4 Awesome Brain Imaging Techniques
De hersenwetenschap heeft de afgelopen decennia enorme vooruitgang geboekt, en ons begrip van de hersenen, verre van compleet, is enorm toegenomen. Deze vooruitgang is mogelijk gemaakt dankzij de verschillende technieken voor beeldvorming van de hersenen die in de afgelopen eeuw zijn ontdekt. In dit bericht zullen we de 4 meest ontzagwekkende van deze technieken doornemen
Electroencephalography (EEG)
EEG zou kunnen worden beschouwd als de vader van de neuro-imaging technieken, aangezien het de eerste techniek is die werd gebruikt om de (elektrische) activiteit van de levende hersenen te meten. Hans Berger nam het eerste EEG van een mens op in 1924. EEG-apparaten hebben sindsdien grote vooruitgang geboekt, waardoor ze betrouwbaarder, draagbaarder, met meer elektroden en zelfs draadloos zijn geworden. EEG-interpretatie en gegevensanalysetechnieken hebben ook een lange weg afgelegd. Er zijn complexe EEG data-analysetechnieken ontwikkeld (een kort overzicht is hier te vinden), zoals de zogenaamde EEG-tomografie. Met deze techniek kunnen we een 3D-kaart maken van het inwendige van de hersenen, gewoon door de elektrische potentialen in de hoofdhuid van de hersenen te meten.
EEG is goedkoop, niet-invasief, relatief gemakkelijk op te zetten en de tijdsresolutie is uitstekend: tot minder dan 1 ms of, met andere woorden, korter dan de tijd die nodig is om een actiepotentiaal te krijgen. Anderzijds is de ruimtelijke resolutie van EEG hoger dan bij andere technieken voor beeldvorming van de hersenen (ongeveer 1-2 cm).
Magnetic Resonance Imagery (MRI)
Het is de Heilige Graal in technieken voor beeldvorming van de hersenen, alsook voor medische beeldvorming in het algemeen. MRI is een betrekkelijk nieuwe techniek (het eerste MRI-beeld werd gepubliceerd in 1973). Paul Lauterbur en Peter Mansfield, pioniers op het gebied van MRI-technieken, ontvingen in 2003 de Nobelprijs voor geneeskunde. Heel in het kort maakt MRI gebruik van sterke magnetische velden en elektromagnetische pulsen om protonen te exciteren, die vervolgens een foton genereren voordat ze vervallen tot hun normale toestand. Deze fotonen worden vervolgens door de MRI gemeten en zo kan een kaart van een levend weefsel worden gegenereerd. MRI heeft een grote ruimtelijke resolutie (2-3 mm), waardoor het zeer geschikt is voor zowel onderzoek als klinische toepassingen. Het nadeel is de temporele resolutie, die vrij laag is (hoger dan 1 seconde). Bovendien is MRI-apparatuur zeer duur, omvangrijk en dus niet draagbaar en ongeschikt voor gebruik buiten het laboratorium.
Near InfraRed Spectroscopy (NIRS)
Dit is een betrekkelijk recente techniek: medische en fysiologische toepassingen zijn pas in de laatste decennia ontwikkeld. Het idee is om een bron van NIR-licht op de hoofdhuid en een NIR-lichtdetector aan te brengen. Op die manier kan de transmissie- en absorptiesnelheid van het NIR-licht in menselijke weefsels worden verkregen, die informatie bevat over de veranderingen in de hemoglobineconcentratie. Wanneer een bepaald deel van de hersenen actief is, neemt de zuurstofbehoefte toe en dus ook de hemoglobineconcentratie. NIRS kan alleen informatie verkrijgen van corticale weefsels, aangezien NIR-licht volledig wordt geabsorbeerd in diepere delen van de hersenen. Ook is de temporele resolutie van NIRS vergelijkbaar met die van MRI, aangezien we soortgelijke informatie verkrijgen, namelijk veranderingen in de bloedstroom. De voordelen van NIRS zijn de draagbaarheid, het gebruiksgemak en het feit dat het goedkoop is. Om deze redenen is NIRS in veel Brain Computer Interface (BCI)-toepassingen toegepast.
Positron emissie tomografie (PET)
Dit is een zeer coole techniek waarbij verschillende natuurkundige concepten worden toegepast om informatie uit de hersenen te halen: van deeltjesfysica tot quantumfysica. In het kort komt het erop neer dat de te bestuderen persoon wordt geïnjecteerd met een radioactieve merkstof die isotopen bevat die vervallen in deeltjes met een lagere energie, en in dat proces positronen creëren die botsen met elektronen en vervolgens veranderen in fotonen die door de PET kunnen worden gedetecteerd. Deze beeldvormingstechniek van de hersenen is echter invasief (de proefpersoon krijgt een radioactieve stof ingespoten), duur (om de radioactieve isotoop te maken is een sincrotron nodig) en niet draagbaar (PET is vrij groot). Daar staat tegenover dat de kwaliteit van PET-beelden vrij hoog is en veel wordt gebruikt voor het opsporen van hersentumoren, naast andere (klinische) toepassingen.
Er zijn nog enkele andere interessante neuro-beeldvormingstechnieken, maar om dit bericht kort genoeg te houden, zal ik ze slechts kort opsommen:
- Electrocorticogram (EcoG): vereist het openen van de schedel en het plaatsen van een elektroden-array in het oppervlak van de cortex. Het registreert elektrische signalen, maar van hogere kwaliteit dan EEG.
- Magnetoencefalogram (MEG): Zoals EEG, maar in dit geval registreert het de magnetische velden die door de neuronen worden geproduceerd als ze vuren.
- Computer Assisted Tomography (CAT): Veel röntgenfoto’s worden vanuit veel verschillende hoeken gemaakt. Met deze informatie kan een 3D-beeld van de hersenen worden gemaakt. Voorzichtig: De blootstelling van de patiënten aan radioactiviteit is aanzienlijk.
- Micro Electrode Arrays (MEA’s): Gebruikt voor in-vitro neuronenculturen, maakt het mogelijk individuele actiepotentialen te meten, waardoor toegang wordt verkregen tot de meer fundamentele communicatiemechanismen tussen neuronen.