مغز: خانه ذهن
مغز به عنوان مرکز سیستم عصبی، اطلاعات اطراف ما را درک می کند. اطلاعات را تفسیر می‌کند و هم اینکه مواد شیمیایی آزاد می‌کند و سیگنال‌های الکتریکی (پیام‌ها) را برای واکنش بدن ارسال می‌کند. با این حال، مغز ما نه تنها بدن و حرکات ما را تنظیم می کند، بلکه خانه ذهن ما نیز هست. مغز مکان فیزیکی است که ذهن در آن ساکن است. استفاده از تصویربرداری MRI برای فاش کردن اسرار ذهن!
ذهن
ما دائماً جریان اطلاعات را کنترل می کند. خاطرات، افکار، احساسات و تخیل ما. این جریان اطلاعات را می توان به عنوان یک شبکه اجتماعی در نظر گرفت که در آن به جای ارسال پیام بین دوستان در رسانه های اجتماعی، اطلاعات در طول نورون ها به قسمت های مختلف مغز ارسال می شود.
شبکه ذهن برای عملکرد موفقیت آمیز به ساختار زیربنایی و ترکیب شیمیایی مغز متکی است. در واقع، یک شبکه ذهنی موفق یا مؤثر به ما این امکان را می دهد که از نظر شناختی (توانایی ما در انجام فعالیت های ذهنی)، از نظر عاطفی و اجتماعی سالم باشیم.
سلامت روان
شبکه ذهن، نحوه ارسال اطلاعات و ساختار زیربنایی آن سلامت روان ما را تعیین می کند. در اختلالات سلامت روان، مانند افسردگی و اضطراب، اغلب شاهد اختلال در شبکه ذهنی هستیم.
این تغییر در ساختار زیربنایی و ترکیب شیمیایی مغز ما می‌تواند بر نحوه مقابله با استرس‌های عادی زندگی، بهره‌وری و رفاه کلی ما تأثیر بگذارد. بنابراین، دانشمندان علوم اعصاب که می خواهند اختلالات سلامت روان را درک کنند و اینکه چگونه همه ما می توانیم از نظر روانی سالم بمانیم، به دنبال بررسی شبکه ذهنی هستند.
اگر بتوانیم بفهمیم که چگونه ساختار و ترکیب شیمیایی مغز منجر به عملکرد سالم می شود، آنگاه می توانیم اختلالات مغزی را درک کنیم. با این حال، برای اینکه بتوانیم ذهن و شبکه آن را مطالعه کنیم، باید بتوانیم به درون مغز افراد نگاه کنیم. برای این کار از تصویربرداری تشدید مغناطیسی MRI استفاده می کنیم.
تصویربرداری MRI
تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) به ما این امکان را می دهد تا با استفاده از آهنربا و امواج رادیویی، داخل بدن انسان را با جزئیات شگفت انگیز ببینیم.
اولین اسکنر MRI که برای تصویربرداری از بدن انسان استفاده شد، در سال 1977 در نیویورک ساخته شد. از آن زمان، این فناوری راه طولانی را پیموده است. MRI در حال حاضر اغلب توسط پزشکان برای بررسی داخل بدن انسان استفاده می شود. علت استفاده زیاد از این تکنیک این است که MRI شامل تشعشع نمی شود (مانند اشعه ایکس یا سی تی اسکن) و تعداد بیشتری از اسکنرهای MRI در سراسر جهان نصب می شوند.
“مگنت” در تصویربرداری تشدید مغناطیسی اسکنر MRI در اصل یک آهنربای غول پیکر است.
قدرت آهنربا با واحدی به نام تسلا (T) اندازه گیری می شود. بیشتر اسکنرهای MRI که در بیمارستان‌ها و کلینیک‌های تحقیقاتی پزشکی استفاده می‌شوند، 1.5 یا 3 T هستند.
میدان مغناطیسی زمین در حدود 0.00006 T است. یک اسکنر MRI 3 T حدود 60000 برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین است! MRI از میدان‌های مغناطیسی و امواج رادیویی برای اندازه‌گیری مقدار آب در بافت‌های مختلف بدن استفاده می‌کند.
مکان آب را نقشه‌برداری می‌کند و سپس از این اطلاعات برای تولید یک تصویر دقیق استفاده می‌کند. تصاویر بسیار دقیق هستند زیرا بدن ما از حدود 65 درصد آب تشکیل شده است. بنابراین سیگنال های زیادی برای اندازه گیری داریم.
مولکول آب (H2O) از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است.
اتم‌های هیدروژن (H) بخشی هستند که آب را برای MRI جالب می‌کنند. وقتی اسکن MRI را انجام می‌دهیم برای اندازه‌گیری سیگنال از بدن استفاده می‌کنیم. اگر با جزئیات بیشتری به هیدروژن نگاه کنیم، می بینیم که دارای یک هسته مرکزی است که حاوی یک بار مثبت است که پروتون نامیده می شود.
مانند چرخش زمین در محور خود با قطب مغناطیسی شمالی و جنوبی، هر پروتون هیدروژن در حال چرخش مانند یک آهنربای کوچک است که به دور محور خود می چرخد. در هر لحظه از زمان، همه میلیاردها پروتون هیدروژن در بدن ما در موقعیت‌های تصادفی قرار دارند و روی محورهای خود می‌چرخند.
زمانی که بدن انسان در اسکنر MRI قرار می گیرد
با این حال، زمانی که بدن انسان را در یک میدان مغناطیسی بسیار قوی مانند یک اسکنر MRI قرار می دهیم، جهت گیری تصادفی پروتون ها تغییر می کند. درست مانند یک سوزن قطب نما که با میدان مغناطیسی زمین همسو می شود.
وقتی این پروتون های هیدروژنی که به طور تصادفی در حال چرخش هستند در یک اسکنر MRI قرار می گیرند، محورهای آنها آنها را با میدان مغناطیسی قوی تر اسکنر همسو می شود. ما میدان مغناطیسی اسکنرها را میدان مغناطیسی اصلی اسکنر MRI B0 می نامیم.
درست مانند یک سوزن قطب نما در میدان زمین، خود قطب نما از نظر فیزیکی حرکت نمی کند. بلکه سوزن می چرخد تا خود را تراز کند. به طور مشابه، پروتون های هیدروژن به طور فیزیکی در بدن شما وقتی وارد یک اسکنر MRI می شوید حرکت نمی کنند، محورهای آنها فقط در جهت میدان B0 قرار می گیرند. برخی “بالا” (موازی) و برخی “پایین” (ضد موازی) تراز می شوند. در حالی که همچنان روی محورهای خود می چرخند.
با توجه به قوانین شگفت‌انگیز فیزیک کوانتومی که در اینجا به آنها نمی‌پردازیم، همیشه پروتون‌های «بالا» کمی بیشتر از «پایین» هستند. اگر اکنون به کل میدان مغناطیسی تولید شده از تمام پروتون های هیدروژن فکر کنید، این آهنرباهای کوچک تقریباً یکدیگر را خنثی می کنند، تا فقط میدان مغناطیسی را از نسبت کوچک پروتون های اضافی “بالا” باقی بگذارند. این میدان مغناطیسی کوچک است که ما می توانیم با استفاده از MRI اندازه گیری کنیم.
میدان B0
این میدان نه تنها بر تراز پروتون هیدروژن تأثیر می‌گذارد، بلکه بر سرعت چرخش این پروتون‌ها نیز تأثیر می‌گذارد. هرچه میدان مغناطیسی قوی‌تر باشد، اینها سریعتر می‌چرخند. این دو ایده تنظیم مجدد محور و فرکانس تقدمی زمانی مهم هستند که از MRI برای اندازه‌گیری سیگنال این مولکول‌های هیدروژن استفاده می‌کنیم.
چگونه میدان مغناطیسی را تشخیص دهیم؟
پس چگونه میدان مغناطیسی کوچک ناشی از پروتون های هیدروژن اضافی در بدن خود را از میدان عظیم B0 اسکنر تشخیص دهیم؟ ما از چیزی به نام فرکانس رادیویی (RF) استفاده می‌کنیم. پالس، برای مختل کردن یا چرخاندن همه پروتون ها، در همان زمان، خارج از تراز با میدان مغناطیسی اسکنر استفاده می شود.
فرکانس رادیوییRF باید با فرکانس پروتون های هیدروژن در حال چرخش یکسان باشد. بنابراین آنها می توانند انرژی مبادله کنند. به طوری که اگر آنها با همدیگر در رزونانس باشند فرکانس یکسانی دارند.
رزونانس، پروتون ها را قادر می سازد تا انرژی کافی را از پالس RF جذب کنند. تا محورهای خود را به دور از میدان B0 بچرخانند به طوری که اسکنر MRI بتواند آن را اندازه گیری کند. اگر دوباره به قطب‌نمای خود در میدان مغناطیسی زمین فکر کنیم که به سمت قطب شمال است، اگر یک آهنربای میله‌ای کوچک در کنار قطب نما قرار دهیم، می‌توانیم سوزن را به سمت شرق بچرخانیم. این شبیه رفتار پروتون‌ها است که وقتی پالس RF را روشن می‌کنیم.
اگر کل بدن پر از پروتون های هیدروژنی «بالا» باشد که همگی با یک فرکانس پیشروی در B0 می چرخند، چگونه می توانیم فقط آنهایی را که در مغز هستند برای بررسی سلامت روان هدف قرار دهیم؟
ما از این واقعیت استفاده می کنیم که فرکانس تقدیمی پروتون ها به شدت میدان مغناطیسی وابسته است. ما دومین میدان مغناطیسی B1 را اعمال می کنیم که در سراسر بدن متفاوت است. پروتون های هیدروژن در سر سریعتر از سینه، معده و پاها می چرخند. پس، پالس RF را با فرکانس پیش از پروتون های هیدروژن در سر تنظیم می کنیم.
پالس RF تنها با پروتون های مغز تشدید می شود. بنابراین، فقط پروتون های مغز انرژی را از پالس RF جذب می کنند و از میدان B0 دور می شوند. اگر ما علاقه مند به تصویربرداری از پا باشیم، واضح است که می توانیم پالس RF خود را طوری تنظیم کنیم که با پروتون های سایر قسمت های بدن مانند پاها تشدید شود!
چگونه از این پروتون های در حال چرخش تصویری دریافت کنیم؟
پس چگونه می‌توانیم تصویری از این پروتون‌های هیدروژنی در حال چرخش و چرخاندن در مغز دریافت کنیم؟ هنگامی که پالس RF خاموش می شود، پروتون ها به عقب برگشته و در امتداد میدان مغناطیسی اصلی B0 قرار می گیرند.
اگر دوباره به قطب نما فکر کنیم، وقتی آهنربای میله ای کوچک خود را دور می کنیم، سوزن از شرق به شمال می چرخد و یک بار دیگر با میدان مغناطیسی زمین همسو می شود. همانطور که پروتون ها به عقب برمی گردند و دوباره با B0 هماهنگ می شوند، انرژی تولید می کنند.
بافت های مختلف بدن مقادیر متفاوتی از انرژی تولید می کنند. برای اندازه گیری این انرژی ساطع شده، به تجهیزات خاصی (به نام سیم پیچ) نیاز داریم که در اطراف قسمتی از بدن که در حال تصویربرداری هستیم قرار می گیرد.
سیم پیچ به عنوان یک آنتن عمل می کند و انرژی آزاد شده را به عنوان جریان الکتریکی تشخیص می دهد. جریان الکتریکی از طریق یک کامپیوتر با استفاده از یک محاسبه ریاضی به نام تبدیل فوریه تبدیل می شود.
ماده خاکستری، ماده سفید و خون، همگی مقادیر متفاوتی از انرژی تولید می کنند. نتیجه انرژی تبدیل شده، تصویر بسیار دقیقی از بافت داخل مغز است.
نتیجه
توضیح داده‌ایم که چگونه از تصویربرداری MRI برای تولید و اندازه‌گیری سیگنال از مولکول‌های آب در بدن استفاده می‌کنیم. اما علاوه بر ارائه تصاویری از داخل بدن ما، MRI همچنین می تواند برای پاسخ به بسیاری از سوالات مختلف در مورد ساختار مغز و نحوه عملکرد آن استفاده شود.
از تصاویر MRI، ما نه تنها می‌توانیم ساختار و ترکیب شیمیایی مغز را بررسی کنیم، بلکه می‌توانیم نحوه اتصال شبکه ذهن و نحوه ارتباط مناطق مختلف مغز با یکدیگر را نیز بررسی کنیم.
به این ترتیب دانشمندان علوم اعصاب می توانند بررسی کنند که چگونه شبکه ذهن در سلامت و اختلالات سلامت روان متفاوت است. با درک اینکه چگونه بیماری سلامت روان مغز را تغییر می دهد، می توانیم درمان این اختلالات را شروع کنیم.
برای اطلاعات بیشتر با ما در انستیتو سلامت مغز دانا در تماس باشید.
درباره نویسنده
خجسته رحیمی جابری، پژوهشگر دکترای تخصصی علوم اعصاب دانشگاه علوم پزشکی شیراز و نویسنده وب سایت انستیتو سلامت مغز دانا. زمینه کاری تخصصی ایشان مشکلات حافظه و آلزایمر است وی بیش از 20 مقاله معتبر بین المللی در این زمینه به چاپ رسانده است. می توانید پژوهش های او را در اینجا (کلیک کنید) دنبال کنید.