İşlevsel Beyin Görüntüleme Yöntemleri

Transkript

1 İşlevsel Beyin Görüntüleme Yöntemleri Doç.Dr. Metehan Çiçek Ankara Üniversitesi, Tıp Fak. Fizyoloji AbD ve Sağ. Bil. Enst. Sinir Bilimleri AbD Dikkat, bellek, dil gibi bilişsel işlevlerin beyindeki nöral karşılıkları sorularla dolu Psikiyatrik ve nörolojik hastalıkların nedenlerinin anlaşılmasında, tanısında ve giderek tedavisinde yararlar Yapısal görüntüleme yöntemleri etkin çalışan insan beyninde kısa süreli fizyolojik değişikliklerle ilgili bilgi sağlayamaz. 1

2 Normal insan beyninin bilişsel işlevler gibi davranışlar sırasındaki çalışmasını inceleyebilmek için işlevsel beyin görüntüleme yöntemlerine gereksinim vardır. Sık kullanılan yöntemler; İşlevsel manyetik rezonans görüntüleme (İMRG) Pozitron emisyon tomografi (PET) Single photon emission computed tomography (SPECT) Optik yöntemler İMRG Kan oksijenlenmesinin zaman içindeki değişimini ölçmektedir. İMRG araştırmacılara beyin etkinliğini saniye-saniye izleme ve yerini milimetrik bir şekilde saptama olanağı vermektedir. Kan oksijenlenme düzeyinde değişim normal beyin fizyolojisinin bir parçasıdır ve invaziv olmayan bir yöntemle ölçülmektedir. 2

3 PET İşlevsel görüntüleme için son on yıla kadar PET en sık kullanılan yöntemdi. Beyin kan akımı ve/veya glukoz metabolizmasındaki değişikliklerin enjekte edilen bir radyoaktif işaretleyici yoluyla izlenmesine dayanmaktadır. Dezavantajları: Radyoaktif enjeksiyonunun invazivliği Radyoaktif izotop oluşturmanın pahalılığı Görüntü oluşturma hızının yavaşlığı (20-30 saniyede bir görüntü) Lezyon çalışmaları, ilaç çalışmaları ve elektriksel aktivite kayıtları da çağdaş sinirbilimlerinde beyin işlevlerinin incelenmesinde kullanılmaktadır. Lezyon çalışmalarında, belirli bir beyin bölgesinin lezyonunun bir davranışta kayba yol açması sadece o bölgenin davranış için yeterli olduğunu göstermemektedir. Farklı lezyon yerleşimlerinin zaman içindeki etkileri de göz önüne alınmalıdır. İnsanda belirli bir beyin bölgesine has bir lezyonla karşılaşmak oldukça güçtür. Bu hayvan deneylerine ihtiyaç gösterir fakat dil gibi yüksek kortikal işlevlerin çalışılmasını güçleştirir. 3

4 TMS İnsanda transkraniyal magnetik stimulasyon (TMS) ile belirli bir beyin bölgesinin işlevi geçici bir süre durdurulur. TMS kafaya yakın yerleştirilen bir bobin kullanır ve bobinden akım geçtiğinde yakındaki beyin dokusunda manyetik alan oluşturur. Bu da o bölgenin işlevini bozan elektrik akımlar oluşturur. İlaç çalışmaları geniş ölçekli beyin sistemlerine etkileri, klinikle ilişkileri ve bir çok ilacın beyin hastalıkları üzerinde iyice anlaşılan etkileri nedeniyle güçlüdür. Sistemik bir ilaç uygulaması sonrasında özgün beyin bölgelerinin işlevini ayırt etmek ve kısa süreli bilişsel süreçler hakkında bilgi edinmek zordur. 4

5 EEG ve MEG Nöronların yakınından veya doğrudan içinden elektriksel potansiyellerin kaydı nöral aktivitenin en doğrudan ölçümüdür. Beyinde oluşan elektriksel ve manyetik aktivite kafa dışından elektroensefalografi (EEG) ve magnetoensefalografi (MEG) yöntemleriyle ölçülebilir. Verdiği zamansal bilginin çözünürlüğü yüksek olsa da, EEG ve MEG kayıtlarında kafa dışındaki aktivite yapısından gerçek nöral kaynakların yerleşimini kesinlikle belirlemek matematiksel olarak olanaklı değildir. Elektrokortikografi Uzaysal çözünürlük bir görüntünün farklı noktaları ayırt etme yeteneğidir. Dijital bir fotoğrafta en küçük görüntü birimi pikseldir. MR görüntülerinde beyin üç boyutlu görüntülenir ve temel örneklem birimi vokseldir. Zamansal çözünürlük ise tekniğinin görüntü alma hızına bağlı olarak değişir. Bir tekniğin değeri aynı zamanda işlevsel çözünürlüğüne, yani bilişsel ve davranışsal işlemle ilişkili fizyolojik değişimi saptayabilme yeteneğine bağlıdır. 5

6 Sinirbilim Teknikleri İMRG nin Temelleri 6

7 İMRG nin Temelleri MRG için en önemli gelişmelerden biri beynin üç boyutlu hacmi içinde sinyalin yerinin belirlenmesidir. Bu bir düzlem boyunca değişen kuvvete sahip manyetik alanlar, manyetik gradiyentler, kullanılarak sağlanmıştır. Üç eksende uygulanan manyetik gradiyentler dokuyu parçalara böler. Bir manyetik gradiyent kişinin beyninin bir dilimini uyarırken; iki ayrı eksendeki gradiyent de dilimi sütun ve satırlara böler. 7

8 Kan Oksijenasyon Düzeyine Bağlı İMRG Beynin duyusal, motor ve bilişsel işlevleri nöronlarda enerji gereksinimi doğuracaktır. Bu enerjinin % 75 e yakın bölümü postsinaptik potansiyellerin oluşumuyla ilişkili olarak kullanılmaktadır. Beyinde enerji gerektiği anda glukozun oksidasyonuyla elde edilen ATP molekülünden sağlanmaktadır. Bu ise artan kan akımı ile sağlanan glukoz ve oksijen ile olanaklıdır. Seiji Ogawa ve arkadaşları 1990 da kanın oksijen düzeyinin T2 ağırlıklı görüntülerde kan damarlarının görünümünü etkileyebileceğini hipotezlediler. Elde ettikleri sonuçlar deoksijene hemoglobinince zengin kanın T2 ağırlıklı görüntülerde MR sinyalini azalttığını gösterdi. Bu kan oksijenasyon düzeyine bağlı İMRG nin temelini oluşturmuştur (BOLD fmri: Bloodoxygenation-level dependent functional magnetic resonance imaging). 8

9 Beyinde nöronlarda bir aktivite artışı kan akımında artışa neden olacaktır. Kan akımında artış aktive veya etkin bölgeye gereksiniminden fazla oksijen getirmektedir. Bu yüzden beyinde aktif bölgede oksihemoglobin / deoksihemoglobin oranı büyüyecektir. Böylece beyinde aktif bölge aktif olmayan bölgeye (veya aktif olmadığı zamana) göre daha fazla MR sinyali oluşturacaktır. Logothetis ve arkadaşlarınca yapılan ve maymunlarda aynı anda intrakortikal nöron kaydı ve İMRG uygulanan bir çalışmada, BOLD yanıtının bir uyarana verilen nöronal yanıtı yansıttığı ve sinaptik aktivite sonucu oluşan yerel alan potansiyellerine bağlı olduğu gösterilmiştir. Hemodinamik Yanıt (HDY) 9

10 Deney Dizaynı Donaldson 2004 den Arzu edilen bilişsel işleve yönelik görsel, işitsel vb bir görev ön deneylerle laboratuvar ortamında oluşturulur. Deneklere önceden öğretilen görev MR cihazı içinde görüntü alımı ile zamansal senkronizasyon içinde verilir ve eş zamanlı olarak deneğin verdiği yanıtlar kaydedilir 10

11 Verilerin İncelenmesi İşlevsel verilerde önce hareket hataları ortadan kaldırılmaktadır (Realigment). Bunu aynı denekten alınan yapısal görüntülerle (yüksek çözünürlüklü T1 ağırlıklı) işlevsel görüntülerin bağdaştırılması izlemektedir (Coregistration). İşlevsel görüntülerin standart bir stereotaktik şablona uydurulmak üzere dönüştürülmesi veya normalleştirilmesi gerekmektedir (normalization). En son aşama araştırma sorusuna uygun istatistik incelemenin yapılmasıdır. Toplum hakkında bir genelleme yapabilmek için rastgele etkilerin incelenmesi (random-effects analysis) yönteminin istastistik incelemede kullanılması önerilmektedir. İMRG deney dizaynlarında genelde ilgilenilen bilişsel işlevle ilgili bir görev durumu ve sadece incelenmek istenen etkenin olmadığı bir kontrol durumu sırasındaki beyin aktiviteleri kaydedilir. Deney grubu için görev ve kontrol durumu sırasındaki aktiviteler arasında anlamlı bir farklılık olup olmadığı veya bu karşılaştırma (contrast) açısından gruplar (örneğin hasta-kontrol) arasında fark olup olmadığı incelenir. 11

12 Uzaysal Dikkat ve İhmal Özellikle sağ beyin yarımküresi lezyonlarından sonra lezyonun karşı tarafındaki uzaysal alana dikkat bozulur (sol ihmal). Dikkat Ağı Gitelman, D. R. et al. Brain : ; doi: /brain/

13 Uzaysal Dikkatte Sağ Beyin Yarımküresinin Baskınlığı SAĞ YARIMKÜRE HERİKİ TARAFA DİKKAT Anatomical Physiology of Spatial Extinction* Metehan Çiçek1,2, Darren Gitelman1, Robert S. E. Hurley1, Anna Nobre1,3 and Marsel Mesulam1 1 Cognitive Neurology and Alzheimer's Disease Center, Northwestern University Feinberg School of Medicine, Chicago, IL 60611, USA, 2 Ankara University, Department of Physiology, Ankara, Turkey, 3 Oxford University, Department of Experimental Psychology, Oxford OX1 3UD, UK Amaç: İki taraflı ve tek taraflı dikkat işlevsel anatomisini incelemek. Hipotez: Paryetal korteksde fokal ve global dikkatle ilgili bölgeler bulunabilir ve bunların işlevsel anatomisi bir asimetri gösterebilir *Cerebral Cortex (12):

14 YÖNTEM 12 sağ elini kullanan deneğe dikkatin gizli olarak yönlendirildiği bir uzaysal dikkat testi uygulandı Deney Durumları: 1. Sol ve sağ tek taraflı (global) dikkat 2. İki taraflı ( fokal) dikkat 3. Nötral durum Hedef içermeyen denemeler %50 evet / hayır İpucu hedef arası değişken Önce pratik sonra 8 fmri oturumu (11deneme X 4 durum) Deney sırasında göz hareketleri (ekranda gözün odaklandığı nokta) kaydedildi. 14

15 Beyin Görüntüleme 3-Tesla Siemens MRI, yüksek çözünürlüklü anatomik (T1 ağırlıklı) ve fonksiyonel (T2* ağırlıklı) kayıtlar alındı. Manyetik olmayan yanıt düğmeleri, LCD projektör ve şeffaf ekran İncelemeler SPM% programıyla yapıldı. Harekete bağlı hataların düzeltilmesi (Realigment) T1 görüntülerle bağdaştırma (coregistration) Standart anatomik bir düzleme uydurma (normalization) Uzaysal olarak pürüzsüzleştirme (smoothing) İpucuna ait olaya ilişkin hemodinamik yanıtlar hesaplandı. Her ipucu denemesi sonrası 18.9 saniyelik döneme ait yanıt 2.1 saniyelik zaman aralıklarıyla (1 TR veya görüntü süresi) değerlendirildi. Finite Impulse Response (FIR) function. Zaman değerleri (9 TR) ve durum (Sol-sağ-iki taraf) faktörü kullanılarak göreve bağlı anlamlı aktiviteler saptandı (Çoklu karşılaştırmalar için düzeltilmiş P<0.05, FWE) İki taraflı-tek taraflı dikkat farkı Sol sağ dikkat farkı 15

16 Farklara bağlı anlamlı aktivasyon bölgelerinde zaman grafikleri Durum X Zaman ANOVA Her iki yarımkürede aktivasyon görüldüğünde +yarımküre faktörü Reaksiyon Zamanları 16

17 Dikkat Ağı (Sol+Sağ+İki taraf) 17

18 18

19 KARARLAR Global Fokal dikkat arasında zumlamalar ve uzaysal dikkat hastalarında ihmal oluşturan testi taklit eden bir paradigma Global>fokal dikkat frontal ve paryetal nöron aktivasyona yol açtı Sağ IPL global dikkatle daha ilgili Bu asimetri sağ paryetal lezyonların söndürmeye daha fazla yol açmasını açıklayabilir. TARTIŞMA Bir ipucu yoluyla uzaysal dikkati sola sağa yada her iki tarafa yönlendirdik (Bilgi veren-nötral durum farkı) Global (iki taraf) focal (tek taraf) dikkat farkı dorsal paryetal (posteriyor IPS ve anteriyor IPL), lateral perisitriat ve inferiyor frontal girus aktivasyonuna yol açtı. LPS hariç tüm bu bölgelerde iki taraflı dikkat tek taraflı dikkatten daha fazla sinyale neden oldu. IPL sadece sağ yarıkürede aktif ve solda eş bölgede 3 durum için de sinyaller benzer. 19

20 Sadece IPL in sağ yarıkürede hasarı iki taraflı dikkatte soruna yol açabilir. Sağlam sol IPL sol ve sağa tek taraflı dikkatte normal işlevini sürdürürken, iki taraflı dikkatte sağ tarafa dikkatin baskın gelmesi sola ihmali doğurabilir. Söndürme (extinction) için kritik lezyon bölgeleri Paryetal lob ve temporoparyetal junction (Driver et al. 1997, Karnath et al. 2003) Bir hastada görülen sağ FEF lezyonu söndürme olmadan sonraki söndürme içeren ihmale yol açmıştır (Daffner at al. 1990) Sağ yarıküre lezyonlarından sonra daha sık ve daha ağır ihmal görülmesinin nedenlerinden birinin IPL deki aktivasyonları gösteren nöron grubu ve bağlantılarındaki kayıp olduğu söylenebilir. Sağ sol dikkat farkı CS ve LPS aktivasyonu; contralateral dikkat = iki taraf dikkat IPS, IPL ve IFG de ipsi-kontra dikkat farkı yok Finket al (2000) ve Vandenberghe et al (2005) sırasıyla bilateral IPL/IPS ve sağ IPS aktivasyonlarının global dikkatle ilgili 20

21 Uzaysal Dikkat ve İhmal Uzaysal dikkat sınırlı sinirsel kaynaklarımızın kullanımını dışımızdaki uzayın bizi motivasyonel anlamda ilgilendiren bölümlerine seçici bir şekilde yönlendirmemizi sağlar. Yeni ve ilginç olaylara yönelme, dikkati dağıtan etkenler arasında hedefi arama, dikkatin gizli yönlendirilmesi uzaysal dikkat işlevleri arasındadır. Özellikle sağ beyin yarımküresi lezyonlarından sonra lezyonun karşı tarafındaki uzaysal alana dikkat bozulur (sol ihmal). Bu hastalarda sol vücut yarısına bakım veya giyinme bozulabilir, cümlenin sol tarafını okumaz veya çizimlerin sol tarafını kopyalayamaz. İhmal ile en sık ilişkilendirilen bölge inferiyor paryetal lobdur (Vallar, 2001). paryetal sendrom? Klinik olgular ve maymun ablasyon deneylerinde premotor korteks, singulat girus, talamus ve sitriatum leyonları da ihmale yol açıyor. Uzaysal dikkat paryeto-fronto-singulat bir ağ tarafından ve ona eşlik eden neositriatum, mediodorsal/pulvinar talamus çekirdekleri ve superyor kollikulus tarafından düzenlenmektedir (Mesulam, 1981) 21

22 Dikkatin ve ihmalin duyusal yönüyle paryetal bölgenin, motor yönüyle frontal bölgenin ilgili olduğu düşüncesi bulgularda destek görmedi. Uzaysal dikkat posteriyor paryetal korteks, FEF ve singulat girusun her birinin birer yerel ağ ögesi olarak ve diğer merkezlerle bilgi alışverişini sağlayarak oluşturduğu bir bütüncül işlev. Paryetal; temsil oluşumu, dış uzay koordinatlarını çevirir, zumlamayı düzenler FEF; temsil sistemik arama davranışı, bellekteki uzaysal bilginin taranması Singulat girus; kognitif kontrol, çelişki çözme, beklenti ve motivasyonel büyütme Giriş Duyusal söndürme (extinction) sol ihmalin ayırt edici semptomlarından biridir. Sadece SOL taraftan verildiğinde ayırdedilen görsel (veya işitsel) uyaranın sağ taraftan aynı anda verilen uyarıyla birlikte verildiğinde ihmaline verilen addır. Söndürülen uyaran sinir sisteminde değerlendirilir ve davranış üzerinde gizli etki gösterir (Driver ve Vuilleumier, 2001) Söndürmenin yüksek düzeyde bilişsel işlevle ilgili mekanizmaları neler? 22

23 Duyusal rekabet, sağdan dikkatin uzaklaştırılmasında zorluk, birçok hedefe dikkatin yönlendirilmesi zorluğunun abartılı hali Söndürme; global (iki taraflı) dikkatin bozulduğu fakat fokal (tek taraflı) dikkatin sağlam olduğu bir durum olarak düşünülebilir. Amaç:Beyin hasarı olan hastalarda söndürme oluşturan durumu canlandıran bir paradigmayla iki taraflı ve tek taraflı dikkat işlevsel anatomisini incelemek. Hipotez: Paryetal korteksde fokal ve global dikkatle ilgili bölgeler bulunabilir ve bunların işlevsel anatomisi bir asimetri gösterebilir Çizgi Bölme ve Landmark Görevleri Sırasında Beyin Aktivitesi Metehan Çiçek*, Leon Y. Deouell**, Mark D Esposito*** and Robert T. Knight*** *Department of Physiology, School of Medicine and Department of Neuroscience, Health Sciences Institute, University of Ankara, Turkiye ** Department of Psychology, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, Israel ***Department of Psychology, the Henry Wheeler Brain Imaging Center and the Helen Wills Neuroscience Institute, University of California, Berkeley 23

24 ÇİZGİ BÖLME ISI: 2 sec LANDMARK 24

25 25

26 26