דימות תהודה מגנטית תפקודי

דימות תהודה מגנטית תפקודי (באנגלית: Functional Magnetic Resonance Imaging; בראשי תיבות: fMRI) הוא שיטת דימות מוחי המשמשת למדידת פעילותם של אזורים במוח בעת ביצוע מטלות שונות. fMRI הוא אחד הכלים המחקריים החשובים ביותר בתחום מדעי המוח.

עקרונות השיטה

דימות תהודה מגנטית תפקודי הוא מדד עקיף של פעילות מוחית. סריקת fMRI אינה מודדת באופן ישיר את פעילותם החשמלית של תאי העצב במוח, אלא משתמשת בקשר שקיים בין פעילות מוגברת של תאי עצב בתוך המוח לבין התגובה של מערכת הדם לאותה פעילות. כאשר אזור מסוים במוח מגביר את פעילותו, סריקת ה-fMRI מסוגלת לזהות שינויים שחלים בזרימת הדם לאותו אזור, ובכך לספק מידע על פעילות באזורים שונים במוח בנקודת זמן מסוימת.
דימות תהודה מגנטית תפקודי משתמש במכשיר MRI רגיל, ומבוסס אף הוא על התופעה הפיזיקלית של תהודה מגנטית גרעינית. אך בניגוד לדימות תהודה מגנטית סטנדרטי, אשר מספק תמונה סטטית של הרקמה הנסרקת, דימות תהודה מגנטית תפקודי מעניק תמונה דינמית של המתרחש בתוך המוח.
פעולתה של סריקת ה-fMRI מתבססת על התכונות המגנטיות של החלבון המוגלובין, שתפקידו לשאת מולקולות של חמצן במערכת הדם ולהוביל אותן לעבר תאים בגוף. המוגלובין שאינו נושא חמצן נוטה להימשך לשדה מגנטי חיצוני שמופעל עליו (פאראמגנטי), ובשל כך הוא נוטה להגיב לשדה המגנטי בתוך מכשיר ה-MRI ולהפריע לאותות שנמדדים על ידו. לעומת זאת, המוגלובין שנושא מולקולות חמצן הוא חסין יחסית לשדות מגנטיים (דיאמגנטי), ומאפשר קבלת אותות MRI חזקים יותר. התמונה שמתקבלת ב-fMRI מציגה ניגוד בין אזורים שונים בהתבסס על רמת ההפרעה לאות התהודה המגנטית, ובכך מראה היכן נמצאת באותו רגע כמות מוגברת של המוגלובין מחומצן. ניגוד זה, שהוא הבסיס לשימוש ב-fMRI, מכונה BOLD‏ (Blood-oxygen-level-dependent).
כאשר ישנה פעילות של תאי עצב בתוך המוח, הכוללת בין השאר יצירה של דחפים עצביים, אותם תאים זקוקים לאספקה של אנרגיה. אנרגיה זו, שמגיעה בצורת גלוקוז, נחוצה בין היתר על מנת להפעיל משאבות יונים בקרום התא ולהשיב את תאי העצב למתח מנוחה. על מנת לספק את הגלוקוז הנדרש, נוצרת זרימה מוגברת של דם למוקד הפעילות (בטווח של מספר מילימטרים מתאי העצב), אשר במקביל גורמת גם להצטברות מקומית עודפת של המוגלובין מחומצן. השינוי ביחס בין המוגלובין מחומצן ללא-מחומצן, אשר מתרחש לאורך מספר שניות לאחר תחילת הפעילות העצבית, מזוהה במהלך סריקת ה-fMRI ומהווה אינדיקציה לפעילות תאי העצב באותה נקודה.

השימוש ב-fMRI

מאז המצאת פרוצדורת ה-fMRI, בראשית שנות ה-90, שיטה זו הפכה במהרה לכלי החשוב והפופולרי ביותר לדימות מוחי תפקודי. סיבה עיקרית לכך היא היותה שיטה שאינה פולשנית, ואינה מצריכה ניתוח או שימוש בקרינה ובחומרים רדיואקטיביים. בנוסף, לסריקות fMRI יש רזולוציה מרחבית טובה יחסית (יכולת הפרדה בטווח של מילימטרים בודדים), זאת לעומת שיטות אחרות כדוגמת אלקטרואנצפלוגרם (EEG).
הרעיון בדימות תפקודי של המוח הוא לזהות קשר בין מטלה מסוימת שאדם או בעל חיים מבצע לבין הפעילות הפיזיולוגית שמתרחשת בתוך המוח. סריקות fMRI אמנם אינן מסוגלות להוכיח קשר ישיר בין המטלה לפעילות מוחית, אך הן כן מסוגלות להצביע על מתאם בין מטלה לבין פעילות באזורים ספציפיים.
ההנחה הבסיסית היא שאם אזור מסוים במוח מראה פעילות מוגברת במהלך ו/או בסמוך לזמן ביצוע המטלה, אותו אזור מעורב בתהליכים שנחוצים לאותה מטלה. עם זאת, ישנן בעיות מסוימות עם הנחה זו. ראשית, במוח יכולים להתרחש כמה תהליכים במקביל, ולכן לא כל הפעילות שנראה ב-fMRI תהיה קשורה למטלה שביצעו הנבדקים. למשל, ייתכן שבזמן שהנבדק מבצע מטלה של זיהוי גירויים המוצגים מולו, הוא יחשוב גם על אירוע שחווה באותו היום. במצב זה, לא תהיה דרך להבחין מתוך הסריקה עצמה בין פעילות שקשורה למטלה לבין פעילות שקשורה למחשבותיו של הנבדק. בעיה נוספת היא שהמדד של ה-fMRI אינו מוחלט - המוח כל הזמן פעיל ברמה כזו או אחרת, ומה שהסריקה מראה הם שינויים קטנים בפעילות באזור מסוים מרגע אחד למשנהו. מפני שאין מצב של אפס פעילות, לעוצמה המוחלטת של אות ה-fMRI אין משמעות אמיתית, ומאותה סיבה קשה להשוות באופן ישיר בין עוצמת הפעילות ב-fMRI של אנשים שונים.
על מנת להתגבר על בעיות אלו, מחשבים לרוב תמונת fMRI ממוצעת המתבססת על מספר גדול של חזרות, תוך שימוש בכלים סטטיסטיים להגדרת עלייה בפעילות מוחית שהיא מובהקת. החזרות והניתוח הסטטיסטי מאפשרים לנטרל פעילות מוחית אקראית של הנבדקים שאינה קשורה למטלה, וכן עוזרת בצמצום רעשים כלליים במערכת. בנוסף, ישנו צורך לתכנן באופן מדוקדק את המטלה כך שתהיה אפשרות להשוות בין שני מצבים (או יותר), אשר ההבדל ביניהם משקף את התפקוד המוחי הנבדק.

שימושים במחקר

סריקות fMRI הן כלי מחקרי חשוב בכל ההיבטים של פעילות המוח, ביניהם תהליכים מוטוריים, תפיסה, רגש, זיכרון, קבלת החלטות, שפה ועוד.
שיטה זו אפשרה לגלות דברים חדשים על תפקודם של מבנים ואזורים בתוך המוח ואף לאפיין תת-אזורים קטנים שתפקודם לא היה ידוע קודם לכן. לצד הרחבת הידע על חלוקות תפקודיות בתוך המוח (כלומר, מה תפקידו של כל חלק במוח), מציאת אזור שפעיל בעיקר בביצוע סוג מסוים של מטלה עשוי להצביע על כך שמטלה זו מצריכה עיבוד שהוא שונה באופן מהותי ממטלות דומות. לדוגמה, ממצאי PET ו-fMRI לגבי אזור שמתמחה כביכול בעיבוד של פנים (ה-Fusiform Face Area) הובילו חוקרים מסוימים לטעון כי פרצופים מעובדים במוח באופן ייחודי לגירויים חזותיים אחרים, דבר שמראה על חשיבותם היחסית. לצד תגליות מסוג זה, ממצאי fMRI מצביעים גם על אזורים מוחיים שמעורבים בפונקציות קוגניטיביות כלליות יותר (למשל קשב או אינהיביציה), ולכן מופעלים במגוון רחב של מטלות.
בצורה זו, חוקרים מנסים למפות יכולות שונות של המוח ולהבין כיצד הן מתקשרות אחת לשנייה ובאילו מצבים נעשה בהן שימוש.
חלק ממחקרי ה-fMRI בשנים האחרונות מנצלים תופעות של אדפטציה במערכת העצבים. כאשר המוח נחשף לגירוי חושי מסוים לאורך זמן, אוכלוסיית תאי העצב שמגיבה לאותו גירוי מתחילה בהדרגה להפחית את התגובה שלה אליו. מחקרי fMRI משתמשים בתופעה זו על מנת לאתר הבחנות שהמוח עושה בין גירויים. לנבדק מוצגים אחד אחרי השני גירויים שהם דומים אך לא זהים (למשל - מילה לעומת מספר אותיות שאינן מרכיבות מילה), ונעשית השוואה בין אות ה-fMRI בגירויים השונים. במקרה זה, החוקרים מסתכלים על אזור במוח שמופעל על ידי שני הגירויים, ובודקים את השינוי שחל באות ה-fMRI בין הצגה חוזרת של גירוי א' (שגורמת לאדפטציה) להצגה של גירוי ב' מיד לאחר מכן. ירידה באות ה-fMRI בין הגירויים מתפרשת כהמשך של האדפטציה, כלומר ששני הגירויים מפעילים את אותה אוכלוסיית תאים ולכן מתרחשת ירידה בתגובה עם הזמן. במילים אחרות, מבחינת אותו אזור במוח מדובר כביכול באותו הגירוי. לעומת זאת, אם אותו אזור יגיב לגירוי ב' בעוצמה רבה, זו תהיה אינדיקציה לכך שהגירוי הפעיל אוכלוסייה אחרת של תאי עצב לעומת גירוי א', ולכן לא התרחשה אדפטציה. במצב זה, ניתן יהיה לטעון שהרשתות העצביות באותו אזור מסוגלות להבחין בין הגירויים השונים, ומגיבות בצורה שונה לכל אחד מהם.

שימושים קליניים

בניגוד לשימושים המחקריים, אשר בדרך כלל שואפים להכליל מדפוס הפעילות שנמדד לגבי פעילות המוח באוכלוסייה הכללית (או לחלופין בקרב קבוצה של אנשים, כגון חולים במחלה מסוימת), שימוש בסריקות fMRI ברפואה מנסה לרוב לזהות את דפוס הפעילות הייחודי והאישי של אותו החולה שנבדק.
שימוש אפשרי אחד הוא לצורך תכנון של ניתוחי מוח, כגון הסרה של גידול מוחי או מוקד אפילפטי. אחד הדברים החשובים בניתוחים שכאלה הוא להימנע מפגיעה באזורים שחשובים לתפקודים קריטיים של האדם, כדוגמת תפקודים מוטוריים, יכולת שימוש בשפה או קידוד זכרונות. מוחות של אנשים שונים אינם בנויים בצורה זהה (למשל בדומיננטיות של תפקוד מסוים בין שתי ההמיספרות), ולכן סריקת fMRI יכולה לספק למנתח מידע רב-ערך על מיקומם המדויק של אזורים קריטיים במוחו של החולה, שיש להיזהר מפגיעה בהם במהלך הניתוח.
כמו כן, דימות תהודה מגנטית תפקודי יכול לסייע בפרוגנוזה של פגיעות מוחיות, על מנת להבין מה מצב התפקוד המוחי של החולה בעקבות הפגיעה ולנטר כל הידרדרות או התאוששות שחלים במצבו. בדיקה כזו עשויה להיות רלוונטית למספר רב של מצבים, וביניהם שבץ מוחי, גידול במוח, טראומה, מחלות ניווניות כגון אלצהיימר ועוד.