Pixelvadászat az óriásmágnesben

Fehér pontok kaotikusan cikázó felhője jelenik meg a kijelzőn, majd szinte rögtön eltűnik. Hamarosan újra felvillannak a pixelek, látszólag teljesen rendszertelenül mozognak – én legalábbis semmi különbséget nem látok az előbbi felhőhöz képest. Pedig a két felvillanás közül az egyikben több pixel mozgott felfelé, mint a másikban. „A második lesz az” – mondja mellettem dr. Vidnyánszky Zoltán, a Szentágothai János Tudásközpont és a Semmelweis Egyetem által közösen üzemeltetett MR Kutatóközpont tudományos igazgatóhelyettese. „Eddig százszázalékosra teljesíti a hölgy, kicsit nehezítenünk kell a feladaton.”

A Semmelweis Egyetem neurológiai klinikáján vagyunk, az MR készüléket rejtő helyiségben. Az MR-ben egy fiatal nő fekszik, ő jelzi gombnyomással, hogy a felvillanó pixelfelhők közül melyikben vélte felfedezni a koherensebb mozgást. Észreveszi azokat az apró különbségeket, amiket én nem, de Vidnyánszky szerint ebben az is szerepet játszik, hogy a lánynak semmi nem vonja el a figyelmét: sötétben, mozdulatlanul fekszik, a gép zaján kívül nem zavarják külső ingerek, csak a pontokra koncentrál.

Dr. House szupermágnesei

Az fMRI (funkcionális mágneses rezonancia-vizsgálat) eljárás a laikusnak is ismerős lehet, minden második Doktor House epizódban készítenek vele képeket az éppen soros páciens agyáról, általában a huszadik perc környékén, amikor még nem volt biopszia, de Hugh Laurie már kizárta, hogy a betegnek lupusa volna. Ez az egyik legfiatalabb diagnosztikai képalkotó módszer (fMRI az eljárás neve, MR a készüléké): a japán Ogava Szeidzsi 1990-ben dolgozta ki az eljárás alapjait.

F betű nélküli, azaz nem funkcionális MRI vizsgálatok már korábban is léteztek (a hetvenes évek vége óta), de csak fMRI-vel lehet az agy működését is vizsgálni. Az MR-ben erős mágneses térbe helyezik a beteget, és rádióhullámokkal gerjesztik a páciensben levő hidrogént, ami az egész testben megtalálható, leginkább a szervezetünket 70 százalékban alkotó vízben. A gerjesztett hidrogénprotonok leadják a kapott plusz energiát, amit a gép mérni tud, metszeti képeket és háromdimenziós modellt készít az agyról. Ez ijesztően hangozhat, de a tudomány mai állása szerint sem az erős mágneses mezőnek, sem a rádióhullámoknak nincs olyan káros hatásuk, mint például a röntgensugárzásnak.

Az fMRI ezt a rendszert fejlesztette tovább Ogava felfedezésével, ami arra a megfigyelésre épül, hogy ha aktivizálódik egy agyterület, megnő az oxigénszükséglete, s ennek következtében a régió véráramlása is fokozódik. Itt az oxigént szállító hemoglobinok aránya növekszik az oxigént leadott szállítómolekulákéhoz (deoxihemoglobinokhoz) képest, ami a mágneses mező homogenitásának lokális megváltozásával jár. Ez az elkészült MRI felvételeken is megjelenik, és megfelelő fMRI elemzési módszereket használva színes foltokkal lehet ábrázolni az agyműködést az anatómiai MRI-metszeteken. Az fMRI tehát nem idegi jeleket mér, hanem a vérben végbemenő változást – emiatt több kritika is érte már, de abban a kutatók egyetértenek, hogy szándékos külső inger által kiváltott válasz esetén teljesen megbízható a módszer.

A mágneses tér erősségét jelző mágneses indukciót teslában mérik. A diagnosztikában használt legerősebb fMRI-k 3 teslás berendezések (összehasonlításképpen: az LHC részecskegyorsító egyik fő detektora, a CMS 4 teslás teret hoz létre), Vidnyánszky figyelmezteti is a fotósunkat, hogy ne menjen közel a készülékhez. Egyébként kutatási célokra építettek már 7 teslás monstrumokat is. Ezek a kísérleti berendezések már akkorák, hogy általában önálló épületet vakolnak fel köréjük. „Ha valahol 7 teslás fMRI-t építenek, ott az acélrészvények árfolyamát is figyelemmel követik, mert rengeteg nyersacél kell egy ilyen készülékhez” – meséli Vidnyánszky.

Mozdulatlan szemek

A Semmelweis Egyetem MR-je 3 teslás készülék, az egyetem két és fél éve szerezte be, ez volt az első fMRI az országban (azóta lett még kettő, Pécsen és Szombathelyen). Akkor ez volt a legkorszerűbb 3 teslás berendezés, de a magyar kutatók az azóta történt upgrade-eket is beszerezték, és kutatási fázisban levő fejlesztésekhez is hozzájutottak. Ez többek közt azért sikerült, mert Vidnyánszkyék pályázatokkal két európai hálózatba is bekapcsolódtak, és napi kapcsolatban vannak a kontinens fMRI-szakértőivel. „20-30 fős csapat kell például ahhoz, hogy az elemző szoftvereket folyamatosan korszerűsítsék, ilyen műhelyt reménytelen Magyarországon megteremteni. Viszont a kutatási hálózatokon keresztül hozzáférünk a legújabb fejlesztésekhez” – mondja a kutató.

Meglepő lehet, de az MR-eket gyártó cégek nem adják a berendezéshez az fMRI kutatásokhoz szükséges műszereket és szoftvereket. „Amit itt látsz körben, az mind saját fejlesztés” – mutat Vidnyánszky a készülék irányítótermében levő monitorokra, pc-kre és orvosi kütyükre. „A kutatási környezet kialakítása nagyon sok pénzbe került, a készülék és a környezet együtt több százmillió forint volt. Csak ez került ötvenezer euróba” – mutat egy fekete dobozra, aminek a kijelzőjén négy fehér pötty látszik.

A doboz a beteg szemmozgását követi, ami igen fontos a vizsgálat során. Az agy ugyanis mindenre reagál, ami azt jelenti, hogy a kísérletek során sok zaj keletkezik a mért jelekben – ilyen zaj lehet például az is, ha megmozdul a páciens szeme. Persze a végzett kísérlettől függ, hogy mit kell tennie a betegnek akár a szemével akár más testrészével, de általános érvényű szabály, hogy úgy kell kialakítani a kísérletes környezetet, hogy lehetőleg csak azok a változások történjenek az agyban, amiket mérni akarnak a kutatók.

Az egyetemi MR-ben fekvő lánynak például nem szabad mozgatnia a szemét. Ez persze nem lehetséges, ezért a rendszer az említett fekete dobozzal figyeli a szemmozgást, és megpróbálja kiszűrni az ebből származó zajt (előtte a rendszer bekalibrálja a páciens szemét és agyát). A hölgynek egyetlen feladata van csak, hanyatt fekve, gombnyomással szortírozni az arca elé vetített, felvillanó pixelfelhőket. Ilyen egyszerű feladatokra redukálják a legtöbb fMRI-s kutatást, hogy minél pontosabban követhessék a külső ingerekre adott agyi válaszokat. A médiában ugyan hallani olyan szenzációkról is, hogy megnézték fMRI-vel az agyban a szerelemközpontot, de ezek a cikkek a bulvártudomány területére utalhatók. Egy ilyen komplex érzéshez, fogalomhoz, mint a szerelem ugyanis annyi asszociáció társul, hogy teljesen reménytelen vállalkozás azonosítani azokat az agyi aktivitásokat, területeket, amelyek csak a szerelemhez kapcsolhatóak. A fekete alapon fehér pixelekre adott válaszokat viszont viszonylag pontosan lehet követni.

Holtig tanulhatunk

Ha gondosan és precíz feladatmérési paraméterekkel alakítják is ki a kísérletes környezetet, még akkor is hosszadalmas munka árán jutnak megbízható eredményhez a kutatók. Sokat kell ismételni az egyszerű feladatokat, mert csak a sok hasonló eredményből lehet kibányászni az érdemi felfedezést. Vidnyánszkyék kísérleteiben az alany egy alkalommal másfél-két órát fekszik az MR-ben, ezt nagyjából 15 alkalommal megismétlik (néha pihent aggyal, néha úgy, hogy az alany a vizsgálat előtt sokat tanul). Ennek persze irdatlan költségvonzata van, és nemcsak azért, mert az alanyoknak pénzt kell adni ezért a hosszas szenvedésért, hanem azért is, mert az MR működtetése óránként nagyjából 35-40 ezer forintba kerül. A kutatás költségeinek előteremtése ezért legalább akkora kihívás, mint maga a kutatás.

A magyar tudósok kutatása az emberi tanulás folyamatával foglalkozik, azon belül azzal, hogy miként tanuljuk meg kiszűrni a nem fontos információkat, milyen szűrőmechanizmus segíti az információk feldolgozását az agyban. Erről a mechanizmusról szinte semmit nem tudunk, viszont kritikus kérdés több betegségben, például a figyelemzavarban (ADHD) és diszlexiában. Vidnyánszky és kollégái a diszlexia és a tompalátás kutatásában használják fel eredményeiket, jelenleg éppen diszlexiás és tompalátó felnőtteket keresnek. (A tompalátás a látásélesség és egyéb látásfunkciók többnyire féloldali gyengesége, az adott oldalon a gyengébb látásélesség szemüveggel sem korrigálható. Oka lehet a két szem közötti nagy dioptriakülönbség, gyermekkori kancsalság, született szürkehályog, melynek következtében a beérkező információ agyi feldolgozása nem elég hatékony.)

„Ráerőltetünk a betegekre egy szelekciós gyakorlatot, azt mondjuk nekik, hogy bizonyos vizuális információk fontosak, mások nem” – utal a kutató a pixelfelhős feladatra. „Ha egy héten át gyakoroltatjuk őket, azt kapjuk, hogy az agy nagyon szépen megtanulja, mi a fontos információ és egyre hatékonyabban szűri ki azt ami lényegtelen – úgy, hogy ha utána külön-külön mutatjuk a páciensnek a különböző mozgásirányokat, az agy specifikus kis mozgásközpontjában sokkal erősebb aktivációt kapunk arra, ami fontos volt.”

A felnőttkori tanulás kutatása során, ami az egyik legizgalmasabb terület a kognitív idegtudományokban, a tudósok megpróbálják megtalálni azokat a folyamatokat, amik hatékonnyá teszik a felnőttkori tanulást. Vidnyánszkyék eddig két felfedezést tettek, illetve erősítettek meg: egyrészt azt, hogy akkor működik jól a tanulás, ha nagyon nehéz a feladat, vagyis teljesítőképességünk határán vagyunk, másrészt azt, hogy a jutalmazás hihetetlenül fontos a tanulásban. E két tényezőre egyébként külföldön már kognitív tréningek épülnek, ADHD-s betegeknek például már létezik terápiás feladatcsomag.

Fájdalom az agyban

A jövőben a kutatók szeretnék, ha az egyetemi MR 50-50 százalékban szolgálna diagnosztikai és kutatási célokat. Jelenleg az arány 60-40 a diagnosztika javára (persze előre betáblázott munkarendről beszélünk, nincs olyan, hogy ötletszerűen berántanak egy beteget a készülékbe, mint a tévés kórházsorozatokban). „A funkcionális neurobiológiai képalkotó módszerek terén jó ideig elmaradásunk volt, de most már sok diákunk van és egyre több a külföldi kapcsolatunk. Egy-két éven belül rendesen ki tudjuk használni a kutatási lehetőségeket” – fogalmaz Vidnyánszky.

Egy ilyen lehetőség például biomarkerek kidolgozása különböző hatóanyagok hatékonyságának mérése. Ilyen projekt például a fájdalomcsillapító gyógyszerek hatásvizsgálata: eddig többnyire úgy zajlott ez, hogy a kísérleti betegek szubjektíven számoltak be arról, hogy mekkora fájdalmat éreznek. Viszont fájdalom esetén létezik az agynak egy aktivizációs mintázata, ami jól megfigyelhető, és általa objektívebb képet kaphatnak az orvosok az egyes fájdalomcsillapítók hatásáról.

„Az gyógyszerkutatásnak évtizedek óta nem sikerült hatékony új központi idegrendszeri gyógyszert kifejlesztenie” – mondja Vidnyánszky. „Az fMRI-kutatás azért került a figyelem központjába, mert lehetőséget nyújt például a fájdalom vagy érzelmi zavarok agyi folyamatainak megértésére és ezen nagyon komplex jelenségek különböző komponenseinek azonosítására. Ennek eredményeként sokkal specifikusabban lehet mérni a gyógyszerek és terápiás eljárások hatásait.”