„Az emberi elme számos különböző szálból szőtt és rengeteg különféle mintázatot magában foglaló, összetett szövet.”

-Daniel Dennett-

Az olvasók közül bizonyára sokan láttak már a mellékelt ábrához hasonló felvételeket, amelyeken az emberi agy látható különböző élénk színekkel kifestve. Mivel a továbbiakban szeretnénk majd több cikket is írni az agykutatás lenyűgöző világáról, így most azon eszközök egyikéről lesz szó, amely elkészíti ezeket a kifestőket, melyek elengedhetetlenek szürkeállományunk működésének mélyebb megértéséhez. A szóban forgó berendezés az fMRI, amely nem csak arról nevezetes, hogy felvételt tud készíteni az agyról, hanem hogy költőien szólva tényleg az elmét fényképezi le, avagy az aktív agyterületeket örökíti meg egy adott időintervallumban. Tovább után megtudhatjátok, hogy hogyan!

Az fMRI rövidítés mögött a funkcionális mágneses rezonancia-vizsgálat kifejezés rejlik. Feledkezzünk meg egy időre a „funkcionális” jelzőről, és nézzük meg, hogy miként is működik maga a „hagyományos” MRI, amely az elméleti hátteret illetően teljes egészében megegyezik a cikk tárgyát képező eljárással. A mérés során a vizsgált objektumot – jelen esetben az emberi testet – erős sztatikus mágnese térbe helyezik. Ennek hatására az erre fogékony – azaz a nem zérus magspinű – atommagok a térnek megfelelően rendeződnek parányi mágnesként viselkedve (gondoljunk csak minden általános iskolai fizika könyv egyik kedvenc ábrájára, ahogy a vasreszelék rendeződik a rúdmágnes körül). Minél erősebb a tér, annál nagyobb fokú a rendeződés. Ezt a jelenséget a legjobban a hidrogén atommagok mutatják, mivel ezek szerkezete a legegyszerűbb: egyetlen protonról van szó. Szerencsére az emberi szervezet tekintélyes mennyiségben tartalmaz hidrogént, hiszen már egészen kicsi korunk óta tudjuk, hogy a test igen nagy hányadát víz alkotja. Az eljárás során tulajdonképpen szervezetünk egy metszetének hidrogéntérképét készítik el.

A képalkotáshoz önmagában még nem elég ez a rendezettség, sőt: éppen hogy a rendezettség megbolygatása szolgáltatja a kívánt eredményt. Számos mérés esetében köszön vissza ez az elv: ha kicsit megbolygatunk egy rendezett rendszert, akkor az a külső zavar megszűnte után próbál visszatalálni az egyensúlyi állapotába (relaxáció). A körülmények befolyásolják, hogy milyen gyorsan képes ezt megtenni, és ha sikerül egy egyértelmű kapcsolatot létesíteni a relaxációs idő és a vizsgálandó fizikai körülmény közt, akkor a relaxáció megfigyelésével máris következtetéseket vonhatunk le az érdeklődés tárgyát képező körülményről. Gondoljunk például egy félkör keresztmetszetű edényre, és egy benne nyugvó kis üveggolyóra. Ha kicsit fellökjük az egyik oldalon az ívre, akkor a golyó elkezd ide-oda gurulni a két oldal közt, mígnem egyszer csak megáll ismét az edény legalacsonyabban lévő pontján. Ha ugyanezt a kísérletet megismételjük vízzel teli edénnyel, akkor érezhető, hogy a közeg ellenállása miatt a golyó hamarabb állna meg a „medence” alján, amiből következtethetünk a nagyobb közegellenállásra, vagyis a víz nagyobb sűrűségére.

A hidrogénatomok esetében a „lökést” rádiófrekvenciás energia besugárzása jelenti. A sztatikus mágneses tér által orientált atomok energiaszintje az orientációtól függően ugyanis különböző. Megfelelően beállított frekvencia esetén a besugárzott energia elnyelődik, és az atomok egy másik energiaszintre jutnak. Ez a rezonancia jelensége. Miután megszűnik a besugárzás, az atomok bizonyos idő után visszatérnek egyensúlyi állapotukba, az elnyelt energiát pedig kisugározzák. Ez a kisugárzás detektálható. Az atommagok a környezetüktől függő módon eltérő módon relaxálnak - hiszen egészen másként reagál egy vízben kötött hidrogén atom, mint egy zsírba beépült társa -, ezáltal megkülönböztethetjük egymástól a felvételen a különböző felépítésű szöveteket (részletesebb leírás magyarul itt olvasható). A képalkotás számára azóta használható ez a jelenség, amióta meghatározható a rádiójelek kibocsátási helye, azaz pontosan leképezhető az emberi testnek az a pontja, ahonnan az adott jel érkezett. Paul Lauterbur az 1970-es évek elején kezdte meg ilyen irányú munkásságát. Mint azt az ábrán is láthatjuk, így már jól látható felvételek készíthetőek az agyról – a kép jelhalmazból való rekonstruálása igen bonyolult matematikai műveletek sora, melyet Peter Mansfield dolgozott ki, 2003-ban a két megnevezett kutató megosztva kapta az orvosi Nobel-díjat -, de még hiányoznak a fotóról a színes foltok, vagyis a módszer még „csak” a belső szöveteinket mutatja meg, a „gondolatok” továbbra is rejtve maradnak.

Miként teremthető kapcsolat az agyi aktivitás és bizonyos atommagok környezete közt? Charles Smart Roy és Charles Scott Sherrington 1890-ben megfigyelte, hogy a megnövekedett agyműködés nagyobb oxigénigénnyel párosul. Ennek elérése érdekében bizonyos véráramba került vegyületek képesek az erek méretét szabályozni. Az aktív agyterület közelében az erek kitágulnak, a véráram erősödik. A kulcs a hemoglobin mágneses tulajdonságaiban található: az oxigént szállító és a rakománytól már megvált hemoglobin ugyanis eltérő mágneses tulajdonságokkal rendelkezik, ennek következtében az MRI képen kimutatható köztük a különbség, ezért szokás ezt az eljárást vér-oxigén-szint függő (blood-oxygen-level dependent) vagy más néven BOLD fMRI-nek is nevezni. Érdemes megjegyezni, hogy az első intuícióval szemben a nagyobb aktivitásnak nem az alacsonyabb oxigénszint a jele, hanem éppen ellenkezőleg: a megnövekedett. Ennek oka, hogy a véráram túlkompenzál, a felmerülő igény után kezdetben valóban leesik egy igen rövid időre a vér oxigénszintje az adott régióban, de ez után a felerősödő véráram már annyit tud szállítani, hogy az növekményként jelenik meg.

Az agyról ily módon készült felvételen tehát a megnövekedett vérárammal rendelkező részeket azonosítják az aktív agyműködéssel. Ez az eljárás hosszú időn keresztül szolgáltatott rendkívül értékes információkat az agykutatók számára, segítségével ugyanis lehetőség nyílt az agyi területek egyfajta feltérképezésére, az egyes részek bizonyos funkciókhoz való hozzárendelésére. (Későbbi írásokban látni fogjuk, hogy noha ezt a „térképet” igen sokáig egy merev képződményként képzelték el, mára már rengeteg bizonyíték szól amellett, hogy nagyon is dinamikusan változó, a szükség által megkívánt módon alakítható az agy egyes részeinek szereposztása.) Ahogy azonban arra a kiváló Akciós potenciál blog szerzői rámutatnak: „újabban egyre több publikáció jelenik meg, melyekben kétségbe vonják a fent hangoztatott összefüggést a lokális véráram mértéke és az adott terület aktivitása között. Aktivitás alatt ugyanis kimondva-kimondatlanul a kérdéses terület idegsejtjeinek tüzelését, vagyis a kisülések fokozódását értette mindenki. Az újabb eredmények fényében azonban egyre nyilvánvalóbb, hogy nincs egyértelmű összefüggés a tüzelési aktivitás és a lokális véráram mennyisége között. A véráram sokkal inkább a sejtek metabolikus aktivitását tükrözi, ami pedig nem a kisüléssel (output), hanem a feldolgozandó jelek mértékével (input) áll kapcsolatban. Végeredményben tehát nem azt látjuk az fMRI térképeken, mennyire aktív egy adott terület, hanem inkább azt, mennyire aktívak az őt beidegző területek.

Mindez persze nem teszi zárójelbe az fMRI kutatásokból az elmúlt 15 év alatt megszerzett információkat, mindössze ébren tartja az egészséges kételkedést, ami egy fiatal technikának amúgy is kijár.”