This post is also available in Engels.
In eerdere blogs bespraken we allerlei soorten magnetic resonance imaging (MRI), zoals structurele, diffusie-gerichte, spectroscopische, en de zogeheten functionele scans (fMRI). In deze blog gaan we het hebben over een specifieke vorm van die laatste categorie: resting-state fMRI.
Een tijdje geleden schreef Richard over hoe je fMRI kan gebruiken om hersenactiviteit te onderzoeken. Bij dit soort onderzoek vergelijken we meestal hoe het brein reageert in verschillende situaties. Afhankelijk van je onderzoeksvraag, worden zulke situaties vaak uitgelokt met een experimentele taak. Zo zou je proefpersonen kunnen laten kijken naar appels of peren, om te zien hoe het brein op verschillende soorten fruit reageert. Zulk onderzoek noemen we ook wel taak-gebaseerde fMRI, omdat het over hersenactiviteit tijdens een bepaalde taak gaat.
Nu klinkt het misschien alsof zo’n taak nodig is om het brein te activeren, maar niets is minder waar. Sterker nog, het brein is hartstikke actief wanneer je zit te niksen. Denk bijvoorbeeld aan de 3 minuten wachten op je bus, het wegdromen bij wiskundeles, of het staren naar je draaiende magnetronplaat. Ook in dit soort situaties gebeurt er een hoop in je brein, waarvan we de activiteit spontane fluctuaties noemen. Dit type activiteit kan je in de MRI-scanner meten via het zogeheten bloodoxygenation level dependent (BOLD) signaal, dat kijkt naar hoeveel zuurstof het bloed in je brein bevat. Omdat we zuurstof verbruiken voor activiteit, geeft het BOLD signaal ons een idee van wat er waar gebeurt, zelfs in rusttoestand. Met rust bedoelen we hier natuurlijke ontspanning in wakkere toestand, dus geen slaap of verdoving.
Fig. 1 Topografische organisatie van de primaire motorische schors, onderzocht met resting-state fMRI (bron)
Het werkzame netwerk in een rustend brein
Bijzonder aan resting-state fMRI is dat je ermee kan kijken naar de functionele verbinding van het brein—de samenwerking van gebieden.
Hoe werkt dat soort samenwerking eigenlijk? Je kent misschien de uitdrukking “What fires together, wires together.” Van Donald Hebb uit 1949, waarmee hij doelt op het fenomeen dat gelijktijdig vurende hersencellen onderlinge verbindingen maken. Patronen van activiteit vertellen ons dus vanzelf ook een beetje hoe het brein verbonden is. Toch is de interpretatie hiervan erg lastig, zelfs wanneer je situaties op maat maakt in het lab (zoals in taak-gebaseerde fMRI).
Wat dit nog lastiger maakt, is de hiërarchische opbouw van het brein. Zo verwerken we informatie op allerlei verschillende niveaus, van simpel tot super complex, die onderling ook nog eens ontzettend met elkaar kletsen. Hierdoor is het moeilijk te zeggen waar een patroon aan activiteit precies door komt. Met resting-state fMRI lossen we dit niet per se op, maar stellen we een andere vraag. In plaats van het brein in een mal te gieten laten we het lekker z’n gang gaan, en meten we spontane activiteit. Hierdoor krijgen we een beeld van welke klets-routes er allemaal bestaan, in plaats van welke we gebruiken in specifieke situaties. Het gave hiervan is dat je een soort landkaart krijgt die vertelt hoe het brein functioneel verbonden is.
Onderzoek naar zulke functionele verbindingen leert ons hoe het brein gestructureerd is. Ook al weten we al een hoop over hoe het brein eruitziet en in elkaar zit op basis van post-mortem studies, biedt resting-state fMRI een blik op het brein in werking. Op die manier kunnen we ontdekken hoe onze neurale netwerken daadwerkelijk netwerken—essentiële kennis over het brein. Het biedt een waardevol fundament om ingewikkelde vraagstukken over het brein te beantwoorden.
Fig. 2 Visualisatie van verbindingen in de hersenschors geanalyseerd met resting-state fMRI (bron)
Naast inzicht in de algemene verbinding, kunnen we met deze methode ook ietwat doelgerichter onderzoeken. Zo heeft men er de visuele systemen—doorgaans onderzocht met task-based fMRI—van blinde mensen mee bestudeerd ten opzichte van mensen die zien (zoals in dit, en dit artikel).
Hoe gaaf het ook klinkt, het analyseren van resting-state fMRI data is al gauw een hersenkraker. Hiervoor heb je bakken aan kennis uit de natuurkunde, fysiologie (het BOLD-signaal), wiskunde (omgaan met enorme, hoogdimensionale gegevens), biologie (begrijpen van hersensystemen), psychologie, en geneeskunde (interpreteren wat het allemaal betekent) voor nodig. Het is een heus multidisciplinair, fascinerend en snel ontwikkelend gebied in de neurowetenschappen. Kortom, onderzoek naar functionele verbinding vergt ook veel functionele verbinding tussen wetenschappers!
Auteur: Xuanwei
Buddy: Elena
Redactie: Siddharth
Vertaler: Wieger
Redactie vertaling: Natalie
