This post is also available in Engels.
Functionele MRI (fMRI) is al lange tijd een belangrijke methode om hersenen te bestuderen. Conventionele fMRI legt echter alleen een “uitgezoomd beeld” vast. Met een fMRI versie in een nog hogere resolutie, laminaire fMRI, kunnen wetenschappers de verschillende lagen van de hersenen nauwkeurig onderzoeken. Maar hoe werkt dit?
Verder dan de ‘vlekken: Van conventionele naar laminaire fMRI
Conventionele fMRI is een veelgebruikte neuro-imagingtechniek waarbij het zuurstofniveau wordt gemeten om te laten zien welke hersengebieden reageren op een taak. Bij deze scans worden de hersenen verdeeld in kleine 3D-kubussen die ‘voxels’ worden genoemd, zodat onderzoekers kunnen zien welke van deze voxels actief zijn. Bij conventionele fMRI zijn deze voxels vaak ongeveer 2 mm3 groot, waardoor de karakteristieke fMRI “vlekken” ontstaan, de wazige vormen die je in de linker afbeelding hieronder kunt zien.
Met voxels van deze grootte vangen onderzoekers signalen op over de dikte van de cortex. De cortex is de buitenste laag van de hersenen die het denken, voelen en vrijwillige bewegingen regelt en is ongeveer 1-4,5 mm dik. Deze cortex bestaat uit zes unieke lagen, elk met verschillende functies en verbindingen. Laminar fMRI stelt ons in staat om in te zoomen op deze afzonderlijke lagen, waardoor een nieuw niveau van detail zichtbaar wordt.
Hoe werkt laminaire fMRI?
Om de precisie te bereiken die nodig is om corticale lagen te bestuderen, hebben wetenschappers zeer krachtige MRI-scanners nodig. Bij MRI is een Tesla (T) de eenheid die wordt gebruikt om de sterkte van het magnetische veld te meten. Terwijl voor traditionele fMRI vaak 3T-scanners worden gebruikt, zijn voor laminaire fMRI meestal 7T of sterkere scanners nodig. Deze sterkere scanners maken ‘sub millimeter’-resolutie mogelijk met voxels kleiner dan 1 mm³. Dit betekent dat laminaire fMRI de unieke activiteit in deze kleinere voxels vastlegt en we kunnen beginnen te “zien” welke lagen actief zijn tijdens specifieke cognitieve processen.
Conventionele voxelgrootte (links) versus sub millimeter voxelgrootte (rechts) tijdens een visuele taak. Afbeelding door Yun e.o. (2023)
Hoe informatie door cortex lagen stroomt
Waarom willen onderzoekers zo gedetailleerd kunnen scannen? Laminaire fMRI kan inzoomen op de lagen van de Cortex maar ook laten zien hoe informatie door de lagen van de cortex beweegt. Dat creëert nieuwe inzichten in hoe de hersenen complexe functies uitvoeren. Zo activeren “feed forward” signalen, die nieuwe sensorische informatie overbrengen, meestal de oppervlakkige en middelste lagen van de cortex. “Feedbacksignalen, die de activiteit aanpassen op basis van de context of het geheugen, activeren meestal diepere lagen. Verschillende lagen zijn ook verbonden met verschillende hersengebieden, waarbij diepe lagen de cortex verbinden met subcorticale structuren (zoals de thalamus) en middelste lagen zich richten op het verbinden van het ene hersengebied met het andere.
Tot voor kort richtten de meeste fMRI-studies zich op gebieden zoals de visuele en motorische cortex, omdat deze makkelijker te activeren zijn met eenvoudige taken, zoals vingertikken om de lagen van de motorische cortex in beeld te brengen. Tegenwoordig kunnen onderzoekers ook andere gebieden in beeld brengen, zoals de prefrontale cortex. Dit maakt het mogelijk om complexe processen zoals perceptie, bewustzijn, hallucinaties of werkgeheugen te bestuderen. Recente bevindingen tonen bijvoorbeeld aan dat verschillende lagen van de prefrontale cortex uniek reageren tijdens geheugentaken.
De toekomst van laminaire fMRI
Maar laminaire fMRI heeft ook uitdagingen. Er zijn krachtige scanners met een hoog veld voor nodig. Deze scanners produceren ook meer ruis en ze hebben meer tijd nodig voor een scan met een betere signaalkwaliteit. De huidige technologie kan ook niet direct alle zes lagen in kaart brengen, dus signalen worden meestal gegroepeerd in diepe, middelste en oppervlakkige lagen.
Naarmate hardware en software steeds beter worden, groeit het potentieel voor laminaire fMRI. Binnenkort zal de sterkste MRI-scanner ter wereld met een sterkte van 14T beschikbaar zijn in het Donders Institute, wat nog diepere inzichten kan opleveren in hoe de hersenstructuur complexe functies ondersteunt. Laminar fMRI zou ons uiteindelijk een veel gedetailleerder inzicht kunnen geven in de werking van het menselijk brein.
Credits
Author: Helena Olraun
Buddy: Siddharth Chaturvedi
Editor: Vivek Sharma
Translation: Dirk-Jan Melssen
Editor translation: Lucas Geelen
