Wie Funktioniert Fmri?

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Die fmrt (funktionelle magnetresonanztomographie) untersucht den blutfluss im gehirn, um aktivitätsbereiche zu erkennen. Erfahren sie mehr über die fmri und ihre erfindung.

Die Medizintechnik ist in den letzten Jahren so weit gekommen, dass es jetzt möglich ist, mit bildgebenden Scans den Körper in hauchdünne Bilder zu zerlegen und dreidimensionale Modelle von Organen und Geweben zu erstellen, um Abnormalitäten zu finden und Krankheiten zu diagnostizieren. Dennoch wurde eine relativ neue Art von Scan aufgerufen funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) geht die Technologie einen Schritt weiter. Es hilft nicht nur bei der Diagnose von Erkrankungen des Gehirns, sondern kann Ärzten auch ermöglichen, in unsere mentalen Prozesse einzudringen, um zu bestimmen, was wir denken und fühlen. fMRI kann sogar erkennen, ob wir die Wahrheit sagen.

fMRI basiert auf der gleichen Technologie wie Magnetresonanztomographie (MRI) - ein nichtinvasiver Test, bei dem ein starkes Magnetfeld und Radiowellen verwendet werden, um detaillierte Bilder des Körpers zu erstellen. Anstatt Bilder von Organen und Geweben wie der MRI zu erstellen, untersucht die fMRI den Blutfluss im Gehirn, um Aktivitätsbereiche zu erkennen. Diese Veränderungen des Blutflusses, die von einem Computer erfasst werden, helfen den Ärzten, die Funktionsweise des Gehirns besser zu verstehen.

Das Konzept der MRI existiert seit Anfang des 20. Jahrhunderts. In den frühen 1930er Jahren experimentierte ein Physiker der Columbia University namens Isidor Isaac Rabi mit den magnetischen Eigenschaften von Atomen. Er entdeckte, dass ein Magnetfeld in Verbindung mit Radiowellen dazu führte, dass die Atomkerne "umkippen", eine Eigenschaft, die jetzt bekannt ist Magnetresonanz. Für seine Pionierarbeit erhielt Rabi 1944 den Nobelpreis für Physik.

In den 1970er-Jahren nutzten Paul Lauterbur, Professor für Chemie an der State University von New York, und Physik-Professor Peter Mansfield von der University of Nottingham in England die Magnetresonanztomographie als Grundlage für die Entwicklung einer neuen Diagnosetechnik, der so genannten Magnetresonanztomographie. Der erste kommerzielle MRI-Scanner wurde 1980 hergestellt.

Anfang der 1990er Jahre entdeckte ein Physiker namens Seiji Ogawa, der in den damaligen Bell Laboratories in New Jersey arbeitete, etwas, als er Tierstudien durchführte. Er fand heraus, dass sauerstoffarmes Hämoglobin (das Sauerstoffmolekül im Blut) durch ein Magnetfeld anders beeinflusst wurde als sauerstoffreiches Hämoglobin. Ogawa erkannte, dass er diese Kontraste in der Blutsauerstoffreaktion verwenden konnte, um Bilder der Gehirnaktivität bei einem normalen MRI-Scan abzubilden.

Die Grundidee hinter Ogawas Entdeckung war tatsächlich mehr als ein halbes Jahrhundert zuvor vom Chemiker Linus Pauling vorgeschlagen worden. In den 1930er Jahren hatte Pauling entdeckt, dass sich die Reaktion von sauerstoffreichem Blut und sauerstoffarmem Blut auf das Ziehen eines Magnetfeldes um bis zu 20 Prozent unterschied. Bei der fMRT können Wissenschaftler diese Unterschiede genau bestimmen, welche Bereiche des Gehirns am aktivsten sind.

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Wie scannt fMRI das Gehirn?

Ein MRI-Gerät zielt Radiowellen auf den Körper.

Ein MRI-Gerät zielt Radiowellen auf den Körper.

Die fMRI basiert auf der Idee, dass Blut, das Sauerstoff aus der Lunge transportiert, sich in einem Magnetfeld anders verhält als Blut, das seinen Sauerstoff bereits an die Zellen abgegeben hat. Mit anderen Worten haben sauerstoffreiches Blut und sauerstoffarmes Blut eine unterschiedliche Magnetresonanz. Wissenschaftler wissen, dass aktivere Bereiche des Gehirns mehr mit Sauerstoff angereichertes Blut erhalten. Die fMRI nimmt diesen erhöhten Blutfluss auf, um eine größere Aktivität festzustellen. Die Messung von Blutfluss, Blutvolumen und Sauerstoffverbrauch wird als bezeichnet Blutsauerstoffspiegel abhängig (FETT GEDRUCKT) Signal.

Das MRI-Gerät ist ein teures Gerät (zwischen 500.000 und 2 Millionen US-Dollar), das das Gehirn mithilfe einer Kombination aus Radiowellen und einem unglaublich starken Magnetfeld visualisiert [Quelle: Frost & Sullivan Research]. Der typische Forschungs-MRI-Scanner hat eine Stärke von drei Teslas - eine Kraft, die etwa 50.000 Mal stärker ist als das Magnetfeld der Erde [Quelle: University of Oxford].

Wenn Sie im zylindrischen MRI-Gerät liegen, zielt es auf Radiowellen Protonen - elektrisch geladene Teilchen in den Kernen von Wasserstoffatomen - im Bereich Ihres Körpers, der untersucht wird. Wenn das Magnetfeld die Protonen trifft, richten sie sich aus. Dann löst die Maschine einen kurzen Stoß von Funkwellen aus, wodurch die Protonen außer Kontrolle geraten. Nach dem Ende des Radiowellenstoßes reißen sich die Protonen wieder in die Reihe, und sie geben Signale aus, die das MRI aufnimmt. Die Protonen in Bereichen mit sauerstoffhaltigem Blut erzeugen die stärksten Signale.

Ein Computer verarbeitet diese Signale zu einem dreidimensionalen Bild des Gehirns, das Ärzte aus vielen verschiedenen Blickwinkeln untersuchen können. Die Gehirnaktivität wird in den genannten Quadraten abgebildet Voxel. Jedes Voxel repräsentiert Tausende von Nervenzellen (Neuronen). Dem Bild wird Farbe hinzugefügt, um eine Karte der aktivsten Bereiche im Gehirn zu erstellen.

fMRI Imaging: Wie wird eine fMRI gemacht?

Ein fMRI-Scan wird in der Regel ambulant durchgeführt. Das bedeutet, dass Sie für den Scan ins Krankenhaus kommen und danach gehen müssen. Während des Tests können Sie einen Krankenhauskittel oder Ihre eigene Kleidung tragen, aber Sie dürfen nichts Metall (Reißverschlüsse, Clips, Stifte, Brillen) in den Raum bringen, da dies das MRI-Gerät stören könnte.

Während des Tests liegen Sie auf einem Tisch. Ihr Kopf kann in eine Stütze gelegt werden, um ihn ruhig zu halten. Dann werden Sie kopfüber in das große, zylindrische MRI-Gerät geschoben. Möglicherweise erhalten Sie Ohrstöpsel, um den Ton zu maskieren - MRT-Geräte neigen dazu, sehr laut zu sein.

Während das Gerät Ihr Gehirn scannt, werden Sie aufgefordert, eine Aufgabe auszuführen, die den sauerstoffhaltigen Blutfluss zu einem bestimmten Teil Ihres Gehirns erhöht.Sie können beispielsweise mit dem Daumen gegen die Finger tippen, Bilder anzeigen oder Fragen auf einem Computerbildschirm beantworten. Der Test kann einige Minuten bis zu einer Stunde oder länger dauern. Nach dem Scan interpretiert ein Spezialist, der Radiologe ist, die Ergebnisse.

Obwohl für einen fMRI-Test keine Strahlung verwendet wird, werden sein starkes Magnetfeld und seine Radiowellen für bestimmte Personengruppen möglicherweise nicht empfohlen, darunter:

  • Schwangere Frau
  • Personen mit einem internen Defibrillator oder Herzschrittmacher
  • Diejenigen mit künstlichen Herzklappen oder Gliedmaßen
  • Menschen mit Cochlea-Implantaten
  • Menschen mit einem Infusionskatheter
  • Die mit Clips, die bei Gehirnaneurysmen verwendet werden
  • Frauen mit einem intrauterinen Gerät (IUD)
  • Menschen mit Metallstiften, Schrauben, Platten oder chirurgischen Klammern.

Kann eine fMRI feststellen, ob Sie lügen?

Obwohl der Polygraph-Test relativ gut funktioniert, suchen Wissenschaftler nach genaueren Lügendetektionsmethoden. Eine davon ist die fMRI. In einer Studie, die bei der Society for Neuroscience vorgestellt wurde, gaben die Forscher den Probanden eine Spielkarte und baten sie dann, sich während eines fMRI-Scans über die Karte zu lügen. Wenn die Probanden logen, "beleuchteten" sich bestimmte Entscheidungsbereiche ihres Gehirns [Quelle: Scientific American]. Dies scheint ein überzeugender Beweis dafür zu sein, dass die fMRI falsche Aussagen aufgreifen kann. Viele Forscher sagen jedoch, es sei kein Beweis dafür, dass die fMRI ein genauer Lügendetektor ist, da Bereiche des Gehirns, die dem Lügen entsprechen, auch mit einer Reihe anderer Denkprozesse verbunden sind. Die Technologie muss noch weiter erforscht werden, um sicherzustellen, dass die Unschuldigen nicht falsch beschuldigt werden, basierend auf falsch interpretierten Gehirnsignalen. Lesen Kann ein MRI-Gerät auch als Lügendetektor dienen? um mehr zu lernen.

fMRI-Analyse: Wie wird fMRI verwendet?

Mit seinem Sponsoring von Rennwagen und seinen Versuchen in fMRI-Studien verfolgt Jack Daniels mehrere Werbekampagnen.

Mit seinem Sponsoring von Rennwagen und seinen Versuchen in fMRI-Studien verfolgt Jack Daniels mehrere Werbekampagnen.

Die grundlegendste Anwendung für die fMRI ist der ihres Cousins, das MRI-Spotting verletztes oder krankes Gewebe (in diesem Fall im Gehirn). Zum Beispiel kann die fMRI verwendet werden, um das Wachstum von Gehirntumoren zu überwachen, um zu bestimmen, wie gut das Gehirn nach einem Schlaganfall oder der Diagnose einer Alzheimer-Krankheit funktioniert, und um herauszufinden, wo im Gehirn Anfälle entstehen.

Wissenschaftler untersuchen auch mehrere andere mögliche Anwendungen für fMRI, darunter:

Gehirn-Mapping. Diese Anwendung bestimmt, welche Teile des Gehirns mit bestimmten Funktionen umgehen. Forscher versuchen beispielsweise, die Regionen des Gehirns zu identifizieren, in denen mit Schmerzen umgegangen wird, um effektivere schmerzlindernde Therapien zu schaffen. Andere Forscher untersuchen, wo im Gehirn die Zeit wahrgenommen wird, um neue Behandlungsmethoden für Menschen zu entwickeln, die Schwierigkeiten mit der Zeitwahrnehmung haben.

Planung der Operation. Wenn ein Patient zum Beispiel zur Entfernung eines Gehirntumors operiert werden muss, können Ärzte das Gehirn zunächst scannen, um genau zu bestimmen, wo sie operieren sollen, um wichtige Gehirnfunktionen nicht zu beeinträchtigen.

Emotionen analysieren. Die fMRI kann Wissenschaftlern dabei helfen, die Natur von Trauer und anderen Emotionen besser zu verstehen. In einem Experiment führten UCLA-Forscher fMRI-Scans bei Frauen durch, die kürzlich einen relativ engen Brustkrebs verloren hatten, und fanden signifikante Unterschiede in der Hirnaktivität, wenn die Frauen Bilder ihres verstorbenen Verwandten sahen, basierend auf der Art der Trauer, die die Frauen hatten. Während diejenigen mit "normalem Kummer" in Bereichen des Gehirns aktiv waren, die emotionale Schmerzen verarbeiten, hatten Frauen mit längerer oder "komplizierter Trauer" auch eine größere Aktivität in Bereichen des Gehirns, die mit Vergnügen, Sucht und Belohnungen verbunden sind, was auf Erinnerungen schließen lässt von ihren verlorenen Angehörigen lösten Gefühle von Schmerz und Vergnügen aus [Quelle: UCLA].

Marktforschung. Werbetreibende fragen bereits Kunden an, wie sie sich durch Produkte fühlen und wie Werbungen ihre Kaufentscheidungen beeinflussen. Jetzt können sie diese Reaktionen aus erster Hand sehen, indem sie in das Gehirn der Verbraucher schauen. In einer Marktforschungsstudie zeigte die in Boston ansässige Werbeagentur Arnold Worldwide sechs männlichen Whiskytrinkern verschiedene Bilder, während sie ihr Gehirn scannten, um sich ein Bild davon zu machen, wie sie auf eine neue Werbekampagne von Jack Daniels reagieren könnten. Die fMRI ist nicht der billigste Weg, um Werbekampagnen auszuwerten. Die Durchführung einer Studie kann 50.000 bis 100.000 $ kosten (verglichen mit etwa 4.000 $ für eine Fokusgruppe). Werbetreibende geben jedoch an, dass sie völlig neue Einblicke in das Verbraucherverhalten erhalten [Quelle: Business Week].-

Was sind die Vor- und Nachteile von fMRI?

Gehirnzellen sind eine Sache, die eine fMRI nicht verbessern kann.

Gehirnzellen sind eine Sache, die eine fMRI nicht verbessern kann.

Der große Vorteil der fMRI ist, dass keine Strahlung wie Röntgenstrahlen, Computertomographie (CT) und Positronen-Emissions-Tomographie (PET) verwendet wird. Bei korrekter Durchführung hat die fMRI praktisch keine Risiken. Es kann die Gehirnfunktion sicher, nichtinvasiv und effektiv bewerten. Die fMRI ist einfach zu verwenden und die erzeugten Bilder haben eine sehr hohe Auflösung (bis zu einem Millimeter). Verglichen mit den traditionellen Fragebogenmethoden der psychologischen Bewertung ist die fMRT viel objektiver.

Die fMRI hat jedoch auch Nachteile. Erstens ist es teuer. Zweitens kann nur dann ein klares Bild aufgenommen werden, wenn die gescannte Person völlig still bleibt. Und drittens verstehen die Forscher immer noch nicht ganz, wie es funktioniert.

Die größte Beanstandung von Forschern ist, dass fMRI nur den Blutfluss im Gehirn betrachten kann. Es kann nicht auf die Aktivitäten einzelner Nervenzellen eingehen (Neuronen), die für die mentale Funktion von entscheidender Bedeutung sind. Jeder in fMRI untersuchte Bereich des Gehirns besteht aus Tausenden von einzelnen Neuronen, von denen jedes eine einzigartige Geschichte zu erzählen hat.Da bestimmte Bereiche des Gehirns, die bei der fMRI "leuchten", eine Reihe verschiedener Funktionen darstellen können, ist es schwierig zu sagen, welche Gehirnaktivität im Scan dargestellt wird.

Darüber hinaus können die Ergebnisse eines fMRI-Scans schwer zu interpretieren sein. In einer Studie der UCLA des Forschers Marco Iacoboni zum Beispiel wurden den Wählern "Demokrat", "Republikaner" und "unabhängig" ein Bereich ihres Gehirns genannt Amygdala wurde aktiviert, was auf Gefühle von Angst und Abscheu hinweist. Die drei Begriffe lösten jedoch auch Aktivität in Bereichen des Gehirns aus, die mit Belohnung, Verlangen und Verbundenheit verbunden sind. Wie haben sich diese Themen also gefühlt - angewidert oder verbunden? Für Forscher war es schwierig, sie mit Sicherheit zu sagen [Quelle: Scientific American].

Aufgrund dieser Nachteile behaupten einige Kritiker, dass die fMRI nichts anderes als eine High-Tech-Version der Phrenologie ist, der Pseudowissenschaft des 19. Jahrhunderts, die behauptete, den Charakter einer Person nur aufgrund ihrer Schädelform preiszugeben. In der Zukunft hoffen die Forscher, die fMRI "wissenschaftlicher" zu machen und ihre Genauigkeit zu verbessern, indem sie sich auf einzelne Neuronen konzentrieren. Sie glauben, dass sie durch die Aufzeichnung der elektrischen Aktivität in Neuronen ein vollständigeres und genaueres Bild der Gehirnaktivität erhalten.


Videoergänzungsan: fMRI - How it Works and What it's Good For.




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