1

İşlevsel Beyin Görüntüleme Yöntemleri

Doç.Dr. Metehan ÇiçekAnkara Üniversitesi, Tıp Fak. Fizyoloji AbDve Sağ. Bil. Enst. Sinir Bilimleri AbD

• Dikkat, bellek, dil gibi bilişsel işlevlerin beyindeki nöral karşılıkları sorularla dolu

• Psikiyatrik ve nörolojik hastalıkların nedenlerinin anlaşılmasında, tanısında ve giderek tedavisinde yararlar

• Yapısal görüntüleme yöntemleri etkin çalışan insan beyninde kısa süreli fizyolojik değişikliklerle ilgili bilgi sağlayamaz.

2

• Normal insan beyninin bilişsel işlevler gibi davranışlar sırasındaki çalışmasını inceleyebilmek için işlevsel beyin görüntüleme yöntemlerine gereksinim vardır.

• Sık kullanılan yöntemler;– İşlevsel manyetik rezonans görüntüleme

(İMRG)– Pozitron emisyon tomografi (PET)– Single photon emission computed tomography (SPECT) – Optik yöntemler

İMRG• Kan oksijenlenmesinin zaman içindeki

değişimini ölçmektedir.• İMRG araştırmacılara beyin etkinliğini

saniye-saniye izleme ve yerini milimetrikbir şekilde saptama olanağı vermektedir.

• Kan oksijenlenme düzeyinde değişim normal beyin fizyolojisinin bir parçasıdır ve invaziv olmayan bir yöntemle ölçülmektedir.

3

• İşlevsel görüntüleme için son on yıla kadar PET en sık kullanılan yöntemdi.

• Beyin kan akımı ve/veya glukozmetabolizmasındaki değişikliklerin enjekte edilen bir radyoaktif işaretleyici yoluyla izlenmesine dayanmaktadır.

• Dezavantajları:– Radyoaktif enjeksiyonunun

invazivliği– Radyoaktif izotop oluşturmanın

pahalılığı– Görüntü oluşturma hızının yavaşlığı

(20-30 saniyede bir görüntü)

PET

• Lezyon çalışmaları, ilaç çalışmaları ve elektriksel aktivite kayıtları da çağdaş sinirbilimlerinde beyin işlevlerinin incelenmesinde kullanılmaktadır.

• Lezyon çalışmalarında, belirli bir beyin bölgesinin lezyonunun bir davranışta kayba yol açması sadece o bölgenin davranış için yeterli olduğunu göstermemektedir.

• Farklı lezyon yerleşimlerinin zaman içindeki etkileri de göz önüne alınmalıdır.

• İnsanda belirli bir beyin bölgesine has bir lezyonlakarşılaşmak oldukça güçtür.

• Bu hayvan deneylerine ihtiyaç gösterir fakat dil gibi yüksek kortikal işlevlerin çalışılmasını güçleştirir.

4

TMS• İnsanda transkraniyal magnetik

stimulasyon (TMS) ile belirli bir beyin bölgesinin işlevi geçici bir süre durdurulur.

• TMS kafaya yakın yerleştirilen bir bobin kullanır ve bobinden akım geçtiğinde yakındaki beyin dokusunda manyetik alan oluşturur.

• Bu da o bölgenin işlevini bozan elektrik akımlar oluşturur.

• İlaç çalışmaları geniş ölçekli beyin sistemlerine etkileri, klinikle ilişkileri ve bir çok ilacın beyin hastalıkları üzerinde iyice anlaşılan etkileri nedeniyle güçlüdür.

• Sistemik bir ilaç uygulaması sonrasında özgün beyin bölgelerinin işlevini ayırt etmek ve kısa süreli bilişsel süreçler hakkında bilgi edinmek zordur.

5

EEG ve MEG• Nöronların yakınından veya doğrudan içinden elektriksel

potansiyellerin kaydı nöral aktivitenin en doğrudan ölçümüdür.• Beyinde oluşan elektriksel ve manyetik aktivite kafa dışından

elektroensefalografi (EEG) ve magnetoensefalografi (MEG) yöntemleriyle ölçülebilir.

• Verdiği zamansal bilginin çözünürlüğü yüksek olsa da, EEG ve MEG kayıtlarında kafa dışındaki aktivite yapısından gerçek nöralkaynakların yerleşimini kesinlikle belirlemek matematiksel olarak olanaklı değildir.

Elektrokortikografi

• Uzaysal çözünürlük bir görüntünün farklı noktaları ayırt etme yeteneğidir. – Dijital bir fotoğrafta en küçük görüntü birimi pikseldir.– MR görüntülerinde beyin üç boyutlu görüntülenir ve

temel örneklem birimi vokseldir.

• Zamansal çözünürlük ise tekniğinin görüntü alma hızına bağlı olarak değişir.

• Bir tekniğin değeri aynı zamanda işlevsel çözünürlüğüne, yani bilişsel ve davranışsal işlemle ilişkili fizyolojik değişimi saptayabilme yeteneğine bağlıdır.

6

Sinirbilim Teknikleri

İMRG’nin Temelleri

7

İMRG’nin Temelleri

MRG için en önemli gelişmelerden biri beynin üç boyutlu hacmi içinde sinyalin yerinin belirlenmesidir.

Bu bir düzlem boyunca değişen kuvvete sahip manyetik alanlar, manyetik gradiyentler, kullanılarak sağlanmıştır.

Üç eksende uygulanan manyetik gradiyentler dokuyu parçalara böler.

Bir manyetik gradiyent kişinin beyninin bir dilimini uyarırken; iki ayrı eksendeki gradiyent de dilimi sütun ve satırlara böler.

8

Kan Oksijenasyon Düzeyine Bağlı İMRG

• Beynin duyusal, motor ve bilişsel işlevleri nöronlarda enerji gereksinimi doğuracaktır.

• Bu enerjinin % 75’e yakın bölümü postsinaptikpotansiyellerin oluşumuyla ilişkili olarak kullanılmaktadır.

• Beyinde enerji gerektiği anda glukozunoksidasyonuyla elde edilen ATP molekülünden sağlanmaktadır.

• Bu ise artan kan akımı ile sağlanan glukoz ve oksijen ile olanaklıdır.

• Seiji Ogawa ve arkadaşları 1990’da kanın oksijen düzeyinin T2 ağırlıklı görüntülerde kan damarlarının görünümünü etkileyebileceğini hipotezlediler.

• Elde ettikleri sonuçlar deoksijene hemoglobinince zengin kanın T2 ağırlıklı görüntülerde MR sinyalini azalttığını gösterdi.

• Bu kan oksijenasyon düzeyine bağlı İMRG’nintemelini oluşturmuştur (BOLD fMRI: Blood-oxygenation-level dependent functional magneticresonance imaging).

9

• Beyinde nöronlarda bir aktivite artışı kan akımında artışa neden olacaktır.

• Kan akımında artış aktive veya etkin bölgeye gereksiniminden fazla oksijen getirmektedir.

• Bu yüzden beyinde aktif bölgede oksihemoglobin / deoksihemoglobin oranı büyüyecektir.

• Böylece beyinde aktif bölge aktif olmayan bölgeye (veya aktif olmadığı zamana) göre daha fazla MR sinyali oluşturacaktır.

• Logothetis ve arkadaşlarınca yapılan ve maymunlarda aynı anda intrakortikal nöron kaydı ve İMRG uygulanan bir çalışmada, BOLD yanıtının bir uyarana verilen nöronalyanıtı yansıttığı ve sinaptik aktivite sonucu oluşan yerel alan potansiyellerine bağlı olduğu gösterilmiştir.

Hemodinamik Yanıt (HDY)

10

Deney Dizaynı

Donaldson 2004’den

• Arzu edilen bilişsel işleve yönelik görsel, işitsel vb bir görev ön deneylerle laboratuvarortamında oluşturulur.

•Deneklere önceden öğretilen görev MR cihazı içinde görüntü alımıile zamansal senkronizasyon içinde verilir ve eş zamanlı olarak deneğin verdiği yanıtlar kaydedilir

11

Verilerin İncelenmesi

• İşlevsel verilerde önce hareket hataları ortadan kaldırılmaktadır (Realigment).

• Bunu aynı denekten alınan yapısal görüntülerle (yüksek çözünürlüklü T1 ağırlıklı) işlevsel görüntülerin bağdaştırılması izlemektedir (Coregistration).

• İşlevsel görüntülerin standart bir stereotaktik şablona uydurulmak üzere dönüştürülmesi veya normalleştirilmesi gerekmektedir (normalization).

• En son aşama araştırma sorusuna uygun istatistik incelemenin yapılmasıdır.

• Toplum hakkında bir genelleme yapabilmek için rastgele etkilerin incelenmesi (random-effectsanalysis) yönteminin istastistik incelemede kullanılması önerilmektedir.

• İMRG deney dizaynlarında genelde ilgilenilen bilişsel işlevle ilgili bir görev durumu ve sadece incelenmek istenen etkenin olmadığı bir kontrol durumu sırasındaki beyin aktiviteleri kaydedilir.

• Deney grubu için görev ve kontrol durumu sırasındaki aktiviteler arasında anlamlı bir farklılık olup olmadığı veya bu karşılaştırma (contrast) açısından gruplar (örneğin hasta-kontrol) arasında fark olup olmadığı incelenir.

12

Uzaysal Dikkat ve İhmalÖzellikle sağ beyin yarımküresi lezyonlarındansonra lezyonun karşı tarafındaki uzaysal alana dikkat bozulur (sol ihmal).

Gitelman, D. R. et al. Brain 1999 122:1093-1106; doi:10.1093/brain/122.6.1093

Dikkat

Ağı

13

Uzaysal Dikkatte Sağ Beyin Yarımküresinin Baskınlığı

SAĞ YARIMKÜRE

HERİKİ TARAFA DİKKAT

• Amaç: İki taraflı ve tek taraflı dikkat işlevsel anatomisini incelemek.

• Hipotez: Paryetal korteksde fokal ve global dikkatle ilgili bölgeler bulunabilir ve bunların işlevsel anatomisi bir asimetri gösterebilir

Anatomical Physiology of Spatial Extinction*Metehan Çiçek1,2, Darren Gitelman1, Robert S. E. Hurley1, Anna

Nobre1,3 and Marsel Mesulam1 1 Cognitive Neurology and Alzheimer's Disease Center, Northwestern University

Feinberg School of Medicine, Chicago, IL 60611, USA, 2 Ankara University, Department of Physiology, Ankara, Turkey, 3 Oxford University, Department of

Experimental Psychology, Oxford OX1 3UD, UK

*Cerebral Cortex 2007 17(12):2892-2898

14

• 12 sağ elini kullanan deneğe dikkatin gizli olarak yönlendirildiği bir uzaysal dikkat testi uygulandı

YÖNTEM

Deney Durumları:1. Sol ve sağ tek taraflı (global) dikkat2. İki taraflı ( fokal) dikkat3. Nötral durum

– Hedef içermeyen denemeler– %50 evet / hayır– İpucu hedef arası değişkenÖnce pratik sonra 8 fMRI oturumu (11deneme X 4

durum) Deney sırasında göz hareketleri (ekranda gözün

odaklandığı nokta) kaydedildi.

15

Beyin Görüntüleme• 3-Tesla Siemens MRI, yüksek çözünürlüklü

anatomik (T1 ağırlıklı) ve fonksiyonel (T2* ağırlıklı) kayıtlar alındı.

• Manyetik olmayan yanıt düğmeleri, LCD projektör ve şeffaf ekran

• İncelemeler SPM% programıyla yapıldı.– Harekete bağlı hataların düzeltilmesi (Realigment)– T1 görüntülerle bağdaştırma (coregistration)– Standart anatomik bir düzleme uydurma

(normalization)– Uzaysal olarak pürüzsüzleştirme (smoothing)

• İpucuna ait olaya ilişkin hemodinamik yanıtlar hesaplandı. Her ipucu denemesi sonrası 18.9 saniyelik döneme ait yanıt 2.1 saniyelik zaman aralıklarıyla (1 TR veya görüntü süresi) değerlendirildi. Finite Impulse Response (FIR) function.

• Zaman değerleri (9 TR) ve durum (Sol-sağ-iki taraf) faktörü kullanılarak göreve bağlı anlamlı aktiviteler saptandı (Çoklu karşılaştırmalar için düzeltilmiş P<0.05, FWE)– İki taraflı-tek taraflı dikkat farkı– Sol – sağ dikkat farkı

16

• Farklara bağlı anlamlı aktivasyon bölgelerinde zaman grafikleri

• Durum X Zaman ANOVA• Her iki yarımkürede

aktivasyon görüldüğünde +yarımküre faktörü

Reaksiyon Zamanları

17

Dikkat Ağı(Sol+Sağ+İki taraf)

18

19

KARARLAR

• Global –Fokal dikkat arasında zumlamalar ve uzaysal dikkat hastalarında ihmal oluşturan testi taklit eden bir paradigma

• Global>fokal dikkat frontal ve paryetal nöron aktivasyona yol açtı

• Sağ IPL global dikkatle daha ilgili• Bu asimetri sağ paryetal lezyonların söndürmeye

daha fazla yol açmasını açıklayabilir.

TARTIŞMA• Bir ipucu yoluyla uzaysal dikkati sola sağa yada

her iki tarafa yönlendirdik (Bilgi veren-Nötraldurum farkı)

• Global (iki taraf) focal (tek taraf) dikkat farkı dorsal paryetal (posteriyor IPS ve anteriyor IPL), lateral perisitriat ve inferiyor frontal girusaktivasyonuna yol açtı.

• LPS hariç tüm bu bölgelerde iki taraflı dikkat tek taraflı dikkatten daha fazla sinyale neden oldu.

• IPL sadece sağ yarıkürede aktif ve solda eş bölgede 3 durum için de sinyaller benzer.

20

• Sadece IPL in sağ yarıkürede hasarı iki taraflı dikkatte soruna yol açabilir.

• Sağlam sol IPL sol ve sağa tek taraflı dikkatte normal işlevini sürdürürken, iki taraflı dikkatte sağ tarafa dikkatin baskın gelmesi sola ihmali doğurabilir.– Söndürme (extinction) için kritik lezyon bölgeleri Paryetal

lob ve temporoparyetal junction (Driver et al. 1997, Karnathet al. 2003)

– Bir hastada görülen sağ FEF lezyonu söndürme olmadan sonraki söndürme içeren ihmale yol açmıştır (Daffner at al. 1990)

• Sağ yarıküre lezyonlarından sonra daha sık ve daha ağır ihmal görülmesinin nedenlerinden birinin IPL’dekiaktivasyonları gösteren nöron grubu ve bağlantılarındaki kayıp olduğu söylenebilir.

• Sağ – sol dikkat farkı CS ve LPS aktivasyonu; contralateral dikkat = iki taraf dikkat

• IPS, IPL ve IFG de ipsi-kontra dikkat farkı yok

• Finket al (2000) ve Vandenberghe et al (2005) sırasıyla bilateral IPL/IPS ve sağ IPS aktivasyonlarının global dikkatle ilgili

21

Uzaysal Dikkat ve İhmal• Uzaysal dikkat sınırlı sinirsel kaynaklarımızın

kullanımını dışımızdaki uzayın bizi motivasyonelanlamda ilgilendiren bölümlerine seçici bir şekilde yönlendirmemizi sağlar.

• Yeni ve ilginç olaylara yönelme, dikkati dağıtan etkenler arasında hedefi arama, dikkatin gizli yönlendirilmesi uzaysal dikkat işlevleri arasındadır.

• Özellikle sağ beyin yarımküresi lezyonlarındansonra lezyonun karşı tarafındaki uzaysal alana dikkat bozulur (sol ihmal).

• Bu hastalarda sol vücut yarısına bakım veya giyinme bozulabilir, cümlenin sol tarafını okumaz veya çizimlerin sol tarafını kopyalayamaz.

• İhmal ile en sık ilişkilendirilen bölge inferiyorparyetal lobdur (Vallar, 2001). paryetal sendrom?

• Klinik olgular ve maymun ablasyon deneylerinde premotor korteks, singulat girus, talamus ve sitriatum leyonları da ihmale yol açıyor.

• Uzaysal dikkat paryeto-fronto-singulat bir ağ tarafından ve ona eşlik eden neositriatum, mediodorsal/pulvinar talamus çekirdekleri ve superyor kollikulus tarafından düzenlenmektedir (Mesulam, 1981)

22

• Dikkatin ve ihmalin duyusal yönüyle paryetal bölgenin, motor yönüyle frontal bölgenin ilgili olduğu düşüncesi bulgularda destek görmedi.

• Uzaysal dikkat posteriyor paryetal korteks, FEF ve singulat girusun her birinin birer yerel ağ ögesi olarak ve diğer merkezlerle bilgi alışverişini sağlayarak oluşturduğu bir bütüncül işlev.• Paryetal; temsil oluşumu, dış uzay koordinatlarını

çevirir, zumlamayı düzenler• FEF; temsil sistemik arama davranışı, bellekteki

uzaysal bilginin taranması• Singulat girus; kognitif kontrol, çelişki çözme,

beklenti ve motivasyonel büyütme

Giriş• Duyusal söndürme (extinction) sol ihmalin ayırt edici

semptomlarından biridir.Sadece SOL taraftan verildiğinde ayırdedilen görsel

(veya işitsel) uyaranın sağ taraftan aynı anda verilen uyarıyla birlikte verildiğinde ihmaline verilen addır.

• Söndürülen uyaran sinir sisteminde değerlendirilir ve davranış üzerinde gizli etki gösterir (Driver ve Vuilleumier, 2001)

• Söndürmenin yüksek düzeyde bilişsel işlevle ilgili mekanizmaları neler?

23

• Duyusal rekabet, sağdan dikkatin uzaklaştırılmasında zorluk, birçok hedefe dikkatin yönlendirilmesi zorluğunun abartılı hali

• Söndürme; global (iki taraflı) dikkatin bozulduğu fakat fokal (tek taraflı) dikkatin sağlam olduğu bir durum olarak düşünülebilir.

• Amaç:Beyin hasarı olan hastalarda söndürme oluşturan durumu canlandıran bir paradigmayla iki taraflı ve tek taraflı dikkat işlevsel anatomisini incelemek.

• Hipotez: Paryetal korteksde fokal ve global dikkatle ilgili bölgeler bulunabilir ve bunların işlevsel anatomisi bir asimetri gösterebilir

Çizgi Bölme ve Landmark GörevleriSırasında Beyin Aktivitesi

Metehan Çiçek*, Leon Y. Deouell**, Mark D’Esposito*** and Robert T. Knight***

*Department of Physiology, School of Medicine and Department of Neuroscience, Health Sciences Institute, University of Ankara, Turkiye

** Department of Psychology, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, Israel***Department of Psychology, the Henry Wheeler Brain Imaging Center and the

Helen Wills Neuroscience Institute , University of California, Berkeley

24

ÇİZGİ BÖLME

ISI: 2 sec

LANDMARK

25

26