobin de atomlardan oluştuğu ve oksijenin de bizzat kendisi atom olduğu için, kuvvetli manyetik alan yayan fMRI cihazının manyetik alanı, sayılan bu oluşumlara ait ve rastgele yönelmiş olan atomların çekirdeklerine ait manyetik alan doğrultularını, aynı doğrultuya sokar. İşte, atom çekirdeklerinin manyetik alanları fMRI cihazının etkisiyle aynı doğrultuya girerken, her bir atom çekirdeğinden sinyal çıkar. Birçok atom çekirdeğinden çıkan bu sinyaller birbirleri üzerine toplanarak, yine fMRI tarafından algılanan daha güçlü bir sinyal haline gelir. fMRI cihazının manyetik alanı diğer bir ifade ile Tesla değeri ne kadar yüksek olursa, atom çekirdeklerinin manyetik alanlarının yönlenmesi de o derece kuvvetli olur ve atom çekirdeklerinin gönderdiği sinyaller de o kadar artar ve güçlenir. İşte, atom çekirdeklerinden yayılan bu sinyallerin toplamı, ne kadar güçlü ise, beynin o kısmındaki aktivasyonun yüksek olduğu anlaşılır. Ancak burada dikkat edilmesi gereken konu şudur ki, yukarıda da ifade edildiği gibi bu sinyaller, aktivasyon içindeki sinir hücrelerinden çıkan sinyaller değildir. fMRI cihazı tarafından algılanan bu sinyaller, aslında, kırmızı kan hücrelerindeki hemoglobinin oksijenini tüketip tüketmemesine bağlı olarak çıkmaktadır. Şu halde, tekrarlayacak olursak, bizlerin, fMRI cihazları tarafından oluşturulan görüntülerdeki parlaklıklar, sinir hücrelerinin doğrudan bir aktivasyonu değil, sinir hücrelerinin ihtiyacı olan oksijenin, kırmızı kan hücrelerindeki hemoglobinden ayrılmasına bağlı olarak üretilen sinyaller vasıtasıyla yapılan bir ölçümdür. Daha da açık söylemek gerekirse, sinir hücrelerinde bir aktivasyonun olup olmadığı, kırmızı kan hücrelerinde bulunan hemoglobindeki oksijenin salınıp salınmamasına bağlı olarak yapılan dolaylı bir ölçümdür.
Özetlemek gerekirse fMRI cihazından yayılan manyetik alan, kılcal damarda bulanan ve oksijen bağlı kırmızı kan hücrelerinin seviyesine bağlı olarak, atomların çekirdeklerindeki manyetik alanların aynı doğrultuya gelmesi ile, atom çekirdeklerinden çıkan sinyallerin parlaklıklar halinde fMRI görüntüsü olarak edilmesidir. Tabii ki bu sinyaller ne kadar güçlü olursa, görüntülerdeki parlaklıklar da o derece fazla olacaktır. İşte bu, makalenin konusudur. Ve artık biliyoruz ki, bu görüntüler, beyindeki sinir faaliyetlerinin dolaylı görüntüleridir.
fMRI CİHAZININ ZAYIF TARAFLARI
fMRI cihazının beyni daha iyi tanımamızda büyük faydası yanında, hala teknolojik yetersizlikleri de bulunmaktadır.
Söz gelimi, beynin ilgili bölgesi bir uyaran karşısında aktive olduğunda, aktive olan yere, oksijen taşıyan kanın hücumu hemen olmamaktadır. Ayrıca, oksijen taşıyan kan hücrelerinin oksijeni, sinir hücrelerine geçirmeleri ve dolayısıyla kırmızı kan hücrelerinin oksijensiz kalmalarından doğan farkın yarattığı manyetik sinyallerin fMRI cihazına ulaşması 5-6 saniye kadar gecikmektedir. Dolayısıyla ölçülen aktivitenin net olarak hangi zaman aralığındaki uyarıma verilmiş tepki olduğunu söyleyebilmek pek mümkün olmamaktadır. Yine yukarıda da ifade edildiği gibi, Bu durumda, BOLD sinyallerinin sinirsel aktivite artışına mı bastırılmışlığına mı işaret ettiği şimdilik söyleyemiyoruz.
SON CÜMLELER
Yukarıda da ifade edildiği gibi bu makalenin amacı, Beynimiz ve Biz adlı yazı dizisinin önceki ve sonraki yazılarını daha anlaşılabilir kılmak ve sık sık referans olarak kullanmak içindir.
Makalede, evrenin maddesinden yapılmış bir araç olan fMRI ile, yine evrenin maddesinden yapılı bir sistemin (beynimiz) çalışmasından elde edilen manyetik farklılıkları (BOLD) inceledik. Ve şimdilik (!) beynimizde soyut ve fizik ötesi bir şey bulamadık. Acaba bir gün, beynimizi araştırırken, ruh gibi evren ötesi (!) bir şeye rastlar mıyız dersiniz?
Erol
Kaynaklar:
1. David Reimer
