עמוד הבית > מדעים > רפואה וקידום הבריאותעמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים > מערכות הדמייה
גליליאו : כתב עת למדע ומחשבה


תקציר
המוח חבוי תחת עצמות הגולגולת, אינו משמיע קול ואינו זע. לפיכך ניתן לבחון את תקינות מבנהו ולמפות את תפקודיו רק בשיטות המתוחכמות שפותחו בעשרות השנים האחרונות, המבוססות על עיבוד ממוחשב של נתונים הנאספים בעזרת גלאים מתאימים. שיטות אלו חוללו מהפכה כמותית ואיכותית בידע שלנו על מוח האדם.



מיפוי פנימה : על שיטות דימות של המוח ומיפוי תפקודיו
מחבר: צבי עצמון


שיטות המיפוי הוותיקות של הגוף (רנטגן למשל) אינן יכולות למפות את המוח. פריצות הדרך הגדולות בתחום הושגו תוך שיתוף תחומי מחקר שונים (מחשבים, כימיה, פיזיקה גרעינית ועוד), והיום יודעים החוקרים למפות תהליכים חשיבתיים בזמן התרחשותם – כולל דקויות כמו זיהוי תופעות שמאפיינות פסנתרנים מומחים או חירשים. אפילו תהליכים רגשיים שקורים בתת ההכרה אינם חומקים מעיני החוקרים.

אם כואבת לך הבטן או שאתה סתם חש ברע, הרופא יכול למשש את הכבד ולהבחין אם הוא מוגדל, או לבחון באצבעותיו את בלוטות הלימפה והתריס, ובמקרים רבים לאבחן במגע עצם שבורה או פריקה. הוא גם יכול להאזין לרחשי הלב (כמובן, רק לקולות הזרימה) ולמעבר האוויר בדרכי הנשימה או לטפוח על החזה וללמוד על מצב הריאות (בהצלחה רבה יותר מאבחוני טפיחה בדוכני אבטיחים).

אבל מה יכול לעשות רופא מוח? הרי הוא צריך לבחון רקמה רכה, המוגנת בעצמות הגולגולת המוצקות; אי אפשר למשש, אין קולות לשמוע. אכן, אבחון מצבו המבני של המוח אינו משימה פשוטה, קל וחומר אבחון התפקודים של אזורי המוח השונים – מיפוי תפקודיו.

יד ענוגה היתה לה, וקצת מוח

בנובמבר 1895 גילה וילהלם קונרד רנטגן כי קרניים הבוקעות ממתקן המכונה "שפופרת קרוקס" (שפופרת קרני קטודה) גורמות לחומרים מסוימים, כמו בריום פלטינו-ציאניד, BaPt(CN)4, להאיר באור זוהר. עד מהרה גילה רנטגן כי קרניים אלו יכולות גם להשחיר לוח צילום, אפילו אם בין השפופרת ללוח מונח קרטון שחור.

רנטגן לא הצליח לעמוד על אופיין הגלי של הקרניים שגילה. המשימה לא היתה פשוטה כלל וכלל, שהרי אורך הגל של קרניים אלו, כך התברר בהמשך, קצר בהרבה מהאור הנראה והעל-סגול שהיה מוכר באותה עת. הוא קרא לקרניים המסתוריות הללו "קרני X”. כחוקר טוב, הוא הקדיש ימים ולילות לחקר תכונות הקרניים שלו (שאכן קרויות לעתים קרובות על שמו). רנטגן הציב לפני לוח הצילום חפצים וחומרים כמו ספר עבה, עץ, זכוכית, אלומיניום, בדיל, וכן – את ידה הענוגה של פראו רנטגן, אשתו. יד זו שינתה לעד את פני האבחון הרפואי. שבועות אחדים (!) לאחר שפרסם רנטגן את תגליתו כבר השתמשו רופאים בשפופרות קרוקס לאבחון שברים בעצמות. עצמות ועצמים שמששת ימי בראשית היו נסתרים מן העין הפכו לפתע גלויים, ומושג חדש שטף את העולם: צילומי רנטגן. בקרני X החלו להשתמש לא רק כדי לאבחן שברים, אלא גם חורים בשיניים, אבנים בכיס המרה ובכליות, קליעים וגופים זרים שחדרו לגוף ועוד. רנטגן היה ראשון מקבלי פרס נובל בפיזיקה (1901); בדיעבד – אולי הגיע לו גם פרס ברפואה.

כדי שניתן יהיה לעשות שימוש רפואי בקרני X צריך שיהיה הבדל במידת הבליעה, כלומר – בצפיפות האופטית, בין האיבר שמבקשים לבחון, לבין הרקמות שסביבו. מאחר שעצם בולעת פוטוני X הרבה יותר מאשר שרירים ועור, קל לזהות עצמות בצילומי X, ומאותה סיבה קל לאתר קליע שחדר לבשר. אבל אזורי המוח השונים בולעים קרני X במידה דומה מאוד, כך שלצילומי רנטגן היה שימוש מוגבל מאוד כשמדובר באיבר המוגן בעצמות הגולגולת – המוח.

עשיתי סי.טי

המהפכה הבאה בתחום בחינת איברי הגוף הפנימיים לא התחוללה בעקבות גילוי קרניים מסוג חדש או לוחות צילום רגישים. היא באה בעקבות המחשבים, ומושג חדש כבש את עולם האבחון: טומוגרפיה ממוחשבת, Computed Tomogaphy) CT). לא עוד צילום אחד שעושה היטל דו-ממדי של פנים הגוף התלת ממדי, אלא סריקה (scan) סביב-סביב, סדרה של צילומים מזוויות שונות ושחזור ממוחשב של המבנה הפנימי.

כשמדובר במוח, מדובר ביותר משיפור מהפכני. זו היתה פריצת דרך: בצילום רנטגן רגיל נראים כל חלקי המוח כאיזור כמעט אחיד, וההבדלים הם כה זעירים, עד שאינם תורמים לניתוח התמונה. כשהבדלים אלה נמדדים ב-CT בזוויות רבות, הם מספיקים כדי ליצור את תמונות הדימות (imaging) הברורות.

המהנדס הבריטי גודפרי האונספילד (Hounsfield) פיתח ב-1971 את מכשיר ה-CT הראשון שעשו בו שימוש מעשי. הרופאים קיבלו בעזרתו פי מאה יותר מידע על רקמת המוח ממה שניתן היה לחלץ מצילום רנטגן רגיל.

האונספילד לא פעל בחלל ריק. כבר בשנות השישים השתמש קהל (Kuhl) במחשב לקבלת תמונות חתך של הגוף, שיטה שעברה פיתוח נוסף בתחילת שנות השבעים על ידי קהל ואדוורדס (Edwards), אלא שהם התבססו על איזוטופים רדיואקטיביים המוחדרים לגוף הנבדק ולא על קרני X.

המכשיר של האונספילד היה יעיל אך איטי ביחס למכשירים החדישים: הנתונים הגולמיים נאספו במשך כחמש דקות, ועיבודם הממוחשב לתמונה טומוגרפית נמשך עשרים דקות. כיום, זמן איסוף הנתונים עומד על שנייה אחת (ובדגמים מסוימים פחות) ותהליך הדימות הממוחשב מסתיים בכחמש שניות.

בסורקי ה-CT הראשונים השתמשו במקור השולח אלומה צרה של קרני X מקבילות, ומולו גלאי של קרני X. האלומה והגלאי סובבו את הנבדק בדילוגים של מעלת-קשת עד שהשלימו 180 מעלות סביב הנבדק. הפיתוח הבא היה שימוש באלומת קרניים מתפרשת; עיבוד הנתונים שהתקבלו הפך מורכב הרבה יותר מאשר באלומה צרה, אך משך הסריקה התקצר פי עשרה, לחצי דקה. ב-1976 כבר הוצג "הדור השלישי" של סורקי CT, ושוב התקצר משך התהליך במידה ניכרת, ועמד על שנייה אחת. בדור החמישי של סורקי CT אין כלל חלקים שנעים מכנית – הגלאים עצמם קבועי מקום, בעוד קרן של אלקטרונים שפגיעתם יוצרת קרני X מוזחת באופן אלקטרוני. בשיטה זו ניתן לקבל נתונים גולמיים מלאים בחמישים אלפיות השנייה. פרט לכך שאפשר ללכת הביתה כמעט שנייה מוקדם יותר, זמן סריקה כה קצר מאפשר, למשל, סריקת CT של לב חי ופועם מבלי שייראה עיוות עקב תנועותיו.

ה-CT העניק עיניים לרופאים-נוירולוגים, ופרץ דרך בחקר תפקודי המוח. קודם לכן, כשהיתה מתגלית בחולה בעיה תפקודית מוחית – למשל, איבוד כושר פענוח דיבור (אפזיית ורניקה); או איבוד מוחלט, בן לילה, של היכולת להבחין בצבעים (אכרומטופסיה קורטיקלית) – צריך היה חוקר המוח להמתין בסבלנות עד מותו של החולה כדי לבחון איזה חלק במוחו נפגע. פעמים רבות לא עמדה לו סבלנותו, והוא הסתלק לעולם שכולו טוב עוד לפני החולה שלו, או שמשפחת החולה שנפטר התנגדה לביתור הגופה. והנה, בבת אחת ניתן היה לזהות את חלק המוח שנפגע – האיזור האחורי-עליון של אונת הצדע השמאלית במקרה של אפזיית ורניקה; איזור V4 (ויש המכנים אותו V8) בחלק האחורי של קליפת המוח במקרה של עוורון צבעים מוחי; או החלק האחורי של אונת הקודקוד הימנית, במקרה של שיתוק שמאלי והתעלמות (neglect).

שנות השבעים ותחילת שנות השמונים היו שנותיהם היפות ביותר של סורק CT, אחר כך נדמה שהבכורה עברה לסורקי ה-MRI.

נמ"ר בעור של מר"י

הביולוג ריצ'רד דוקינס הוא שהמציא את המושג "מם" (meme), לציון יחידת מידע המופצת באוכלוסיה – מנגינה, מונח, אמונה, רעיון, ומשמשת בתהליך האבולוציה של רעיונות בתפקיד דומה לזה של הגן (gene) באבולוציה של אורגניזמים. ה"מם" של איסוף ועיבוד כמות גדולה של נתונים לצורך דימות תלת ממדי החל להפרות כיווני מחקר שונים, למשל ב-NMR.

NMR (תהודה מגנטית גרעינית; ובעברית נמ"ר כתרגום ישיר לראשי התיבות האנגליים) – שהתחילה כשיטת אנליזה כימית – מבוססת על השפעת שדה מגנטי על גרעיניהם של אטומים, שיש בהם פרוטונים או נויטרונים שהם חסרי בני זוג. גרעיני אטומים כאלה – כגון גרעין המימן (שאינו אלא פרוטון בודד) – מהווים בעצמם מעין מגנטים זעירים. את מקור המגנטיות ניתן להסביר, לפחות באופן ציורי, בתנועת סיבוב של כל נוקליאון (פרוטון או נויטרון) סביב צירו. אם מכניסים חומר המכיל גרעיני אטומים כאלה (למשל, תרכובות המכילות מימן, כגון מים או תרכובות אורגניות) לתוך שדה מגנטי חזק, מסתדר ציר המגנט של כל גרעין על פי השדה המגנטי החיצוני. עתה מופיעה תנועה נוספת, תנועה המכונה פרצסיה precession), בעברית: נקיפה),משל לסביבון המתנודד סביב צירו. בפרוטונים, לתנועה זו תדירות המושפעת באופן חד מן השדה המגנטי החיצוני המופעל על החומר.

והנה, אם – בנוסף לשדה המגנטי שמפעילים על דגימת החומר – משדרים אליו גלי רדיו בתדירות המתאימה לתדירות הפרצסיה, יבלעו גרעיני האטומים קרינת רדיו זו. אומרים שיש תהודה (רזוננס) בין הגרעינים לגלי הרדיו, ומכאן השם NMR – Nuclear Magnetic Resonance. כשמפסיקים לפתע את קרינת הרדיו, גרעיני האטומים משחררים את האנרגיה בצורת קרינה ואנרגיות קרינה זו נמדדת בעזרת גלאים מתאימים, המתרגמים את השינויים בשדה המגנטי לזרמים חשמליים. הקרינה הנפלטת חוזרת למצבה שלפני בליעת הקרינה ותהליך זה נקרא הפגה (relaxation). שני קבועי-זמן הפגה שונים מודדים אנשי הנמ"ר בניסוייהם, 1T ו-2T.

גודל האות (סינגל) המתקבל מן הדגימה עבור המימן תלוי בריכוז המימן בדגימה, ובערכי 1T ו-2T. מדידת מספר אטומי מימן בדגימת חומר מסוים היא בדרך כלל מטלה כימית פשוטה. ואולם – והנה משפט המחץ של הסיפור: ערכי 1T, 2T, תלויים בתווך (מדיום) שבו נמצאים אטומי המימן; בשומן הערכים שונים במובהק מאשר במים, למשל. מכאן שבעזרת נמ"ר הנעשה על אטומי מימן ניתן ללמוד רבות על תכונות התווך, ובגוף – על תכונות הרקמה.

"ג'י", אמר לעצמו מן הסתם ריימונד דמאדיאן (Damadian) – שלמד מוזיקה, מתימטיקה ורפואה ועסק בחקר תאים חיים בשיטות נמ"ר, "הרי אפשר לעשות טומוגרפיה גם ב-NMR”. ואכן, בשנת 1977 ערכו דמאדיאן וצוותו סריקת נמ"ר ראשונה של אדם. כך, שיטה שפותחה עבור בדיקת חומרים במבחנות זעירות עברה הסבה, בעזרת ה"מם" של טומוגרפיה ממוחשבת, לבדיקת איברים בגוף האדם.

ואז, בוקר בהיר אחד, פשתה בהלה בקרב הרופאים: החולים ישמעו את המלה "גרעינית", ייזכרו בהירושימה ויברחו. כמעט בן לילה נגוז המונח NMR (נמ"ר), ובמקומו הופיע מונח נחמד יותר: MRI (Magnetic Resonance Imaging), ובעברית – דימות בתהודה מגנטית. החולים נשמו לרווחה וחזרו למלא את חדרי ההמתנה.

רופאים וחוקרים החלו לקבל תמונות דימות נפלאות של המוח במישורי חיתוך שונים, וחולים החלו להינות מאבחון מדויק יותר. החיסרון הגדול של השיטה הוא עלות המערכת, הנובעת במידה רבה מהאלקטרומגנטים האדירים הדרושים ליצירת שדה מגנטי מספיק חזק סביב איברי הנבדק – השדה המגנטי המשמש לדימותי MRI חזק פי 200-20 אלף מן השדה המגנטי של כדור הארץ. מצד שני, לשיטה זו יתרונות רבים על CT.

תכולת המימן ברקמות הרכות השונות דומה למדי, אבל יש ביניהן הבדלים גדולים בערכי 1T ו-2T, ומכאן כושר ההבחנה המעולה של השיטה בין רקמה לרקמה, בין חומר לבן (העשוי סיבוני עצב עטופי מיילין) לחומר אפור (המורכב מגופיהם של תאי עצב), בין איזור חי לאיזור שעבר נמק. כמו כן, על ידי שימוש בשדות מגנטיים חיצוניים המשתנים באורח רציף (גרדיאנטים של שדות מגנטיים) ניתן אף ליצור דימות תלת-ממדי של המוח.

מאחר שבשיטה זו אין שימוש בקרינה מייננת, ועד כמה שידוע היא נקייה מתופעות לוואי שליליות, ניתן להשתמש בה באורח חוזר על נבדקים בריאים, למשל כדי לעקוב אחרי השינויים המתרחשים במבנה המוח במהלך ההתפתחות וההתבגרות. כך למשל גילו גיאד (Giedd) כי בעוד שכמות החומר הלבן גדלה והולכת באורח קבוע במהלך ההתבגרות, כמות החומר האפור גדלה לקראת ההתבגרות וקטנה לאחר ההתבגרות.

קצת ריספקט ל-SPECT

תאר לעצמך שאתה בא לרופא ומתלונן שאינך מרגיש טוב. הוא שולח אותך לבדיקה ואומר: אדוני, בלב שלך שתי עליות ושני חדרים; כלומר הכל בסדר אצלך, קח אקמול ולך הביתה. סביר להניח שאם תשרוד את האירוע, לא תחזור לאותו רופא. שהרי גם אם כל המבנים נראים תקינים, מה שקובע, בסופו של דבר, זה התפקוד, הפעילות. המוח אינו פועם, אינו משמיע קולות ואינו מפריש שתן – כיצד, אם כן, ניתן לבחון את תפקודו? כאן באות שיטות הדימות התפקודיות, שהביאו איתן מהפכה עמוקה בהבנתנו את מוח האדם. שיטות אלו הן SPECT, PET, MRI-תפקודי ו-MEG.

SPECT הן ראשי התיבות של "טומוגרפיה ממוחשבת של פליטת פוטון יחיד"1. העקרון הוא פשוט למדי: מחדירים לנבדק כמות קטנה של חומר רדיואקטיבי המגיע לרקמות השונות ומצטבר בכל אחת על פי מידת פעילותה, קצב זרימת הדם אליה, תכונותיה הכימיות, והקולטנים לשליחים עצביים (טרנסמיטרים) השוכנים בה. החומר הרדיואקטיבי פולט פוטונים אנרגטיים (הכוונה לפוטוני גאמא, גבוהי אנרגיה) החולפים-עוברים מבעד לרקמת המוח, הגולגולת ועור הקרקפת. עתה רק צריך "לצוד" את הפוטונים בעזרת גלאים מתאימים. הגלאי מקיף את הראש והוא מכיל חומר נצנוץ (scintillation), כמו למשל יודיד הנתרן. בליעת פוטון גאמא גורמת לחומר הנצנץ לפלוט פוטון של אור נראה.

אין די בזיהוי פוטוני הגאמא ובספירתם. כדי למפות את המוח יש לשחזר את המקור שממנו בקעו פוטונים אלה, שהרי המטרה היא מיפוי פעילותן של רקמות המוח. לצורך זה, מותקן בין הנבדק לבין חומר הנצנוץ מקבל (קולימטור) – מערך של כעין תעלות צרות וישרות מעופרת. רק פוטוני גאמא שנעים בכיוון המקביל לתעליות יעברו דרך המקבל וייבלעו בחומר הנצנוץ; פוטונים הנעים בכל זווית אחרת ייכנסו לפתח התעלית, ייבלעו בעופרת, ולא נודע כי באו אל קרבה. זהו, אגב, אחד מחסרונות ה-SPECT – רבים מן הפוטונים אובדים ואינם תורמים למיפוי.

לדימותי SPECT משתמשים באיזוטופים בלתי יציבים, למשל יוד-123 (I-123) וטכניציום-99m (99m-Tc), שגרעיניהם פולטים קרינת גאמא; כל גרעין פולט פוטון גאמא בודד. האיזוטופים אינם מוזרקים לגוף כמות שהם, אלא כחלק מתרכובות אורגניות המועברות עם זרם הדם.

יש חומרים אורגניים מכילי יוד הנקשרים ספציפית לקולטנים של שליחים עצביים (טרנסמיטרים) או למנגנוני העברה שלהם לתאים (טרנספורטרים). תוך שימוש ביוד-123 ניתן, למשל, לאבחן מצב של חולה במחלת פרקינסון, הנגרמת בשל התנוונות של איזור מוגדר במוח (גרעין "החומר השחור"), שבו שוכנים תאים המפרישים את הטרנסמיטר דופאמין.

תרכובות אורגניות המכילות טכניציום הן פחות ספציפיות, ומשתמשים בהן בעיקר כדי לעקוב אחר קצב זרימת הדם – המעידה על קצב הפעילות העצבית באזורי המוח השונים. בעזרת תרכובות טכניציום-99m ניתן למשל לזהות מוקד אפילפטי כהכנה לסילוקו בניתוח: מיד בתום ההתקף מזריקים לחולה תרכובת אורגנית המכילה טכניציום-99m ועורכים דימות SPECT. קצב זרימת הדם למוקד האפילפטי, שפעילותו העצבית היתה גבוהה ביותר במהלך ההתקף, מוגבר זמן מה לאחר ההתקף, וכך ניתן לזהות את המוקד הגורם להתקפי האפילפסיה, ולסלקו בניתוח. זרימת הדם אל איזור שנפגע במוח היא איטית, וכך ניתן לזהות בעזרת SPECT אזורים פגועים, ואף לעקוב אחר יעילות של שיטות הריפוי.

כושר ההפרדה (רזולוציה) הנמוך הוא עקב אכילס של ה-SPECT; זו גם הסיבה שתמונות SPECT נראות מטושטשות מעט, במיוחד בהשוואה לשיטות דימות אחרות. יש גם בעיה של בליעה ופיזור של פוטוני הגאמא בתוך המוח, כך שכדי לדייק יש להוסיף למחשב תוכנת תיקון עבור הנתונים מחלקי המוח הפנימיים יותר. מצד שני, הבדיקה פשוטה יחסית מבחינת לוגיסטית, ולפיכך גם זולה יחסית ומופעלת במרכזים רפואיים רבים.

מפת ה-PET

גרעיני אטומים שיש בהם עודף פרוטונים ביחס לנויטרונים הם בלתי יציבים (יוצא מן הכלל הוא כמובן גרעין המימן, פרוטון בודד, שהוא יציב ביותר). אחת הדרכים להיפטר מאי-היציבות היא הפיכת פרוטון לנויטרון.

מתברר שיש גרעינים בלתי יציבים שנוקטים בדיוק בדרך זו, המכונה "פליטת ביתא פלוס". בתהליך זה פולט הגרעין הבלתי יציב שני חלקיקים: פוזיטרון ונויטרינו. מהנויטרינו נוכל להתעלם, ומסיבה טובה: הוא עצמו חולף מבעד לגופנו כאילו לא היינו קיימים. הפוזיטרון, לעומתו, אינו יכול להתקדם מרחק רב בגופנו. חלקיק זה הוא האנטי-אלקטרון, כלומר חלקיק בעל תכונות זהות לאלקטרון אך בעל מטען חשמלי חיובי (בניגוד לאלקטרון שהמטען שלו שלילי), ומכאן שמו. המטען החיובי שהוא מסלק מן הגרעין מאפשר הפיכת פרוטון חיובי לנויטרון חסר מטען חשמלי.

כשפוזיטרון נפגש באלקטרון – חלקיק והאנטי-חלקיק שלו – הם עוברים איון (אניהילציה) הדדי; שני החלקיקים "נמחקים", המאסה שלהם נעלמת תוך שהיא הופכת לאנרגיה (בצורת קרינת גאמא). הפוזיטרון נפלט מן הגרעין הרדיואקטיבי במהירות עצומה, וכדי לעבור איון עם אלקטרון עליו להאט תחילה. זאת הוא עושה במהלך מסע קצר ברקמת הגוף. כשמתאיינים הפוזיטרון והאלקטרון, הופכת המאסה של שניהם לזוג פוטונים. למה זוג? אם היה נוצר פוטון בודד הנע בכיוון מסוים (ופוטון חייב לנוע), היה נוצר תנע יש-מאין. חוק שימור התנע מחייב היווצרות שני פוטונים שווי גודל (שווי אנרגיה) הנעים בכיוונים הפוכים, כך שהתנע של האחד מבטל את השני (בעוצמה ובכיוון). על תופעה זו מבוססת שיטת ה-PET – טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (Positron Emission Tomography).

שוב, יש צורך בהחדרת איזוטופ רדיוקטיבי לגוף הנבדק, בגלאי של פוטוני גאמא וביצירת אותות חשמליים העוברים למחשב מעבד, אבל אין צורך במקבל. די בזיהוי זוגות של פוטונים מנוגדי-כיוון, כדי לזהות את הקו שעליו חלה ההתפרקות הרדיואקטיבית. פירוש הדבר הוא "יבול" רב הרבה יותר של פוטוני גאמא, יחסית לשיטת ה-SPECT. סביב ראשו של הנבדק מסודרים גלאי גאמא רבים המחוברים בזוגות. אם שני גלאים נגדיים מזהים בה בעת שני פוטוני גאמא, מתיחסים אליהם כאל אירוע יחיד של "פליטת ביתא פלוס", שהתרחש לאורך הקו המחבר את שני הגלאים.

האיזוטופים הרדיואקטיביים העיקריים המשמשים ב-PET הם פחמן-11, חנקן-13, חמצן-15 ופלואור-18. איזוטופים אלה ניתן לכלול במגוון עצום של תרכובות המשתתפות בתהליכים שונים בגוף. למשל, לצורך מיפוי אזורי המוח הפועלים בעת ביצוע תהליכים שונים (שמיעת צלילים, פיענוח דיבור, זיהוי תנועה בעולם החזותי, קריאה או לימוד) מוזרקים לדם מים המכילים חמצן-15 (H2O15). יותר פוזיטרונים ייפלטו מאזורי המוח הפעילים ברגע הבדיקה, מפני שלאזורים הפעילים מגיע יותר דם. זמן מחצית-החיים של חמצן-15 הוא שתי דקות, כך שכעבור ארבע דקות כמות האיזוטופ קטנה פי ארבעה, כעבור עשרים דקות פי 1,024 וכעבור זמן לא רב כמעט שלא נותר חמצן רדיואקטיבי בגוף.

דרך נוספת להתחקות אחר אזורי מוח פעילים היא שימוש בפלואור-18 דאוקסיגלוקוז. תאי המוח משתמשים בגלוקוז המובל אליהם בדם כמקור לאנרגיה. פלואור-דאוקסיגלוקוז חודר לתאים ממש כאילו היה גלוקוז, אך אינו יכול להתחמצן, ולפיכך מצטבר בתאים. אם הפלואור בתרכובת הוא פלואור-18 הפולט פוזיטרונים, ניתן לזהות אזורים בהם תאי המוח פעילים יותר.

לשיטת ה-PET מגבלת כושר הפרדה (רזולוציה) מובנית: כדי שהפוזיטרון יתאיין עם אלקטרון תוך יצירת זוג פוטוני גאמא, קודם כל עליו להאט מאוד את מהירותו, האטה הנעשית תוך כדי מסעו ברקמת הגוף. פירוש הדבר הוא כי נקודת האיון מרוחקת מספר מ"מ מנקודת ההתפרקות הרדיואקטיבית. עדיין מדובר בהפרדה טובה במידה ניכרת מהפרדת ה-SPECT.

האיזוטופים המשמשים ב-PET הם קצרי קיום, לכן צריך מכון PET להיות מצויד גם בציקלוטרון (מכשיר המאיץ פרוטונים למהירויות עצומות ומכוון אותם לשם יצירת האיזוטופים). לאחר הכנת האיזוטופ יש למהר ולערוך ריאקציה כימית להכללתו בתוך המולקולה המתאימה (מים, למשל, או פלואור-דאוקסיגלוקוז), ואז יש לרוץ (כן, לרוץ) ולהזריקו לנבדק כדי להספיק לערוך את הניסוי והדימות. למרות הלוגיסטיקה המורכבת והיקרה, שיטה זו מאפשרת לפצח סודות מופלאים של המוח ותפקודיו.

נראה שהשימוש המסעיר ביותר ב-PET הוא במיפוי אזורי המוח הפועלים בביצוע מטלות קוגניטיביות "גבוהות", כמו פיענוח דיבור ומיפוי "החשיבה עצמה". למשל, אתה יכול להציג בפני נבדק עצם כלשהו – נאמר, תפוז, ולבקש ממנו לחשוב (רק לחשוב) על פעלים הקשורים לעצם זה (לאכול, לסחוט, לקטוף). כשעורכים את ההשוואות והקיזוזים המתאימים (לראות תפוז מבלי לחשוב על פעלים הקשורים בו) ניתן, למפות בעזרת PET תהליכי חשיבה.

ואם במפות עסקינן: אלינור מגוואייר (Maguire) ועמיתיה מיפו בעזרת PET היכן הם אזורי הניווט במוח. הם הציגו בפני נבדקים עיר וירטואלית וביקשו מהם לנווט את דרכם ממקום אחד למשנהו. אזורי המוח ש"נדלקו" ב-PET היו ההיפוקמפוס הימני ואונת הקודקוד. ואם לפתע חסמו החוקרים צירים מסוימים בעיר הווירטואלית, כך שהנבדק צריך היה לחפש דרכים עוקפות, "נדלקה" גם אונת המצח השמאלית – אונה זו נכנסת לפעולה כשצריך לתכנן ולהחליט החלטות.

למרות הכל, חשוב לזכור שבנוסף לבעיות הלוגיסטיות, לחשיפה של החולה לחומרים רדיואקטיביים ולרזולוציה הנמוכה יחסית שלה, שיטת ה-PET אינה עוקבת במישרין אחר הפעילות המוחית עצמה, אלא אחר השינויים בזרימת הדם ובחילוף החומרים בעקבות פעילות מקומית נמרצת.

סוס עבודת המיפוי: fMRI

ה-PET חוללה מהפכה אמיתית בתפישתנו את המוח וביכולתנו למפות ולפענח אותו. אבל באמצע שנות התשעים הובא לזירה סוס עבודה צעיר ונמרץ – ואולי סוס מירוץ – ומאז מרבים לנצלו חוקרי המוח וממפי פעילותו: MRI-תפקודי (functional MRI).

העקרון הבסיסי פשוט: אם נמצא שפעילות עצבית במוח משפיעה במשהו על התנהגות MRI של הרקמה, הרי שנוכל לצפות בפעילות המוחית. נזכור כי שלוש תכונות של הרקמה משפיעות על גודל האות (סיגנל) ב-:MRI ריכוז גרעיני המימן (פרוטונים), וקבועי הזמן 1T ו-2T. מספר הפרוטונים ברקמה אינו יכול להשתנות במידה ניכרת, ודאי שלא במהירות, אבל קבועי הזמן יכולים להשתנות. על קבועי זמן אלה משפיעים תהליכים שונים הקשורים בפעילות המוח, כך שיש סוגים שונים של fMRI.

הידוע והשימושי ביותר קשור לרמת החימצון של ההמוגלובין-החלבון נושא החמצן שבדם. שיטת ה-fMRI התלויה בו נקראת fMRI-BOLD, לאמור: "MRI-תפקודי התלוי ברמת החמצן בדם"2. וזה הסיפור (שעשוי טיפ-טיפה לבלבל): להמוגלובין-נטול-חמצן יש תכונות מגנטיות, בניגוד להמוגלובין מחומצן. לאיזור במוח שבו יש יותר המוגלובין מחומצן, יש ערך 2T ארוך יותר מאיזור מרובה המוגלובין-נטול-חמצן. דימות על פי 2T יבחין בין איזור שבו יש דם יותר מחומצן לבין איזור מוחי שבו יש יותר המוגלובין-נטול-חמצן. עד כאן הכל פשוט וסביר. כשבאיזור מסוים במוח מתחילה פעילות נמרצת, תצרוכת החמצן שלו עולה, ובמקביל עולה בו כמות ההמוגלובין-נטול-החמצן. אבל תוך מספר שניות המצב נעשה מורכב יותר, אם כי מעניין ושימושי: אותו איזור שהחל לפעול באורח נמרץ מתחיל לקבל תוך מספר שניות אספקת דם מוגברת מעבר לתצרוכת שלו. לכן בתוך איזור מוחי שנכנס לפעולה נמרצת, יתארך 2T מספר שניות אחרי הפעולה.

ניתן לערוך דימות fMRI התלוי ברמת החמצון של הדם בכעשירית שנייה, וזה כמובן יפה מאוד בהשוואה ל-PET. אלא שיש לזכור כי השניות הראשונות, עד שמגיע לאיזור הפעיל דם יותר מחומצן, אינן שימושיות. לכן זמן התגובה איננו עשירית שנייה, אלא מספר שניות, וזה קצת פחות טוב, משום שכמה מידידי הטובים יכולים בשלוש שניות לשנות את דעתם... יתר על כן, הקשר בין רמת ההמוגלובין המחומצן בדם לבין פעילותם של תאי העצב עצמם טרם התחוור לחלוטין, אם כי במספר מחקרים אכן נמצא קשר הדוק למדי ביניהם.

כפי ששמה מעיד, שיטת MRI-תפקודי היא שיטת דימות-תפקודי מובהקת, ויתרונותיה גדולים: אין שימוש בחומרים רדיואקטיביים, אין צורך בציקלוטרון ובמעבדה כימית, הרזולוציה שלה מבחינת זמן טובה למדי, ובוודאי שכושר ההפרדה המרחבי שלה (כ-1 מ"מ) עולה על זה של SPECT ו-PET. רק כשמדובר בזיהוי של מולקולות (למשל זיהוי קולטנים של טרנסמיטרים), לשיטת הדימות הרדיואקטיביות יש יתרון בולט.

מאחר ש-MRI אינה פולשנית ואינה רדיואקטיבית, ברור מדוע הפכה לשיטה כמעט בלעדית במחקר תהליכים מוחיים בנבדקים שאינם חולים, כולל מחקרי מעקב אחר התפתחות ילדים. גילויים חדשים, מרתקים ומעוררי מחשבה ודמיון על אודות פעילות המוח, שנעשו בסיוע MRI-תפקודי ניתן למצוא כיום כמעט בכל עיתון מדעי.

שיטת BOLD fMRI היא "סוס העבודה" העיקרי בחקר תהליכים מוחיים שניתן להפעילם ולכבותם בבת אחת: בעיקר תהליכים קוגניטיביים כגון ראייה ועיבוד חזותי (ויזואלי), שמיעה ושפה. לדוגמה, אווה פיני (Finney) ועמיתיה מקליפורניה מצאו בעזרת fMRI כי אצל חירשים מגיל צעיר, קליפת המוח המטפלת בשומעים רגילים במידע שמיעתי מופעלת על ידי מידע חזותי ("נייצ'ר נוירוסיינס", דצמבר 2001). במחקר אחר ביקשו נאן (Nunn) ועמיתיו לברר שאלה אזוטרית, אך מרתקת ובעלת משמעות עמוקה בהבנת התפישה האנושית: סינסתטים הם אנשים שחווים תחושות בעקבות גירוי "לא מתאים", כגון אנשים שרואים צבעים למשמע קולות (ראו "אותיות טעימות, כאב כתום", גליליאו 39). החוקרים האנגלים בדקו אם אכן מופעל על ידי הגירוי ה"לא נכון" האזור מוחי האחראי כרגיל לתחושה הנחווית. הם בדקו זאת בסינסתטים שחשים צבע כל אימת שהם שומעים מלים. ואכן, בדימות fMRI התברר כי האיזור המוחי שפעילותו קשורה כרגיל לתחושת צבע (איזור המכונה V4 או V8) מופעל באנשים אלה, אך לא באנשים אחרים, למשמע מלים.

בניגוד למידע חושי ולתופעות קוגניטיביות, רגשות קצת יותר קשה להפעיל, ובמיוחד "לכבות" בבת אחת, לכן קשה להשתמש בשיטת BOLD fMRI לצורך מיפויין המוחי. למרות זאת, במקרים מסוימים יש אפשרות "להתחכם": כך, למשל, הקרינו במהירות בפני נבדקים תמונות מתחלפות של פנים מאושרים ופנים מבוהלים במהירות כה רבה עד שהנבדקים לא היו מודעים לפנים שהם רואים. למרות זאת – למראה הפנים המבוהלים "נדלקה" פעילות בגרעין השקד (אמיגדלה. ראו: "פחד, הבעות פנים והשקד שבפנים", גליליאו 35). כן. בשיטה זו ניתן לראות – בעיניים ממש – את תת-ההכרה האנושית...

בשיטת fMRI אחרת השוו בין הפעילות המוחית של אנשים הסובלים מליקוי טורדני-כפייתי3 ושל בריאים, פעם כשהם מחזיקים בידיהם כביסה מלוכלכת (מה שמעורר באובססיבים-קומפולסיבים צורך כפייתי בלתי נשלט בניקוי והיטהרות) ופעם כשהם מחזיקים בידיהם כביסה נקייה.

MEG – מגמה נכונה

fMRI היא שיטה מופלאה, שאך לפני שנים לא רבות יכולה היתה להיחשב כמדע בדיוני בחקר המוח ומיפוי תפקודיו הפנימתיים (מנטליים)4, אך אין היא חפה מחסרונות. אחד מהם הוא פער הזמנים שבין פעילות תאי העצב במוח לבין המדידה; פער העומד, כזכור, על מספר שניות. מבחינת הנוירופיזיולוגים, המתמקדים בחקר תאי העצב עצמם, פער זה הוא עצום עד בלתי נסבל: הם חוקרים תהליכים המתרחשים בסדרי זמן של אלפיות שנייה. בכלל, אפילו מהותו של הקשר בין פעילות תאי העצב לעליה ברמת ההמוגלובין המחומצן בדם שמגיע לאיזור הפעיל היא מורכבת ועדיין לא ברורה לגמרי לחוקרים.

נראה כי המגמה המתבקשת אינה בדיקה עקיפה של זרימת דם או צריכת גלוקוז, אלא בדיקה ישירה של הפעילות העצבית-המוחית, המתבטאת בזרמים חשמליים. מעקב אחר פעילות מוחית באמצעות רישום חשמלי מן הקרקפת – אא"ג5 - היא אכן שיטת רבת שנים ושימושית מאוד. בשיטה זו ניתן לאבחן מחלות נוירולוגיות, כגון אפילפסיה, לעקוב אחר שלבי שינה ולהפיק עוד מידע רפואי-נוירולוגי ומחקרי רב ערך. אלא שההפרדה המרחבית (הרזולוציה) של האא"ג נמוכה ביותר: למרות שניתן לדעת בדיוק מתי מתרחשת פעילות מוחית – קשה למפות במדויק את אזורי המוח האחראים לפעילות החשמלית שזוהתה באא"ג.

שיטה אחת יכולה לפתור במידה רבה את בעיית פער הזמנים במיפוי התפקודי של המוח: MEG, מגנטו-אנצפלוגרפיה. פעילותם של תאי עצב במוח, שהיא-היא פעילות המוח, מתבטאת בזרמים חשמליים. זרמים אלה גם יוצרים – בהכרח – שדות מגנטיים (זהו חוק פיזיקלי בסיסי). בניגוד לזרמי החשמל שאינם יוצאים אל מחוץ לגוף, השדות המגנטיים הללו בוקעים ללא בעיה החוצה מהגוף. הבעיה היחידה היא שמדובר בשדה מגנטי זעום ביותר, קטן פי עשרה מיליון עד מיליארד מן השדות המגנטיים שבסביבתנו, כולל השדה המגנטי של כדור הארץ והשדות שמקורם בזרמי החשמל והמכונות שסביבנו. ובכן, מה צריך? נוסף לגלאי רגיש ביותר של שטף מגנטי, צריך גם סיכוך מפני השדות המגנטיים החיצוניים. לשם כך ניתן להתקין חדר המוקף בקירות עשויים שכבות של מתכות.

כגלאים משתמשים בסוג הרגיש ביותר של גלאי שטף מגנטי – גלאי סקוויד (SQUID)י6. גלאי הסקוויד מבוסס על סליל המצטיין במוליכות-על. לצורך כך הוא מקורר בהליום נוזלי, כלומר בטמפרטורה של C<269 (ארבע מעלות מעל האפס המוחלט). רזולוציית הזמן של MEG עומדת על אלפית שנייה, ואינה מהווה כל מחסום בפני המחקר, ואילו הרזולוציה המרחבית שלו היא מספר מ"מ, כלומר נחותה מזו של ה-MRI. במקרים רבים משלבים היום חוקרים שתי שיטות שונות, למשל MRI ו-MEG, כדי "ליהנות מכל העולמות".

קבוצת חוקרים בראשות רודולפו לינאס (Llinas) השתמשה ב-MEG לזיהוי מפת האצבעות המוחית של אדם שנולד כששתיים מאצבעות ידיו מחוברות זו לזו. הם גירו את האצבעות וערכו דימות MEG. התברר כי במוחו לא היה ייצוג נפרד לכל אצבע מבין השתיים הצמודות, אלא ייצוג משותף. והנה, מספר שבועות לאחר שהאצבעות הופרדו זו מזו בניתוח, השתנה המיפוי המוחי, וכל אצבע זכתה עכשיו לייצוג נפרד.

כריסטו פנטב (Pantev) ועמיתיו, חוקרים מגרמניה ומקנדה, ביקשו לברר האם הייצוג המוחי של צלילי פסנתר גדול יותר אצל פסנתרנים מקצועיים מאשר אצל אנשים שאינם פסנתרנים. התברר כי הייצוג המוחי של צלילי פסנתר תופס אצל פסנתרנים שטח גדול יותר משתופסים צלילים באותה עוצמה, שלא נוגנו בפסנתר. ובמיוחד – התברר גם כי הייצוג המוחי לצלילי פסנתר גדול אצלם מייצוג אותם צלילים באנשים שאינם עוסקים במוזיקה. יתר על כן, התברר כי ככל שהנבדק החל ללמוד נגינה בגיל צעיר יותר, כך גדולה בו יותר מפת הייצוג המוחי של צלילי פסנתר ("נייצ'ר", אפריל 1998).

ה-MEG כנראה מאוד מוזיקלי. בורקהרד מאיס (Maess) ועמיתיו ממכון מקס פלאנק בגרמניה השתמשו ב-MEG כדי לברר היכן ממוקם אותו אתר מוחי שמשרה בנו תחושה כי משהו צורם כשהמצלול המוזיקלי כולל צירופי צלילים "צורמים", לא הרמוניים. התברר כי צירוף צלילים "צורם" יצר פעילות עצבית באיזור ברוקה – מרכז הדיבור שבהמיספירה השמאלית, ובאיזור המקביל לו בהמיספירה הימנית (כרגיל מייחסים לאיזור ימני זה תפקיד בהפקת הפרוזודיה של הדיבור, הנגנת דיבור תקינה). קשה לחשוב על שיטה אחרת, לבד מ-MEG, בה ניתן לערוך ניסוי כזה ולהגיע לתוצאות. מסקנת החוקרים היא כי איזור ברוקה קשור לא רק בתחביר של הדיבור, אלא בכללי "תחביר" כללי יותר, כולל "תחביר" מוזיקלי.

אכן, המוח בהחלט תופס נקודת ציון ראויה לציון על מפת המחקר ועל מפת שיטות המיפוי.

1. Single Photon Emission Computed Tomography
2. Blood-Oxygen-Level-Dependent (BOLD) fMRI
3. obsessive-compulsive disorder – OCD
4. בגליליאו 43 הוצע כבר המונח "פנימתי" כתרגום למונח מנטלי, ו"פנימה" (במלעיל, כמו פגימה) כתרגום למונח המורכב mind.
5. EEG, אלקטרו-אנצפלו-גרפיה
6. Superconducting Quantum Interference Device, SQUID

ביבליוגרפיה:
כותר: מיפוי פנימה : על שיטות דימות של המוח ומיפוי תפקודיו
מחבר: עצמון, צבי
תאריך: ספטמבר-אוקטובר 2002 , גליון 51
שם כתב העת: גליליאו : כתב עת למדע ומחשבה
הוצאה לאור: SBC לבית מוטו תקשורת ולאתר IFEEL
הערות לפריט זה:

1. צבי עצמון, zvi@galileo.com


הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית