Beyni Okumayı Öğreniyoruz

MIT’deki araştırmacılar ve Siemens’teki MR uzmanları, manyetik rezonans görüntüleme ile farklı çıkarım teknikleri kullanarak bir darbe ile beyinde etkilenen alanların ciddi bir hasar ortaya çıkmadan nasıl saptanabileceğini araştırmaktadırlar. Kimyasal bileşiklerin moleküler olarak ürettikleri sinyaller üzerine yoğunlaşan araştırmacılar, Alzheimer Hastalığı gibi yaşa bağlı olarak gözlenen hastalıklarla da ilgilenmektedirler. 

05

Arabanızın gözle görülür hiçbir kontrole sahip olmadığını düşünün... Sadece gizemli birtakım biyokimyasal madde karışımları ile idare ediliyor ancak buna rağmen sizi tam olarak istediğiniz yere götürebiliyor. İşte zihnimiz tam da bu bahsettiğimiz araca benzemektedir. Herhangi bir anda, kafamızın içinde, farkına varamadığımız ve objektif olarak kontrol edemediğimiz sayısız işlem gerçekleşmektedir. İşlemlerin bu şekilde gerçekleşmesi çoğu zaman işimize gelmektedir. Fakat bir takım marazlar ortaya çıktığında "ağır depresyon, anksiyete, obsesif-kompulsif bozukluklar veya insanı potansiyel olarak zayıflatan herhangi bir psikolojik rahatsızlık"  insan zihnine ulaşabildiğimiz yegane yöntem danışmanlık seansları ve yan etkileri metrelerce uzunlukta listeler oluşturan ilaç tedavisidir.

Şimdi, bu tarz durumları idare etmede yeni bir yöntem geliştirildi. Bu yöntem ile hastaları pahalı medikal tedavilerin elinden kurtarmak mümkün olacaktır. Siemens ve Massachusetts Institute of Technology (MIT) işbirliğinde gerçekleştirilen yakın araştırmalar sayesinde, MIT’nin Boston’daki McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü’ndeki bilim adamları, hastaların kendi durumlarını idare etmelerini öğrenmelerini sağlayacak aletler geliştirmektedirler. Ancak bu işlemin hedefine ulaşabilmesi için hastaların gönüllülüğü esas rolü teşkil etmektedir.

Veri aktarım teknolojilerindeki gelişmeler, ağır depresyonlu hastaların neredeyse anlık geri bildirim (termometre) almalarına imkan tanımaktadır. Bu sayede MRI esnasında duygularını kontrol etmeleri kolaylaşmaktadır.

 

Amigdala’nızı Kontrol Edebilir Misiniz?

Mesela, depresyonu ele alalım. Bilginin zengin yapısı sayesinde şimdi bu rahatsızlığın tanısını MRI ile destekleyebiliyoruz. MIT’nin Technology and Cognitive Neuroscience’da Sağlık Bilimleri Profesörü ve McGovern Enstitüsü’ndeki Athinoula A. Martinos Görüntüleme Merkezi’nin başkanı olan Dr. John Gabrieli “Eğer depresyonlu hastalar tedaviye cevap verirlerse, hastaların amigdalalarının "şakağın altında derin yerleşimli iki adet badem şeklinde yapı" aktivitelerinde bir azalma gözlemlenebilmektedir.” diyor.

Bu bilgiye dayanarak, Gabrieli ve Martinos Görüntüleme Merkezi’ndeki meslektaşları Siemens ile birlikte, fonksiyonel manyetik rezonans taraması (fMRI) esnasında hastalara neredeyse anlık geri bildirim (tasarlanmış bir termometre görünümünde) sağlayacak bir proje üzerinde çalışmaktadır. Bu geribildirim, hastalar amigdalalarını kontrol edebilirlerse, depresyonun azaldığını gözlemlememize imkan tanımaktadır. Gabrieli “İnsanların bu işte ustalaşabileceklerini kanıtladık. Fakat insanların bu işte uzmanlaşmasını geri bildirimin oluşum hızı gibi teknik meseleler sınırlamaktadır.” diyor.

 

Gerçek Zamanlı Veri Transferleri

Uzun tarama süreleriyle meşhur olan bir teknoloji olan MR ile neredeyse anlık geribildirim sağlanması için McGovern’daki Martinos Merkezi’nin eş başkanı Dr. Christina Triantafyllou Siemens ile yakın çalışmalar yürütmektedir. Aynı zamanda Merkez’in Şef MRI Fizikçisi olan Dr. Triantafyllou “İlk amacımız tarayıcıdan olabildiğince hızlı bir şekilde bir dış bilgisayara veri aktarımını gerçekleştirip görsel bir geribildirim şeklinde veriyi işlemek ve hastaya yönlendirmeyi sağlamaktı.” açıklamasında bulunmaktadır. “Bunu başarmak için gerçek zamanlı veri aktarım sistemi (real-time data transfer system) geliştirdik, bu sistem 32-kanallı faz dizimli baş bobinden (32-chanell phasedarrayheadcoil) üretilmiş zengin veri kaynağı ile sürdürülebilme imkanına sahiptir. İşlem sonrası eksiklikleri azaltmak için Siemens’in hareket doğrulayıcı algoritmasını kullandık ve geometrik bozuklukları düzeltmek ve geri bildirim sıklığını maksimuma çıkarmak için de Siemens’ten gerçek zamanlı yazılımının bir prototipini kullandık. Şu an hâlâ geribildirim döngüsünde beş saniyeye kadar gecikmeler yaşıyoruz ancak bu gecikme beynin uyarıya verdiği kendi hemodinamik cevabından kaynaklanmaktadır.”

Teknolojiyi hastaların bağımlılık dürtülerini kontrol altına almak için de kullanabilmekteyiz- bu şekilde sigaranın bırakılması, aşırı iştahın önüne geçilmesi, bazı ağrı tiplerinin idare edilmesi ve hatta konsantrasyonun arttırılmasını sağlayabilmekteyiz. Gelecekteki uygulanma alanı ne olursa olsun, gerçek zamanlı fMRI ile hastaya geri bildirim oluşturmayı mümkün kılan bu teknoloji, yeni nesil MRI sistemlerinin geliştirilmesi yolunda çok değerli bir araçtır.

 

Siemens-MIT’nin diğer bir büyük araştırma projesi de radyo-frekanslı transmitterlerin geliştirilmesidir. Siemens’in Boston’daki MR araştırma grubunun başkanı olan Michael Hamm “Bu proje muazzam vaatlerde bulunmaktadır.” diyor. Hamm “Normalde vücuda sadece bir radyo frekansını iletebilirsiniz, akımı kesin ve proton olarak da bilinen hidrojen çekirdeğinin spinindeki bir değişiklik sonucu ortaya çıkan sinyallerden bir görüntü üretin.” diye açıklıyor. “Fakat bizim düzenlememizle birlikte – puls olarak da bilinen- çoklu frekansları birbirlerine paralel olarak vücuda iletebilirsiniz. Paralel pulsların yüklenmesi uyarılma süresini kısaltmada kullanılabilir, bu sayede yüksek seviyeli güçlerde daha net ve güvenilir görüntüler elde edebiliriz. “

Sonuç olarak daha net görüntüler elde edilmektedir çünkü bu düzenleme sayesinde MR sinyallerinin uyarma profili daha uygun hale getirilmekte ve böylece görüntüdeki heterojenlikler telafi edilmektedir. MIT’de Sağlık Bilimleri ve Teknolojisi, Elektrik Mühendisliği ve Bilişim’de profesör olan Dr. Elfar Adalsteinsson “Bu düzenlemenin elde edilmesi bizim Siemens’le olan işbirliğimizin kilit noktalarındandır.”  diyor. “Uygulama alanının oldukça geniş olması sebebiyle bu düzenlemenin insan görüntüleme alanında yeni bir çağ açması muhakkaktır.”

 

Siemens ve MIT’nin birlikte yürüttüğü projeler arasında, vücuttan dönen MR sinyallerinden daha yüksek çözünürlüklü görüntüler oluşturulması ve aynı zamanda tarama hızının arttırılması da bulunmaktadır. Örneğin hastanın beyin görüntülerini elde etmek için hastanın kafasını "bobin olarak da bilinen" antenlerle çevreleriz. Her anten kendisine yakın olan dokulardan kendi kanalında bulunan birer sinyal yakalar. “Ne kadar fazla "yeni geliştirilmiş aküzyon teknolojisi ile donatılmış" bobin parçası bulunursa, görüntünün çözünürlüğü ve elde edilme hızı da o oranda artar.”  diyor Dr. Hamm ve ekliyor; “ Yüzeyel alanların görüntülenmesinde 128 bobinli prototip sistemin sinyal işleme hızı satışı devam eden 24 bobinli sisteminkinin yedi faktöriyel katıdır!”.

Daha fazla bobin kullanımı ile elde edilen yüksek çözünürlükler doktor ve hastalar için büyük avantajlar sağlamaktadır. Mesela beyin ameliyatı öncesinde cerrah herhangi bir hasara sebebiyet vermemek için hastanın görsel korteksinin tam olarak nasıl konumlandığını bilmek ister. “20 kanallı bobin sistemi ile 32 kanallı sistemi bu bakımdan karşılaştırdık. 20 kanallı bobin sistemi ile görsel korteksin sınırlarını belirlemek için beş tarama gerçekleştirmemiz gerekirken, 32 kanallı sistemle bu işlemi sadece tek bir taramada bitirebildik. Bu da çalışmamız için gereken süreyi 24 dakikadan 4 dakikaya indirmemizi sağlıyor.” diyor Triantafyllou.

Zihinsel Hastalıkların Görüntüleri

Paralel iletim düzenlemesi sonucu daha kısa süreli taramalar ve daha yüksek çözünürlüklerle elde edilen görüntüler ve bilgiyi daha fazla kanaldan işleme imkanı sayesinde –daha güçlü MR tarayıcılarından bahsetmiyoruz- araştırmacılar, farklı psikolojik durumların karakteristik “belirtilerini” objektif olarak tanımlayabilmek için gelişmiş beyin haritalandırmalarını kullanmaya başlamaktadırlar. Örneğin, Siemens ve Boston’daki Massachusetts General Hospital ile çalışan Triantafyllou disleksik, otistik ve hiperaktivite kaynaklı dikkat bozukluğuna (ADHD) sahip çocuklar üzerine çalışırken Siemens’in özelleştirilmiş 32 kanallı bobinini kullanmıştır. “Burada asıl amaçladığımız şey, tam bir tanısal doğruluğa ulaşabilmek için, bu rahatsızlıklara sahip çocukların MR’larında gözlenen belirtileri okuma metotlarımızı geliştirmektir.” diyor Triantafyllou.

 

Benzer çizgilerde çalışmalar yürüten Triantafyllou ve Enstitü Başkanı Gabrieli, MR belirtilerine göre disleksik (okuma güçlüğü çeken) çocuklardan hangilerinin tedaviye olumlu yanıt vereceklerini öngörmenin mümkün olup olmadığı üzerine çalışıyorlar. “Bazı çocuklar tedaviye çok iyi yanıt verirken bazılarında herhangi bir gelişmeye rastlayamıyoruz. Geleneksel testler çocukların akıbetini öngörmede bize yardımcı olmuyor.” diyor Gabrieli. “Fakat görüntüleme ile hangi çocuğun tedaviye daha iyi yanıt vereceğini %92 doğruluk oranıyla öngörebiliyoruz.  İşte bu, kelimenin tam anlamıyla kanıta bağlı tıptır ve belirli rahatsızlıkların akıbeti için sağlam öngörülerde bulunmaya olanak tanıyan fMRI belirtilerindeki gelişmelere dayanmaktadır. Etkilenen beyin alanlarının dijital bir biçimde niceliksel ölçümlerini elde edebiliyor ve elde ettiğimiz sonuçları karşılaştırabiliyoruz. Tüm bunları hesaba kattığımızda, sağlık hizmetlerinde ve sosyal alanlarda büyük sonuçlar doğuracak yeni bir saha keşfedilmiş olmaktadır.”

 

İnmelerin Hızlı Lokalizasyonu

Beyni etkileyen durumların objektif belirtileri bilimde yeni bir odak noktası haline gelmektedir. Bu belirtiler, psikolojik süreçlerin anatomik yayılımı ve niceliksel ölçümleri ile ilgili bilgilere dayanmaktadır. Mesela, Dr. Adalsteinsson ve öğrencileri Siemens’in tarayıcılarını ve özel destek aletlerini kullanarak yoğun bir çaba ile beynin kanla oksijenlenmesini araştırmaktadırlar.

“Eğer beynin bölgesel olarak oksijen tüketim oranlarını belirleyebilirsek, mesela, erken dönem inmelerin tedavisini şu anki imkanlardan çok daha etkili bir biçimde gerçekleştirebiliriz.” diyor Adalsteinsson. “Bu şekilde radyologlar, beyinde anormal düzeyde oksijen tüketen bölgeleri ve dolayısıyla tedavinin hedef alacağı bölgeyi görsel olarak tespit edebilecekler.” AmericanHeartAssociation’ın “2010 Kalp Hastalıkları ve İnme İstatistikleri” verilerine göre her yıl 800.000’e yakın hasta inme geçirmektedir, yani, Amerika’da her 40 saniyede bir kişi inme ile karşılaşmaktadır. Bu istatistikleri göz önüne aldığımızda bu buluşun tıbba getireceği yararın büyüklüğünü tahmin edebiliriz.

 

Çok erken aşamalardaki inmelere bağlı gelişen hasarları görmeye ne kadar yakınız? Adalsteinsson “Şu an için beynin farklı bölgelerinde farklı amaçlarla tüketilen oksijen oranlarını modelleme noktasına ulaştık.” diyor. “ Belirlenen bu enerji tüketim ünitelerinin niceliksel ölçümlerini yapmamız gerekmektedir.” Ancak Adalsteinsson bu işlemin göründüğünden çok daha karmaşık olduğu konusunda bizi uyarıyor: “Basit düşünürsek, yapmamız gereken tek şey verilen lokasyonlarda ne kadar suyun bulunduğunu MRI ile tespit etmektir. Bu çok da bilgi gerektiren bir iş değil. Fakat lokal çevrenin sinyaller üzerinde hemen göze çarpmayan birtakım etkileri bulunmaktadır. Mesela, o bölgede suyun ayrışma oranı dolaylı olarak dikkatli bir modellemenin gösterdiği oksijen düzeyini etkilemektedir. Beyinde uygun olmayan MRI sinyal kaynakları seçilerek elde edilen görüntüler, bu kaynakların karakteristik ayrışma oranlarının yorumlanmasına sebep olabilir. Bu işlemi güvenli bir biçimde yapmak çok yüksek kalitede MRI makineleri gerektirir.”

Su, MR sinyallerine yanıt veren majör bileşik olmasına rağmen tanı ve araştırmalar için bize yeni umutlar vadeden başka bileşikler de bulunmaktadır. Mesela, Adalsteinsson’a göre, “mutlu ve sağlıklı nöranlar (happy, healthyneurons)”ın bir belirtisi olması dolayısıyla N-Asetil-Aspartat (NAA) bu vaatte bulunmaktadır. (İnme veya Alzheimer Hastalığı gibi) Beyin hasarı bulunan hastalarda NAA sinyalleri azalmaktadır. Örneğin bu bileşik, hastalığın ilk teşhisinin yapılmasında veya hastanın tedaviye yanıtının belirlenmesinde kullanışlı olabilir.

 

Kaynak: siemens.com

Yazar: Ali Murat Durdu