Neuroimagingtechnieken: technieken voor hersenscans

Een veelgebruikte onderzoeksmethode binnen de cognitieve psychologie is het maken van hersenscans. Er bestaan verschillende neuroimagingtechnieken die op verschillende manieren werken, zo hebben MRI-scans en PET-scans verschillende functies en zijn ze gebaseerd op verschillende principes. Neuroimagingtechnieken zijn over het algemeen op te delen in twee soorten: de functionele en structurele technieken, maar welke technieken vallen onder welke van deze twee soorten?

• Neuroimagingtechnieken
• Structurele neuroimagingtechnieken
• MRI
• CT-scan
• Functionele neuroimagingtechnieken
• fMRI
• PET-scan

Neuroimagingtechnieken

Neuroimagingtechnieken worden in verschillende vakgebieden toegepast. Vaak spelen hersenscans, waar het om draait bij neuroimagingtechnieken, een grote rol in het stellen van bepaalde diagnoses van ziekten en aandoeningen. Ook helpen hersenscans bij het achterhalen van de oorzaak van een psychische aandoening. Met behulp van deze informatie kunnen cognitieve psychologen vervolgens achterhalen welke rol een bepaald hersendeel of neuraal netwerk in het gedrag van mensen speelt.

Structurele neuroimagingtechnieken

De neuroimagingtechnieken die de anatomie van de hersenen weergeven behoren tot de structurele neuroimagingtechnieken. Met behulp van dit soort hersenscans kunnen onder andere tumoren weergegeven worden. Ook kan het volume van het witte en grijze stof waar de hersenen onder andere uit bestaan achterhaald worden. Als er een hersenbeschadiging wordt gedetecteerd in een bepaald hersendeel en de patiënt toont verschijnselen van een bepaalde cognitieve aandoening, dan kan deze informatie worden gebruikt om meer te weten te komen over het desbetreffende hersendeel. In een experiment zijn meerdere deelnemers nodig om op een goede manier te kunnen onderzoeken wat het verband is tussen de desbetreffende hersenbeschadiging en cognitieve aandoening. Twee veelgebruikte structurele neuroimagingtechnieken zijn MRI- en CT-scans.

MRI

MRI is een afkorting voor Magnetic Resonance Imaging. Bij dit type hersenscan wordt geen gebruik gemaakt van röntgenstraling zoals bij bijvoorbeeld een CT-scan, maar er wordt gebruik gemaakt van een magnetisch veld en de magnetische eigenschappen van de atomen in het hersenweefsel. Dit zorgt ervoor dat deze techniek geheel onschadelijk is zolang er zich geen metalen voorwerpen in of op het lichaam bevinden. Tijdens het maken van een MRI-scan van de hersenen ligt de patiënt op een tafel en is het hoofd geplaatst in een holle cilindrische magneet of tussen twee losse platen. De specifieke soort atomen waar gebruik van wordt gemaakt met MRI-scans zijn protonen, ook wel bekend als waterstofatomen. Door de elektromagnetische straling krijgen de elektronen van het waterstofatoom meer energie. Deze aangeslagen waterstofatomen zenden vervolgens energie uit in de vorm van radiogolven, wat wordt gemeten door een spoel. Het contrast tussen weefsels dat te zien is op de uiteindelijke beelden is bepaald door de snelheid waarmee de aangeslagen atomen weer terug gaan naar hun normale energielevel. Dit wordt ook wel de grondtoestand genoemd in de natuurkunde. Details in de anatomie van de hersenen kunnen worden waargenomen doordat weefsels verschillende waterstofdichtheden hebben en dus verschillende hoeveelheden energie uitstralen. Op deze manier kan er een driedimensionaal beeld worden gemaakt van de hersenen.

CT-scan

CT is een afkorting voor Computer Tomografie. Een andere naam waaronder de CT-scan ook bekend staat is de CAT-scan, dit staat voor Computergestuurde Axiale Tomografie. Dit type hersenscan werkt met röntgenstraling, net als bij een normale röntgenfoto. Met een CT-scan wordt een dwarsdoorsnede van het lichaam gemaakt. Door middel van het maken van meerdere dwarsdoorsnedes die gemaakt worden vanuit verschillende hoeken kan er een driedimensionaal beeld worden gevormd door het combineren van deze dwarsdoorsnedes. De CT-scan meet de mate van absorptie van de röntgenstraling, net als bij een normale röntgenfoto. Het verschil tussen een CT-scan en een normale röntgenfoto is echter dat er bij het maken van een CT-scan gebruikt wordt gemaakt van een hogere dosis straling. Dit type hersenscan kan zowel de hersenstructuur en focaal letsel en een aantal afwijkingen in de hersenen weergeven die in verband staan met bijvoorbeeld de grootte van een hersendeel. Ook is het mogelijk om afgestorven hersenweefsel en tumoren waar te nemen met het beeld dat een CT-scan oplevert. Bloedvaten kunnen moeilijk te zien zijn op röntgenfoto's; als het nodig is kan er gebruik worden gemaakt van een contrastmiddel om toch nog de desbetreffende bloedvaten in beeld te brengen.

Functionele neuroimagingtechnieken

Functionele neuroimagingtechnieken laten de omloop van vloeistoffen zien in de hersenen. Bij dit soort technieken wordt vooral gebruik gemaakt van de bloedsomloop in de hersenen. Alle activiteiten in de hersenen worden veroorzaakt door neuronen die met elkaar communiceren via een complex netwerk. Niet alle neuronen hebben echter dezelfde functie. Neuronen kunnen deel uitmaken van een specifiek netwerk dat in verband staat met een specifiek soort gedrag. Neuronen hebben net als andere soorten cellen voedingsstoffen nodig die worden verkregen via het bloed. Door te kijken naar de stofwisseling in de hersenen kan dus worden achterhaald welke delen van de hersenen actief zijn en welke niet, want waar meer activiteit is vindt immers meer stofwisseling plaats. Op deze manier kan bijvoorbeeld worden geanalyseerd welke hersendelen samenwerken en door middel van experimenten kan er worden achterhaald hoe dit gebeurt.

fMRI

Net als bij MRI, maakt fMRI ook gebruik van een magnetisch veld. Het verschil is dat fMRI, ook wel bekend als functional magnetic resonance imaging, werkt met zuurstof. Zuurstof kan zich aan hemoglobine binden, wat ervoor zorgt dat zuurstof wordt vervoerd via de bloedsomloop. Gedeoxygeneerde hemoglobine, oftewel hemoglobine zonder gebonden zuurstof, verstoort het magnetisch veld waarin de patiënt ligt terwijl hemoglobine waaraan wel zuurstof is gebonden dit niet doet. Er wordt gedacht dat er meer bloed – en dus ook meer zuurstof – stroomt naar het desbetreffende gebied wanneer er meer cellen actief zijn. Dit betekent echter niet dat de consumptie van zuurstof opeens veel groter wordt zoals dat met bijvoorbeeld glucose gebeurt. Doordat oxygeneerde en deoxygeneerde hemoglobine verschillende magnetische eigenschappen hebben wordt deze toename in oxygeneerde hemoglobine opgemerkt door de fMRI-scanner. De scanner meet het BOLD-contrast, het blood oxygen dependent contrast. Het BOLD-contrast kan worden gezien als een indicatie voor de activiteit van neuronen, of om precies te zijn, de mate waarmee de neuronen signalen afvuren. Doordat neuronen actiever worden bij cognitieve activiteiten kan het BOLD-contrast ook gezien worden als een index voor cognitieve activiteit. Hierdoor kan er dus worden bestudeerd welke neurale netwerken en hersendelen betrokken zijn bij bepaalde cognitieve activiteiten, zoals het maken van beslissingen.

PET-scan

Positron Emission Tomography, oftewel een PET-scan, werkt ook met de bloedsomloop in de hersenen om hersenactiviteit waar te nemen. Met een PET-scan kan hersenactiviteit in een korte periode getraceerd worden door middel van radiotracers, een speciale camera en een computer. Met deze techniek kan niet alleen de doorbloeding gemeten worden, maar ook het glucosemetabolisme en de zuurstofopname. Een veelgebruikte radiotracer is de isotoop zuurstof-15, welke vervalt na een minuut. Dit kan worden toegediend door de patiënt een beker water met de radiotracer te laten drinken. In een experiment kan er een cognitieve taak worden uitgevoerd na het innemen van de radiotracer. De radioracer wordt vervolgens weergegeven op de scan. Op deze manier kan op een nauwkeurige manier worden achterhaald welke hersendelen actief zijn tijdens het uitvoeren van de taak.