Nörogörüntüleme Teknolojileri Beyni Nasıl Görüntüler?

Evrimsel süreç boyunca karmaşıklaşan insan beyni, yaklaşık 86 milyar nöron ve bunların arasında kurulan trilyonlarca sinaptik bağlantıyla bildiğimiz en karmaşık biyolojik yapılardan biri olarak karşımıza çıkar. Bu devasa ağın içindeki bilgi akışını, elektriksel aktivasyonları ve metabolik haritaları çözmek modern nörobilimin en büyük çalışma alanlarından biridir. Kafatasımız içinde gerçekleşen nörolojik faaliyetlerle ilişkili olan veya bu faaliyetlerden doğan düşüncelerimiz, duygularımız ve bilinçli deneyimlerimizi doğrudan okuyamasak da beyin dinamiklerini uzay-zaman çözünürlük ekseninde yani mekansal ve zamansal olarak incelememizi sağlayan nörogörüntüleme teknolojilerine başvurabiliriz. Bu yazımızda nörogörüntüleme teknolojilerinden fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), fonksiyonel yakın-kızılötesi spektroskopisi (fNIRS), pozitron emisyon tomografisi (PET), manyetoensefalografi (MEG) ve elektroensefalografi (EEG)’yi inceleyeceğiz.

Zaman ve Mekan Arasındaki İlişki

Beyin aktivitelerini noninvaziv yöntemlerle gözlemlerken sık karşılaşılan temel kısıtlamalardan biri, zamansal ve mekansal çözünürlük arasındaki takastır. Beyindeki elektrik sinyalleri milisaniyeler gibi sürelerde akıp giderken bu aktivitenin ortaya çıkardığı metabolik ve hemodinamik değişimler saniyeler mertebesinde gerçekleşir.

Burada ele aldığımız noninvaziv yöntemlerde yüksek zamansal çözünürlük sunan teknikler genellikle daha sınırlı mekansal lokalizasyon sağlarken yüksek mekansal çözünürlük sunan teknikler daha yavaş biyolojik süreçlere dayanır. Örneğin elektroensefalografi, milisaniyelik hassasiyetle senkronize postsinaptik potansiyelleri anlık yakalarken kaynağın beyin dokusunda tam olarak neresi olduğunu saptamakta yetersiz kalır.

Buna karşılık fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme, bölgesel hassasiyette yüksek mekansal çözünürlüklü haritalar çıkarır ancak haritanın oluşumu, kan akışına dayalı hemodinamik yanıtın doğası gereği saniyeler mertebesinde yavaş gerçekleşir. Dolayısıyla aktif kullanımda bulunan hiçbir tekil yöntem zihnin çok boyutlu senfonisini hem zaman hem mekan eksenlerinde tek başına kusursuz bir şekilde gözlemleyemez.

Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI)

Günümüzdeki beyin aktivitesini gözlemlemekte kullandığımız en yaygın işlevsel nörogörüntüleme yöntemlerinden biri olan fMRI teknolojisi doğrudan sinir aktivitesini, nöronların elektriksel ateşlenmesini veya düşüncenin kendisini ölçmez. Bunun yerine nöronal aktivite ile serebral kan akımının eşleşme prensibine dayanarak hemodinamik yanıtı ölçer.

Beynimiz vücut ağırlığımızın yaklaşık %2’sini oluşturmasına rağmen istirahat halindeyken bile vücudun toplam enerji tüketiminin neredeyse %20’sini üstlenir. Belirli bir görev sırasında belirli ağlarda ateşleme gerçekleştiğinde bu hücrelerin hızla harcadığı enerji ve oksijenin yerine konması gerekir. Bu noktada nörovasküler eşleşme devreye girer.

Aktif hale gelen nöron grubu nörovasküler birim (astrositler, interneuronlar, endotelyal hücreler, perisitler ve damar düz kasları) aracılığıyla lokal damar genişlemesini tetikler ve o bölgeye yönlendirilen kan akışını artırır. Nörovasküler eşleşme sonucunda ortaya çıkan bu kan akışı ve oksijenlenme değişimleri, fMRI'da BOLD (Blood-Oxygen-Level-Dependent) kontrastı adı verilen sinyal değişiminin temelini oluşturur. Bu kontrastın temelinde kanda bulunan hemoglobin molekülünün oksijenli ve oksijensiz durumlardaki farklı manyetik özellikleri yatar:^[3]

• Oksijenlenmiş Kan (İng: "Oksihemoglobin"): Akciğerlerden dokulara oksijen taşıyan bu yapı diamanyetik özellik gösterir yani dış manyetik alandan zayıf biçimde etkilenir.
• Deoksijenlenmiş Kan (İng: "Deoksihemoglobin") Hücrelere oksijenini bırakmış olan bu yapı zayıf paramanyetik özellik gösterir ve yerel manyetik alan düzensizlikleri oluşturarak özellikle T2* ağırlıklı MR sinyalini etkiler.

Nöronlar aktifleştiğinde, o bölgeye yönlendirilen kan akışı artar. Bu artış, dokunun tükettiğinden çok daha fazla oksijenli kan taşınmasını sağlar. Sonuç olarak bölgedeki deoksihemoglobin oranı nispi olarak düşer. Deoksihemoglobin miktarının azalması, MR cihazının oluşturduğu güçlü manyetik alandaki yerel bozulmaları azaltarak sinyal sönemlenmesini yavaşlatır ve genellikle MR cihazı tarafından ölçülen BOLD sinyalinin artmasını sağlar. fMRI tarayıcısı bu manyetik kontrast farkını üç boyutlu vokseller halinde ölçer. Elde edilen verilerdeki BOLD sinyal farkları istatistiksel yöntemlerle analiz edilerek belirli görev veya koşullarla ilişkili BOLD değişimleri gösteren beyin bölgeleri belirlenir.

fMRI’ın en büyük kısıtlamalarından biri zamansal dinamikleridir. Sinir aktivitesinin direkt değil indirekt ölçümüdür, nöronal ateşleme milisaniyeler sürerken damar sisteminin tepki vermesi (hemodinamik yanıt) belirli bir fiziksel gecikmeyle gerçekleşir.

Nöronlar ateşlendikten sonra yerel oksijen tüketimi nedeniyle geçici bir dip yaşanabilir. Ardından artan kan akışı nedeniyle BOLD sinyali yükselmeye başlar ve genellikle uyarandan yaklaşık 4 ila 6 saniye sonra pik yapar. Yanıtın sönümlenip taban seviyesine dönmesi ise 10-20 saniyeyi bulabilir. Kısacası hemodinamik yanıt anlık bir sıçrama değil; gecikmeli, kademeli ve kişiye ya da bölgeye göre değişebilen bir fonksiyon olarak ilerler.

Bu eylemsizlik, fMRI’ın milisaniyelik hızlı zihinsel süreçleri; örneğin bir kelimenin anlık algılanması, yakalamasını zorlaştırır ancak karar alma veya duygusal süreçler gibi karmaşık bilişsel durumlarla ilişkili beyin ağlarını yüksek mekansal hassasiyetle haritalandırmamıza ve bu süreçlere eşlik eden bölgeleri tespit etmemize olanak tanır.^[6]

Fonksiyonel Yakın-Kızılötesi Spektroskopi (fNIRS)

fNIRS yönteminin kalbinde insan dokusunun optik özellikleri yatar. Doğrudan sinirsel aktiviteyi değil, tıpkı fMRI gibi hemodinamik yanıtları ölçer ancak bunu manyetik alanlar yerine ışık dalgaları aracılığıyla yapar. İnsan vücudu görünür ışık için büyük ölçüde opakken 700-900 nanometre arasındaki dalga boyuna sahip yakın-kızılötesi (NIR) spektrumu cilt, kemik ve biyolojik dokulardan, saçılarak da olsa, geçebilir.

Bu süreçte kanda oksijen taşıyan hemoglobin (oxy-Hb) ile oksijenini bırakmış hemoglobin (deoxy-Hb), bu özel dalga boyundaki ışığı farklı oranlarda emer. Başın saç derisine yerleştirilen optik vericiler içeriye yakın-kızılötesi ışık gönderirken doku içinde saçılarak eğrisel bir yol izleyen fotonlar alıcılar tarafından tespit edilir. Işığın absorbsiyonundaki değişimler kullanılarak o bölgedeki oksihemoglobin ve deoksihemoglobin konsantrasyonlarındaki değişimler tahmin edilir ve böylece hemodinamik yanıt dolaylı olarak izlenir.

Işık yayıcı ve dedektör güç kapasitelerindeki sınırlamalar ile ışığın dokuda saçılması nedeniyle fNIRS, kafa derisinin altındaki yüzeysel korteksin ötesine geçemez; dolayısıyla amigdala veya hipokampüs gibi derin beyin yapılarını doğrudan ölçmek için kullanılamaz. Ayrıca fMRI’ın sunduğu yüksek mekansal çözünürlüğe kıyasla daha sınırlı bir mekansal çözünürlüğe sahiptir. Buna rağmen fNIRS başa takılabilen hafif başlıklar şeklinde tasarlanabildiği için bebekler, çocuklar veya hareket kısıtlı olan bireyler üzerinde gerçekleştirilen deneylerde fMRI’ın klostrofobik ortamına alternatif bir pencere sunar.

Pozitron Emisyon Tomografisi (PET)

Pozitron Emisyon Tomografisi (PET) klinik nörolojide ve onkolojide beyin metabolizmasını haritalamak için kullanılan en çarpıcı nükleer tıp yöntemlerinden biridir. fMRI veya fNIRS gibi hemodinamik değişimleri dolaylı olarak izleyen yöntemlerden farklı olarak PET, vücuda verilen radyoişaretli moleküllerin dokulardaki tutulumunu, metabolik süreçleri ve kinetiğini takip eder. PET’i burada ele aldığımız diğer görüntüleme yöntemlerinden ayıran temel özelliklerden biri, pozitron-elektron yok oluşundan doğan fotonları kullanmasıdır.

PET taramasının gerçekleşebilmesi için hastaya öncelikle radyoizotopla işaretlenmiş bir biyomolekül (radyofarmasötik) verilir. Yaygın kullanılan izleyicilerden biri, flor-18 ile işaretlenmiş bir glikoz türevi olan 2-deoksi-2-[¹⁸F]floro-D-glikoz (FDG)'dur. Bu molekül dokulara ulaştığında, yüksek metabolik aktiviteye sahip nöronlar, astrositler veya diğer glia hücreleri tarafından içeri çekilir. Flor-18 kararsız bir çekirdek olduğu için bozunurken bir pozitron (elektronun antimadde karşılığı) yayar.

Açığa çıkan pozitron, doku içinde ortalama olarak milimetrenin altında bir mesafe katettikten sonra ortamdaki bir elektronla karşılaşarak yok olur. Bu temas sırasında gerçekleşen çift yok olma tepkimesinde, parçacıkların kütle enerjisi foton enerjisine dönüşür ve yaklaşık 180 derece zıt yönlerde hareket eden, her biri yaklaşık 511 keV enerjili iki gama fotonu açığa çıkar. Bu süreç, canlı dokuda anlık ve mikroskobik ölçekte çok küçük miktarlarda pozitron sönümlenmesinin gerçekleşmesini sağlar. Sonuç olarak insan bir gama radyasyonu kaynağı haline gelmektedir.

PET tarayıcısının etrafını saran halka şeklindeki dedektörler kafatasından dışarı çıkan bu eşzamanlı gama ışınlarını hassasiyetle yakalar. Cihaz, zıt yönlü fotonları eşzamanlı tespit ederek iki dedektör arasında bir yanıt çizgisi tanımlar ve verileri tomografik algoritmalarla birleştirerek beynin üç boyutlu haritasını çıkarır. Bu harita, radyoaktif glikoz türevinin hangi bölgelerde daha yoğun tutulduğunu göstererek dolaylı bir metabolik aktivite analizi sunar.

Yöntemin kısıtlılıklarından biri, zamansal çözünürlüğünün kullanılan radyoişaretleyiciye, izleyici kinetiğine ve sayım istatistiklerine bağlı olmasıdır; birçok klasik metabolik PET uygulamasında etkin zamansal çözünürlük saniyelerden dakikalara uzanabilir. Ayrıca kullanılan iyonlaştırıcı radyasyon düşük de olsa uzun vadeli stokastik riskler taşır. Amaç olası biyolojik zararları minimumda tutarken kanser teşhisi, metastaz tespiti veya karmaşık beyin bozuklukları gibi hayati bilgileri elde etmektir. Dolayısıyla doktorlar bu testi elde edilecek tanısal fayda, radyasyonun taşıdığı potansiyel riskten daha ağır bastığı durumlarda tercih eder.^[8]

Manyetoensefalografi (MEG) ve Elektroensefalografi (EEG)

Beyindeki nöronlar bilgi iletirken elektrik akımları üretir ve fizik yasalarına göre elektrik akımı etrafında kaçınılmaz olarak bir manyetik alan yaratır. EEG ve MEG teknolojileri, nöron gruplarının oluşturduğu bu elektrofizyolojik sinyalleri yüksek zamansal çözünürlükle kaydeden tekniklerdir fakat aralarındaki fiziksel algılama teknikleri birbirinden farklıdır.

EEG, kafatası derisinin üzerine yerleştirilen hassas elektrotlar yardımıyla milyonlarca nöronun toplu ve senkronize elektriksel aktivitesini kaydeder. Piramidal nöronların dendritlerindeki post-sinaptik potansiyellerin toplamı saç derisine kadar ulaşan voltaj dalgalanmaları yaratır.

Elektriksel sinyaller beyin dokusundan, beyin omurilik sıvısından (BOS), kafatası kemiğinden ve deriden geçerken yayılır. Bu sebepten sinyal yüzeye ulaştığında bulanıklaşmıştır. Sonuç olarak EEG, milisaniyelik muazzam bir zamansal çözünürlüğe sahip olsa da bu elektriksel aktivitenin beyin içinde tam olarak nereden kaynaklandığını yani mekansal lokalizasyonu tespit etmekte zayıftır. Kişiye özel kafa modelleri ve kaynak çözümleme yöntemleriyle belirli nebze lokalizasyona ulaşılabilse de belirsizlik halen yüksektir.

MEG, elektriğin yarattığı ikincil ürünü yani manyetik alanları takip eder. Beyindeki çoğunlukla kortikal piramidal nöronların senkronize postsinaptik akımlarından kaynaklanan manyetik alanlar, kafatası ve deri gibi dokuların elektriksel iletkenlik özelliklerinden EEG sinyallerine kıyasla daha az etkilenerek kafa dışından ölçülebilir. Beynin oluşturduğu manyetik alanlar Dünya’nın manyetik alanından ve şehirdeki elektromanyetik gürültülerden milyonlarca kat daha küçüktür.

Günümüz MEG sistemleri, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda çalışan SQUID (Tür: "Süper İletken Kuantum İnterferans Cihazı") adı verilen devasa ve son derece hassas manyetik sensör dizileriyle donatılmış özel (manyetik kalkanlı) odalarda kullanılır. Günümüzde ise kriyojenik soğutma gerektirmeyen OPM tabanlı MEG sistemleri de kullanılmaktadır.

MEG, EEG’ye kıyasla kafatasının elektriksel iletkenliğinden daha az etkilense de kaynakların yerini belirlemek için yine matematiksel bir ters problemin çözülmesini gerektirir ve kaynak lokalizasyonundaki belirsizlik tamamen ortadan kalkmaz. MEG milisaniyelik zamansal çözünürlük sunar ve bazı koşullarda EEG’ye kıyasla daha başarılı kaynak lokalizasyonu sağlayabilir; ancak mekansal doğruluk sensör düzenine, sinyal-gürültü oranına, kaynak yönelimine, kafa modeline ve kullanılan çözümleme yöntemlerine bağlıdır.^[7]

Sonuç

Gördüğümüz üzere, modern nörobilimde hiçbir tekil teknoloji kusursuz değildir; her biri kendi içinde fiziksel, biyolojik veya teknik birer takas (İng: "trade-off") barındırır. Sonuç olarak, beynin gizemini çözmek tek bir yönteme değil, tüm bu farklı pencerelerin sunduğu verileri bir araya getirmeye dayanır.^{[1], [2], [4], [5]}