التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI)

يُعد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي، أو fMRI، طريقة تصوير عصبي مستخدمة على نطاق واسع حالياً لاستقصاء وظائف الدماغ البشري والإدراك. ويمكن استخدام fMRI لدراسة كل من وظائف الدماغ الطبيعية وحالات الدماغ غير الطبيعية أو المرضية.

تعتمد هذه الطريقة على استخدام مغناطيسات قوية لإنشاء خرائط لنشاط الدماغ عن طريق الكشف عن التغيرات في تدفق الدم المرتبطة بالتنشيط العصبي. وتتميز تقنية التصوير هذه بدقة مكانية ممتازة ودقة زمنية جيدة، كما أنها غير بضعية، حيث لا تتطلب حقناً ولا تعرض الأشخاص للإشعاع المؤين.

سيتناول هذا الفيديو كيفية الحصول على إشارة fMRI، والتصميم التجريبي الأساسي، وعملية الحصول على صور fMRI، بالإضافة إلى المعالجة الأساسية للبيانات.

أولاً، دعونا نلقي نظرة على كيفية عمل التصوير بالرنين المغناطيسي. في الأساس، تعد أجهزة الرنين المغناطيسي، أو "الماسحات الضوئية"، مغناطيسات كهربائية قوية جداً، تتراوح قوتها عادةً بين 1.5 - 3 tesla (T)، وتستخدم الخصائص المغناطيسية للأنسجة في الجسم لإنشاء الصور.

عندما يكون المريض أو المشارك في الدراسة خارج الماسح الضوئي، تدور نوى الهيدروجين التابعة لجزيئات الماء في الأنسجة بشكل عشوائي. وعند تطبيق مجال مغناطيسي، تصبح أكثر تنظيماً. وعندما يتعرض الشخص الموجود داخل المجال المغناطيسي لنبضات تردد راديوي متذبذبة، تنتقل زاوية دوران النوى من حالة إلى أخرى وتصدر إشارة يقرؤها الماسح الضوئي لإنتاج الصورة.

إن التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ممكن لأن الهيموجلوبين الموجود في دمائنا يمتلك خصائص مغناطيسية مختلفة اعتماداً على ما إذا كان مرتبطاً بالأكسجين أم لا. فعندما يكون غير مؤكسج، يكون "بارامغناطيسياً"، مما يعني أنه يتسبب في عدم تجانس المجال، أو اضطراب طفيف في المجال المغناطيسي المحلي، مما يقلل من إشارة الرنين المغناطيسي التي يتم الحصول عليها من الأنسجة المحيطة.

وبالاستفادة من هذه الظاهرة، يمكن قياس تنشيط الدماغ بناءً على كيفية استجابة تدفق الدم للتنشيط العصبي. فعندما تنطلق الخلايا العصبية، يؤدي زيادة التمثيل الغذائي لديها إلى تدفق الدم المؤكسج، مما يؤدي إلى انخفاض كمية الهيموجلوبين غير المؤكسج في تلك المنطقة.

وينتج عن ذلك زيادة في الإشارة في المنطقة المحيطة بالخلايا العصبية النشطة بسبب انخفاض عدم التجانس، ويشار إلى ذلك باسم إشارة الاعتماد على مستوى أكسجة الدم، أو إشارة BOLD.

يبدو مخطط إشارة الرنين المغناطيسي، الذي يسمى دالة الاستجابة الهيموديناميكية، بهذا الشكل، حيث تزداد كثافة الإشارة في منطقة ما بعد التنشيط العصبي.

يمكن إعداد الماسح الضوئي للتصوير لهذه الظاهرة باستخدام تسلسل صور حساس لأكسجة الدم. ويجب تصوير حجم الدماغ بالكامل كل بضع ثوانٍ، لالتقاط توقيت تأثير BOLD.

تبدأ جميع التجارب العلمية، بما في ذلك تلك التي تتضمن التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI)، بوضع فرضية. بعد ذلك، يجب تصميم نمط لتقديم المثيرات، أو ما يُعرف بالنموذج التجريبي (paradigm)، لاختبار وظيفة الدماغ المستهدفة. ويمكن أن تتراوح التصاميم من نموذج الكتلة الأساسي (block paradigm)، الذي يتضمن فترات ممتدة من التعرض للمثير، إلى تصميم أكثر تعقيداً مرتبط بالحدث (event-related design)، حيث تُقدم المثيرات لفترات وجيزة وتكون موزعة على مدار التجربة.

كما يجب اختيار معاملات المسح المناسبة التي تتوافق مع التصميم التجريبي، باستخدام تسلسل رنين مغناطيسي حساس لإشارة BOLD.

وقبل إجراء أي تجربة على مشاركين بشريين، يلزم الحصول على موافقة من لجنة الأخلاقيات أو مجلس المراجعة المؤسسية. بعد ذلك، يمكن استقطاب المشاركين المناسبين للدراسة.

وقبل البدء بالمسح، يجب أولاً فحص المشاركين للتأكد من سلامتهم لإجراء التصوير بالرنين المغناطيسي، ويجب استبعاد أي مشارك لديه موانع استخدام الرنين المغناطيسي، مثل وجود جهاز تنظيم ضربات القلب. كما يجب الحصول على موافقة كتابية مستنيرة، وإزالة جميع القطع المعدنية من جسم المشارك.

بعد ذلك، ينبغي مراجعة طبيعة التجربة وتعليمات المهمة الوظيفية، حيث يعد أداء المشارك أمراً حاسماً لضمان الحصول على نتائج قوية.

وفي غرفة الماسح، يجب توفير حماية للسمع قبل وضع ملف الرأس (head coil) مع وضع حشوات حول الرأس لتقليل الحركة. كما يجب إعداد معدات تقديم المثيرات؛ وغالباً ما تُستخدم أنظمة النظارات أو أجهزة العرض للتقديم البصري، ولكن توجد أنواع أخرى من معدات تقديم المثيرات.

وبمجرد أن يشعر المشارك بالراحة، يتم إدخال سرير الماسح إلى تجويف المغناطيس. ثم يتم إعداد تسلسلات التصوير، بما في ذلك مسح تشريحي عالي الدقة لإعادة تسجيله مع المسوحات الوظيفية.

يجب تذكير المشارك بتعليمات المهمة، ويجب مزامنة عملية الاستحواذ الوظيفي مع بداية النموذج التجريبي للمهمة. ويعد هذا الأمر بالغ الأهمية، حيث يجب أن يتطابق توقيت المهمة مع توقيت الاستحواذ على الصور لضمان قياسات BOLD دقيقة.

يجب مراقبة المشارك أثناء المسح، وإجراء جولات وظيفية إضافية إذا لزم الأمر. وفي الختام، يتم مساعدة المشارك للخروج من الماسح ومن على سرير الماسح.

ستختلف طريقة معالجة الصور وحزمة البرمجيات المستخدمة بناءً على التجربة. وفي هذا الفيديو، سنستعرض طرق المعالجة الشائعة القائمة على مهام BOLD.

أولاً، يجب إجراء معالجة مسبقة لبيانات fMR لإزالة الشوائب الصورية وتجهيزها للتحليل الإحصائي. ويتضمن ذلك تصحيح وقت الشريحة وتصحيح الحركة، بالإضافة إلى التسجيل المشترك مع الصورة التشريحية.

أما في الدراسات الجماعية، فغالباً ما يتم إجراء التطبيع إلى حيز قالب قياسي، وذلك حتى يمكن مقارنة مناطق الدماغ والإحداثيات المكانية عبر مختلف الأشخاص.

بمجرد تجهيز البيانات، يتم إجراء التحليل الإحصائي لتحديد المناطق التي تظهر إشارة MR ذات دلالة إحصائية مرتبطة بالمحفز أو الوظيفة المعرفية التي تم اختبارها. وعادةً ما يُستخدم النموذج الخطي العام لتحليل التجارب القائمة على المهام؛ حيث يفترض هذا النموذج الحصول على إشارة BOLD تطابق دالة الاستجابة الديناميكية الدموية المتوقعة، ويقوم بطي هذه الدالة مع تصميم المحفز.

وأخيراً، يتم اختيار عتبة إحصائية لمراجعة النتائج، والتي تُعرض عادةً في شكل خريطة بارامترية إحصائية، باستخدام مقياس مُرمز بالألوان للإشارة إلى الوحدات ذات الدلالة الإحصائية في الصورة والتي تسمى "voxels"، ويمكن اعتبارها بكسلات ثلاثية الأبعاد. ويمكن إجراء مزيد من التحليلات حسب الحاجة.

بعد أن قدمنا كيفية تصميم تجربة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) وتنفيذها وتحليلها، دعونا نلقي نظرة على بعض التطبيقات المحددة لهذه الطريقة. يُستخدم fMRI لاكتساب فهم لوظائف الدماغ والعمليات المعرفية البشرية "الطبيعية"، مثل المعالجة الحركية والبصرية واللغوية، على سبيل المثال لا الحصر. ورغم أن هذه تبدو وظائف أساسية، إلا أنه لا يزال هناك الكثير لنتعلمه عنها وعن العديد من العمليات المعرفية الأخرى.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام fMRI لاستقصاء وظائف الدماغ في حالات الإصابة بأمراض الدماغ والاضطرابات النفسية. وهناك العديد من المجالات البحثية النشطة مثل اضطرابات القلق، واضطراب ما بعد الصدمة، والتوحد، والخرف.

كما يمكن دمج fMRI مع تقنيات الرنين المغناطيسي الأخرى أو أنواع أخرى من التصوير لمزيد من الاستقصاء في وظائف الدماغ، مثل تصوير الموتر الانتشاري (diffusion tensor imaging)، وتخطيط كهربائية الدماغ أو "EEG"، وحتى التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة، أو "TMS".

هناك أيضاً تقنيات تحليل fMRI في حالة الراحة (resting state fMRI) التي يمكن استخدامها لاستقصاء الاتصال الوظيفي، مثل تحليل المكونات المستقلة وتحليل الارتباط المتبادل.

لقد شاهدت للتو فيديو JoVE حول التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. غطى هذا الفيديو كيفية الحصول على إشارة fMRI، والتصميم الأساسي لدراسات fMRI، وعملية الحصول على صور fMRI، ومعالجة بيانات BOLD fMR، والتطبيقات المختلفة.

لقد تعلمنا أن fMRI هي تقنية تصوير قوية وغير بضعية يمكن استخدامها لاستقصاء العديد من جوانب وظائف الدماغ البشري والإدراك.

شكرًا للمشاهدة، وبالتوفيق في تجاربكم، وتذكروا دائمًا أن سلامة الرنين المغناطيسي تأتي في المقام الأول!