MR: Et vindue på hjernen

Da Bradley Peterson, en psykiater og forsker ved Columbia University, tilbød at scanne min hjerne med et magnetisk resonanskamera på størrelse med en lille Airstream-trailer, sagde jeg straks ja. Jeg brugte 10 minutter på at udfylde en sidelang tjekliste (jeg løj på spørgsmålet og spurgte, om jeg var klaustrofobisk) og yderligere et par minutter på at tømme mine lommer og komme af med nøgler, armbåndsur og pen, som kunne blive til missiler inde i MR'ens potente magnet Mark.

Jeg lagde mig på en smal palle, der gled ind i maskinen som en skuffe i et lighus. Maskinen stønnede og klirrede, mens den kiggede ind i mit kranium, og blev så tavs. Med et blidt sus gled pallen ud, og jeg slappede af. På cirka den tid, det tager at brænde et par cd'er på min bærbare computer, lænede Peterson sig over en skærm og viste mig et detaljeret sort-hvidt billede af min hjerne.

Denne historie var en del af vores decembernummer 2005

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Hjernescanninger som den, jeg havde, er nu rutine, bruges til alt fra at opdage tegn på slagtilfælde til at opsøge formodede tumorer. Men forskere som Peterson presser MRI-teknologien længere, end nogen engang troede, den kunne gå. I det sidste årti eller deromkring er MR blevet ombygget til at afsløre ikke kun hjernens anatomi, men også den måde, hjernen fungerer på.

Mens konventionelle MR-scanninger, som den Peterson gav mig, afslører fysiologiske strukturer, kan en variation kaldet funktionel MR (fMRI) nu også afbilde blodgennemstrømningen over tid, så forskerne kan se, hvilke områder af hjernen der er aktive under visse opgaver.

Faktisk har fMRI-undersøgelser i løbet af de sidste par år givet forskere overraskende billeder af hjernen, der faktisk arbejder. En endnu nyere udvidelse er MRI-spektroskopi, en anden form for funktionel billeddannelse, der overvåger aktiviteten af ​​bestemte kemikalier i hjernen - giver andre spor til hjernens funktion end fMRI gør. Og senest har forskere været banebrydende for en MR-teknik kaldet diffusion tensor imaging (DTI), der producerer 3-D billeder af det skrøbelige, edderkoppede netværk af ledninger, der forbinder en del af hjernen med en anden.

MRI er blevet, siger Robert Desimone, direktør for McGovern Institute for Brain Research ved MIT, det mest kraftfulde værktøj til at studere den menneskelige hjerne. Jeg sammenligner det med opfindelsen af ​​teleskopet for astronomer. Desimone bemærker, at ankomsten af ​​teleskopet ikke umiddelbart revolutionerede den videnskabelige forståelse af universet. Det tog tid, da forskere lærte at bruge deres nye værktøj.

Det samme sker med MR, siger Desimone. Forskere er lige nu begyndt at indse potentialet i disse teknikker, som først blev meget brugt på mennesker for omkring 15 år siden. Du ser en masse spænding i feltet, siger Desimone.

Adskillige tekniske fremskridt har bidraget til MR's forbedring. Øverst på listen er udviklingen af ​​mere kraftfulde MR-magneter, som muliggør mere detaljerede scanninger med højere opløsning. Hvad megapixels er for et digitalkamera, teslaer, et mål for magnetfeltstyrke, er for MRI'er: Jo mere du har, jo bedre er billedkvaliteten. De nyeste MRI'er genererer magnetfelter på omkring syv teslaer, mange tusinde gange stærkere end Jordens magnetfelt og mindst dobbelt så stærke som dem, der typisk bruges på hospitaler. (Nogle forskningscentre, herunder McGovern Institute, har 9,4-tesla MRI-scannere til dyreforsøg.)

En anden vigtig udvikling er en række stadig mere komplekse metoder til computeranalyse. Disse giver forskere mulighed for at udtrække mere og bedre information fra scannerdata og har forbedret ikke kun fMRI, men også MR-spektroskopi og DTI.

Det ultimative mål med hjernebilledforskning er at hjælpe med at forklare, hvordan milliarder af neuroner og forbindelser i hjernen giver anledning til tanker. Men forskere anvender også de nye MR-teknikker til et mere praktisk, umiddelbart mål: at forbedre diagnosticering og behandling af psykiske sygdomme og indlæringsforstyrrelser. Håbet er, at MR-billeddannelse vil give en langt mere præcis diagnose af psykiatriske sygdomme, hvis symptomer kan ligne hinanden, og forhindre mange års lidelse for patienter, der tager den forkerte medicin.

Som en del af denne indsats bruger forskere MRI til at undersøge årsagerne til ikke kun psykiatriske lidelser, men til alle former for hjerneabnormiteter og indlæringsforstyrrelser, inklusive dem, der ofte findes hos børn født for tidligt. Og mens forsøg på at bruge hjernebilleddannelse til at forbedre psykiatrisk sundhedspleje har haft ringe succes i løbet af det sidste årti, giver de nye MR-teknologier - i det væsentlige langt stærkere teleskoper på sindet - nyt håb om at finde bedre måder at gribe ind på.

Bipolært fingeraftryk

En af lederne i bestræbelserne på at få MRI til at diagnosticere og behandle psykiatriske lidelser er John Port på Mayo Clinic i Rochester, MN. Port er en neuroradiolog, der begyndte sin karriere med at studere elektroteknik og datalogi ved MIT og senere opnåede en PhD i cellebiologi og en MD fra University of Illinois. Så han er i en god position til at forske i både grundlæggende MR-teknologi og dens anvendelser til medicin.

Ports arbejde med MR kunne have bred anvendelse i psykiatrien, men indtil videre koncentrerer han sig om sin særlige interesse: bipolar lidelse. Bipolar lidelse, også kaldet maniodepression, er karakteriseret ved humørsvingninger fra vild overflod til dyb depression, med perioder med stabilitet imellem. Røntgenbilleder eller konventionelle MR'er viser ingen forskel mellem hjernen hos mennesker med bipolar lidelse og dem uden; medicinske tidsskrifter er fyldt med mislykkede forsøg på at bruge billeddiagnostik til at finde karakteristiske tegn på sygdommen.

Port mener, at mange af disse forsøg var videnskabeligt fejlbehæftede. Jeg har en liste over kæledyr, der er en kilometer lang, siger han. Der er en million undersøgelser, men patienterne kan være på seks forskellige lægemidler. Så når du ser noget andet, er det så medicinen? Eller sker der noget? Et andet problem med mange tidligere undersøgelser, siger han, er, at de omfattede for få patienter. Du kan ikke fortælle noget fra 10 patienter. Meget af forskningen har ikke været så streng, som den burde være.

På trods af mange års arbejde ved neuroforskere stadig ikke, hvad der forårsager bipolar lidelse, eller præcis hvilke dele af hjernen, der er involveret. Den manglende viden har i høj grad hæmmet søgen efter sikrere og mere effektive måder at behandle sygdommen på. De vigtigste lægemidler til bipolar lidelse, lithium og Depakote, har eksisteret i årtier.

Begge blev opdaget ved et uheld, da forskere, der forsøgte at gøre noget andet, bemærkede, at stofferne lindrede symptomerne hos patienter med bipolar lidelse. Og selvom stofferne kan være rimeligt effektive hos nogle mennesker, har lægerne ingen idé om, hvordan de virker, eller hvilke patienter der er mest tilbøjelige til at få gavn af. For at finde bedre lægemidler skal forskere være i stand til at målrette de nøjagtige mekanismer eller strukturer involveret i bipolar lidelse.

Fastlæggelse af mekanismerne kunne også føre til en mere præcis evaluering af lidelsen. Ofte stilles diagnosen i psykiatrien ved en slags trial and error, hvor en psykiater laver et kvalificeret gæt baseret på adfærd eller selvrapporterede symptomer hos en patient, ordinerer en medicin og ser, om det hjælper eller ej. Hvis det ikke gør det, overvejer psykiateren en anden diagnose og en anden medicin, indtil noget begynder at virke.

Det, psykiatere har brug for, er en test, der vil give dem svaret: denne patient har sygdommen eller ikke, siger Port. Han og andre forskere håber, at MR-scannere vil give den endelige diagnose. Og for dem i mental-sundhedsfaget ville det ændre alt. Jeg dedikerer resten af ​​min karriere til at komme med en billeddiagnostisk test, der vil hjælpe psykiatere med at diagnosticere bipolar lidelse og andre sygdomme, siger Port.

Port er en af ​​mange forskere, der nu eksperimenterer med MR-spektroskopi, hvor software producerer et billede af hjernen baseret på en spektroskopisk scanning. Billedet består af individuelle datapunkter kaldet voxels, terninger analoge med pixels i et 2-D computerbillede. Hver svarer til et volumen på størrelse med en kidneybønne. For hver voxel får Port en aflæsning af tilstedeværelsen eller fraværet af visse kemikalier, der er indikatorer for hjernefunktion.

For at forstå, hvordan MR-spektroskopi virker, er det nødvendigt at forstå lidt om, hvordan magnetisk resonansbilleddannelse fungerer mere generelt. MR-scannere opfanger ekstremt svage elektromagnetiske signaler, der kommer fra protoner i atomerne af molekyler, der udgør kroppens væv - i dette tilfælde hjernevæv.

Tænk på det som at lytte efter en pindfald i et tordenvejr, siger Port. Hver proton har et magnetfelt, der peger i en bestemt retning, som jordens gør. Når MRI er tændt, justerer dens magnet protonernes magnetfelter i samme retning. Udbrud af radiofrekvensenergi slår midlertidigt nogle af protonerne ud af justering. Når protonerne klikker tilbage på plads, frigiver de energi og genererer et minimalt signal, som MR-detektorerne kan opfange. Ved at vende protonerne på forskellige måder og måle forskellige egenskaber ved disse flips, inklusive den tid, de tager, kan forskere identificere forskellige væv og kemikalier i hjernen.

Ved hjælp af MR-spektroskopi kan Port måle niveauer af kemikalier såsom n-acetylaspartat, som kun findes i neuroner, eller glutamat, som stimulerer nervecelleaktivitet. Da Port brugte teknikken på tværs af mange områder af hjernen hos bipolære patienter og sammenlignede resultaterne med resultaterne fra raske kontroller, kom han med et kemisk fingeraftryk, der så ud til at være en indikator for bipolar lidelse.

Da vi sammenlignede alle de bipolære patienter i enhver humørtilstand med deres matchede normale kontrolpersoner, fandt vi ud af, at to områder af hjernen var signifikant forskellige, siger Port. Port og hans team identificerede også ændringer i mange områder af hjernen hos mennesker med bipolar lidelse, der indikerede, om de var i en manisk tilstand eller deprimeret. Vi fandt et kemisk mål for humørstilstanden, siger han.

Så har Port fundet den længe søgte diagnostiske test for bipolar lidelse? Identificerer hans kemiske fingeraftryk pålideligt mennesker, der har bipolar lidelse, og udelukker dem, der ikke har?

Måske, men han kan ikke være sikker endnu. Vi tror, ​​vi er på vej til noget godt, siger han, men vi er nødt til at tjekke det og sikre os, at det vil være klinisk brugbart. Det er et spørgsmål om at prøve teknikken med nok patienter til at være sikker på, at den er statistisk valid - at den ikke vil producere for mange falske positive eller falske negative. Det behøver ikke at være perfekt, men det skal være godt nok til at tilføje nyttig information til, hvad psykiatere kan gennemskue gennem deres traditionelle metoder til diagnose, interviews og analyser af patienthistorier.

Hvis Port er korrekt, og teknikken viser sig selv, ville det være et skelsættende inden for psykiatrisk forskning: en diagnostisk test for bipolar lidelse. Og hvis teknikken virker med bipolar lidelse, kan den tilpasses til andre psykiatriske sygdomme.

Port og andre eksperimenterer også med diffusionstensor-billeddannelse. DTI måler vanddiffusion i hjernen. Vand strømmer gennem hjernen, som det gør alle andre steder - langs den mindste modstands vej. I hjernen er det langs axonerne, neuronernes lange haler, som overfører elektriske signaler til andre neuroner. (Det er fra den fede, hvide isolering, der omgiver de fleste axoner, at hvidt stof har fået sit navn; resten af ​​neuronen og uisolerede axoner udgør tilsammen gråt stof.)

Port er lige begyndt at undersøge teknikken. Men i sidste ende vil forskere være i stand til at bruge DTI klinisk til at lede efter sygdomme, der interfererer med hvid substans - amyotrofisk lateral sklerose [Lou Gehrigs sygdom] og skizofreni, siger Port.

Diagnosticering af udvikling

De teknikker, Port studerer, vil, hvis de viser sig succesfulde, blive brugt til at diagnosticere mennesker, der allerede viser tegn på psykisk sygdom. Men hvad med andre, der er disponeret for problemer, men endnu ikke er begyndt at udvise symptomer? Kan MR-teknologien hjælpe med at finde disse mennesker, så de kan blive hjulpet, før symptomer viser sig?

Hos Columbia forsøger Peterson at besvare det spørgsmål. Han og samarbejdspartnere er blandt de første til at scanne hjernen på for tidligt fødte spædbørn - nogle gange inden for få dage efter deres fødsel. Målet er at katalogisere de typer af hjerneabnormiteter, de opdager, og at udtænke måder at gribe ind tidligere end nogensinde før for at forsøge at korrigere eller kompensere for dem.

Peterson blev først interesseret i komplikationerne ved for tidlig fødsel for omkring 10 år siden, da han begyndte sin psykiatriske forskning på Yale University. Han havde opdaget noget meget usædvanligt i hjernen på mennesker med Tourettes syndrom. De fleste af os har asymmetrier i vores hjerner - venstre side passer ikke ligefrem til højre. De fleste af os har også det ene øje, der er større end det andet (som portrætfotografer vil påpege) og andre mindre asymmetrier.

Men hjernen hos mennesker med Tourettes syndrom var anderledes. I Tourettes hjerne syntes der at være et fravær af asymmetri, siger Peterson. Et lignende fravær af asymmetri var blevet observeret hos dyr, der overlevede komplicerede fødsler. Peterson besluttede at se på børn, der var blevet født for tidligt. Ligesom Port bruger han de nyeste MRI-teknologier til at forsøge at indhente information, der ikke har været tilgængelig før.

Der var en grund til hans interesse. Børn født for tidligt har større risiko for indlæringsvanskeligheder og endda psykiatriske sygdomme. At forstå, hvordan deres hjerner er forskellige, bør føre til nye måder at hjælpe dem på.

Som det skete, fulgte Laura Rowe Ment, en pædiatrisk neurolog ved Yale, en gruppe på 500 for tidligt fødte børn født mellem 1989 og 1992 som en del af en igangværende undersøgelse. Peterson og Ment etablerede et samarbejde. Der var billeddiagnostiske rapporter, der antydede forskellige slags problemer i hjernen - med hensyn til hjernens udvikling. Men de var ukontrollerede, tallene var små – de var impressionistiske, siger Peterson.

Selv i betragtning af deres mindre kropsstørrelse har præmature børn en tendens til at have uforholdsmæssigt små hoveder. Gættet var, at hjernestørrelsen ville blive reduceret senere i livet, siger Peterson. Forskere spekulerede også i, at der ville være skade på det hvide stof. Ments børn, som dengang var omkring otte år, var især nyttige, fordi hun og hendes kolleger havde dokumenteret alt, hvad der var sket med dem, siden de blev født.

Det første Peterson gjorde var at bruge MR-scanneren til at bestemme størrelsen af ​​de otte-årige børns hjerner. Gættet var rigtigt - deres hjerner var mindre end normalt. Men faldet i størrelse forekom kun i visse hjerneområder - de dele af cortex, der styrer bevægelse, syn, sprog, hukommelse og visuelle og rumlige ræsonnementer. Disse regioner var dramatisk mindre, siger Peterson. De andre dele af deres hjerner var normal størrelse eller tæt på den.

Det andet gæt – om skader på hvidt stof – viste sig også at være korrekt. Der var mindre hvidt stof i de motoriske områder af børnenes hjerner, hvilket betyder, at der var relativt få ledningsforbindelser der. Og reduktionen i volumen korrelerede med IQ-score. Jo større abnormiteten - jo mere unormal den var i alle disse regioner - jo lavere var deres IQ, siger Peterson.

Spørgsmålet var så, opstod disse abnormiteter ved eller før fødslen eller engang senere? Peterson begyndte at scanne normale og præmature spædbørn. Scanningerne af for tidligt fødte nyfødte viste, at de havde de samme hjerneabnormiteter som de otte-årige. Det var så karakteristisk, mønsteret af abnormiteter, at det er næsten umuligt at se på en scanning og ikke være i stand til at se, at dette er et for tidligt barn, siger Peterson.

En af de mest fremtrædende forskelle var i størrelsen af ​​de små hulrum i hjernen kendt som ventrikler. Ventriklerne er massivt udvidede, omkring fire gange større hos de for tidligt fødte børn end i betegnelsen børn, siger Peterson. Det så vi hos otte-årige og hos spædbørn. Vævet omkring disse ventrikler er virkelig beskadiget….Det tyder på, at disse babyer har problemer i udviklingen, selv før de er født. Peterson fulgte de nyfødte i to år og testede dem derefter med en slags IQ-test beregnet til småbørn. Jo tidligere de blev født, jo mere umodne var deres hjerner ved fødslen. Og jo mere umodne deres hjerner er, jo lavere er deres intelligensscore.

For neurovidenskabsmænd gav opdagelsen af, at for tidlige børn havde hjerneabnormiteter, mening. Meget af hjernens vækst og udvikling sker i den sidste halvdel af graviditeten. Neuroner begynder livet sammenklumpet nær midten af ​​det, der bliver til hjernen, men begynder snart at migrere udad. Gliaceller, som hjælper neuroner med at kommunikere, gennemgår en periode med eksplosiv vækst, der tegner sig for det meste af hjernens vægtstigning. Neuronerne strækker bugtende tentakler og søger forbindelser med andre celler. Milliarder af forbindelser skabes i løbet af de sidste uger af graviditeten. Axonerne udvikler derefter deres lag af hvid, fedtholdig isolering. På dette tidspunkt er hjernen massivt overudviklet, med alt for mange ledninger og forbindelser. Så det begynder at skære ned. Det er, som om hver forbindelse er testet for at bestemme dens værdi. De nyttige kredsløb holdes; de andre trimmes væk og efterlader en slank, effektiv maskine.

For tidlig fødsel forstyrrer sandsynligvis disse processer - migrationen af ​​nervecellerne, væksten af ​​gliaceller og hvidt stof og trimningen. For tidligt fødte børn har de fleste af de neuroner, de vil bære med sig ind i voksenlivet, men det er muligt, at de ikke er de rigtige steder eller korrekt forbundet eller testet. Forskere, siger Peterson, tester disse muligheder intensivt.

Petersons forskning giver håb om at hjælpe børn med at kompensere for de hjernerelaterede særheder, de måtte have. Vi vil bruge billeddiagnostik til at forudsige, hvem der kommer til at få særligt svære problemer i udviklingsforløbet, så vi kan gribe mere effektivt ind, siger han. Denne intervention kan bestå af specialdesignede uddannelsesprogrammer eller fysioterapi og andre behandlinger for at kompensere for fysiske og følelsesmæssige vanskeligheder.

Da Peterson begyndte dette arbejde, var hans interesse professionel. Men nu har han også en personlig interesse. For to år siden blev hans datter født fire uger for tidligt. Mens hun ikke viser nogen dårlige virkninger, siger han, at han holder øje med hende, og han er bekymret.

Brainstorming

Da Peterson scannede mig, fandt han intet forkert eller bekymrende. Hvis jeg havde haft en hjernesvulst eller en fremtrædende abnormitet, ville han have set det. Men det handler om al den klinisk nyttige information, han kunne få fra en hurtig scanning. Hvis Peterson havde sat mig igennem de sofistikerede scanninger, han bruger med de for tidligt fødte spædbørn, kunne han måske have opdaget nogle særheder i den måde, min hjerne opfører sig på. Men på grund af den store variation i normal hjernestruktur og funktion, ville han ikke have været i stand til at konkludere meget specifikt om, hvordan min hjerne adskiller sig fra andre menneskers.

I de kommende år, efterhånden som teknologien fortsætter med at forbedre sig, kan det dog blive muligt for enhver af os, med eller uden åbenlyse sygdomme eller neurologiske problemer, at lære meget mere om vores hjernes tilstand, vores opfattelser og vores tænkning. Den dårlige nyhed er, at selvom disse teknikker er meget kraftfulde, er de ikke, hvor vi skal være, siger MITs Desimone. Vi skal bruge disse MR-magneter på måder, de ikke har været brugt før.

Desimone's McGovern Institute har netop indviet Martinos Imaging Center. Et værelse på centret rummer en topmoderne MR-scanner. Ved siden af ​​er et andet rum, som indtil videre vil stå tomt. Vi har den siddende der til en ny enhed, siger Desimone. Han ved endnu ikke, hvad den enhed vil være. Det er vores udfordring - at opfinde det her. Tanken er at gå ud over, hvor vi er nu, til fremtidens teknologi.

Paul Raeburns seneste bog er Bekendt med Natten , en erindringsbog om at opdrage børn med depression og bipolar lidelse.

skjule