Hoe werkt fMRI?

Peter MolemanArtikelen, Delen en het geheel8 Comments

Hoe werkt fMRI? | Peter Moleman

Dit is een enigszins gereviseerde versie van “Hoe werkt fMRI” gepubliceerd op 8 juni 2017.

fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging) is de ster van de neurowetenschappen. Heel veel kennis over de werking van onze hersenen wordt door onderzoek met MRI scans geleverd en dat neemt nog steeds toe. Met fMRI is het mogelijk om te meten wat er in de hersenen van een levend mens gebeurt. Dat was voor de MRI werd uitgevonden niet goed mogelijk. Door de ster-status lijkt het echter alsof zo ongeveer alles met fMRI te meten en te achterhalen valt. Het lijkt erop alsof men met fMRI gedachten kan lezen. In de pers verschijnen veel artikelen met te ver gaande conclusies uit fMRI onderzoek 1. De kritiek hierop, die zeker in de wetenschappelijke wereld niet van de lucht is, dringt niet erg door 2.
Daarom lijkt het mij nuttig iets over fMRI uit te leggen, zodat je zelf begrijpt wat de kracht en de beperking van de techniek is als je er een stuk over leest, in de krant, hier, op een website. Je kunt ook naar de TED talk van Nancy Kanwisher kijken. Zij legt uit wat je wel en niet kunt met fMRI en laat ook nog prachtige resultaten zien van haar onderzoek naar herkenning van gezichten en naar hersengebieden voor gespecialiseerde en algemene functies.

fMRI meet geen hersenactiviteit

Met fMRI is het mogelijk veranderingen in activiteit van hersendelen of -kernen te meten 3. Dat gaat als volgt. Net als bij spieren hebben hersenen zuurstof nodig als ze actiever worden en die zuurstof wordt via het bloed aangevoerd. De daarvoor nodige verandering in bloeddoorstroming is heel lokaal. Dus als de neuronen in een bepaalde hersenkern actief worden, neemt de bloeddoorstroming alleen op die plek toe. En die verandering is te zien op een MRI scan 4. Het oplossend vermogen van de meeste scanners is echter niet zo groot. Er bevinden zich 100.000 neuronen in één pixel. Dus de kleinste verandering in bloeddoorstroming die je kunt zien komt door verandering in activiteit in minstens 100.000 neuronen samen. Er is reden aan te nemen dat een verandering in 1000 neuronen net zo belangrijk kan zijn, maar die wordt gemist. Verder kan je door die grofheid niet heel precies zien welke hersenkern nou oplicht. Soms concludeert iemand daarom dat de amygdala oplicht, terwijl het een hersendeel er vlak naast was. Ook de tijd is een probleem, want de toename in bloeddoorstroming begint pas enkele seconden nadat de neuronen in dat deel van de hersenen zijn gaan vuren.

Hoe werkt fMRI? Peter Moleman
Fig. 1 Een MRI scanner
bron: Media Neuroscience Lab, Photo credit: Sonia Fernandez

Er bestaan nog veel meer problemen bij de uitvoering en interpretatie van fMRI experimenten. Zo moet de proefpersoon minstens 20 minuten met zijn hoofd doodstil liggen in de scanner, die erg nauw is en ook nog onaangename herrie maakt. Dus kijken wat er bij allerlei bewegingen gebeurt is problematisch of onmogelijk. Je kunt wel kijken wat er in de hersenen van een tennisser gebeurt, maar niet als hij tennist. En reageert iedereen hetzelfde op die onaangename herrie in de scanner? Zou het verschil tussen angstige patiënten en niet-angstige proefpersonen voor een deel daarop terug te voeren zijn?
Dit klinkt allemaal misschien desastreus, maar dat valt wel weer mee. De goede fMRI onderzoekers besteden erg veel tijd aan de methode en weten deze problemen op te lossen of presenteren de resultaten voorzichtig als dat niet helemaal gelukt is. Maar een groot aantal publicaties bevat fouten hierin en daardoor zijn de conclusies op zijn minst aanvechtbaar en soms ronduit fout. Zo blijkt bijvoorbeeld dat de hersendoorbloeding bij gezonde ouderen minder is en daar is bij onderzoek naar dementie bijna nooit rekening mee gehouden. Daardoor lijkt het alsof de hersenen bij ouderen minder actief zijn. Veel conclusies over uit fMRI onderzoek bij dementie zijn waarschijnlijk niet juist 5.

Veel conclusies uit fMRI onderzoek zijn fout

En dan het belangrijkste probleem. Als je bepaalde hersenkernen ziet oplichten, actief worden, wat zegt dat over de functie van die hersenkern? De amygdala -amandelkern- licht bijvoorbeeld op als iemand angstig is en daarom wordt het wel het angstcentrum genoemd. Maar de amygdala licht ook op als je een onbekende toon hoort, in tegenstelling tot een bekende toon. Dus heeft de amygdala meer te maken met herkennen van onbekende dingen, waar je soms angstig van wordt, maar niet altijd? De amygdala licht ook op bij boosheid. Dus misschien speelt hij wel een rol bij verwerking van (alle?) emoties? Er zijn nog veel meer functies in verband gebracht met de amygdala op basis van fMRI onderzoek. Kortom, we kennen veel functies waarbij de amygdala oplicht, maar wat de functie van de amygdala is, weten we niet precies. Dus de amygdala het angstcentrum noemen is fout, al speelt hij wel een belangrijke rol bij angst. Het risico van deze fout is dat als bij een volgend onderzoek gevonden wordt dat de amygdala actief is, de onjuiste conclusie getrokken wordt dat het om angst gaat. Dat heet omgekeerde gevolgtrekkingen maken (reverse inference) en dat kan niet zo maar. Dat weet iedereen als het voorbeeld is: een koe is een beest, dit is een beest, dus dit is een koe.
De amygdala is actiever bij mensen met autisme. Gesproken wordt dan over circuits die betrokken zijn bij autisme en waarvan de amygdala deel uitmaakt. Maar de amygdala is ook actiever bij mensen met depressies, dus de amygdala hoort evengoed bij het hersencircuit betrokken bij depressies. Volgens mij zegt het niets over autisme of depressies, behalve dat mensen met die aandoeningen vaak ook emotioneel uit balans zijn, want daar speelt de amygdala een rol bij.
Het is ongeveer twee jaar geleden dat ik de eerste versie van dit bericht schreef. Sindsdien zijn een aantal problemen die ik hierboven schets opgelost of beter in beeld gebracht. Er zijn op enkele plekken betere scanners beschikbaar en intussen is beter bekend wat voor fouten de onderzoekers maken en hoe ze die kunnen vermijden.

fMRI is een hype en toch fantastisch

Bij het vaststellen wat er bij hersenziekten of psychiatrische ziekten anders werkt dan bij mensen die die ziekten niet hebben, is fMRI erg nuttig. Maar wat direct, oorzakelijk samenhangt met die ziekten of hoe je moet behandelen is met fMRI niet vast te stellen, althans voorlopig 6. En beweren dat fMRI gebruikt kan worden als leugendetector, voor neuromarketing, om de juiste persoon bij een sollicitatie te selecteren, om een diagnose te stellen, om te voorspellen of je een zuiplap wordt, ….. Het is allemaal niet mogelijk (of zal ik zeggen: bedrog?). De berichtgeving over fMRI in de media is van zodanig dubieuze kwaliteit dat Jon Simons een blog schreef met de titel “Journalists’ guide to fMRI papers”.
Het positieve nieuws: ik zal regelmatig schrijven over aspecten van de werking van de hersenen gebaseerd op fMRI onderzoek, bij juist gebruik een fantastische techniek.

Bronnen

Poldrack RA (2018): The new mind readers: what neuroimaging can and cannot reveal about our thoughts. Princeton, NJ, Princeton University Press. ISBN 978-0-691-17861-5

Smith SM, Nichols TE (2018): Statistical Challenges in “Big Data” Human Neuroimaging. Neuron 97:263–268.

Bandettini P (2018): If, how, and when fMRI might go clinical [Internet]The Brain Blog [cited 2018 May 18];Available from: http://www.thebrainblog.org/2018/05/18/if-how-when-fmri-might-go-clinical/

David SP, Naudet F, Laude J, Radua J, Fusar-Poli P, Chu I, et al. (2018): Potential Reporting Bias in Neuroimaging Studies of Sex Differences. Sci Rep 8:6082.

Kragel PA, Koban L, Barrett LF, Wager TD (2018): Representation, Pattern Information, and Brain Signatures: From Neurons to Neuroimaging. Neuron 99:257–273.

Cremers HR, Wager TD, Yarkoni T (2017): The relation between statistical power and inference in fMRI. PLOS ONE 12:e0184923.

de-Wit, L.; D. Alexander, et al. (2016). “Is neuroimaging measuring information in the brain?” Psychonomic bulletin & review 23(5): 1415-1428.

Boubela RN, Kalcher K, Huf W, Seidel EM, Derntl B, Pezawas L, et al. (2015): fMRI measurements of amygdala activation are confounded by stimulus correlated signal fluctuation in nearby veins draining distant brain regions. Sci Rep 5:10499.

Satel, Sally; Lileinfeld, Scott O. (2013). Brainwashed; The Seductive Appeal of Mindless Neuroscience, Basic Books, ISBN 978-0-465-03786-5

Small, Scott A.; Heeger, David J. (2013). Functional Imaging of Cognition. Principles of Neural Science. E. R. Kandel, J. H. Schwartz, T. M. Jessell, S. A. Siegelbaum and A. J. Hudspeth. NY, McGraw-Hill, p. 426-442.

Logothetis, N. K. (2008). “What we can do and what we cannot do with fMRI.” Nature 453(7197): 869-878.

Voetnoten
  1. Enkele voorbeelden van misleidende koppen in gerenommeerde kranten, gebaseerd op fMRI onderzoek:‘Vegetatieve patiënt kan voor het eerst communiceren en ‘heeft geen pijn’’‘Schelden doet echt zeer’‘Spinnenangst bestrijd je met scans’‘Jij wordt een zuiplap, dat kunnen wij nu al zien’‘Hersenscanner vangt dromen’‘Lichamelijke pijn is te zien in de scanner’‘MRI-scan kan risico op schizofrenie voorspellen’
  2. Zie o.a. http://www.kennislink.nl/auteurs/nienke-van-atteveldt met veel mooie voorbeelden.
  3. Hoe dat kan door een sterke magneet te gebruiken (de M in MRI), laat ik hier in het midden.
  4. Dat is het BOLD signaal: BOLD = Blood Oxygenation Level-Dependent 
  5. De Stanford University heeft recent een subsidie gekregen van 3,6 miljoen dollar om het ‘Centre for Reproducible Neuroscience’ op te richten. Zij zullen wetenschappers helpen met de correcte uitvoering van neurowetenschappelijke experimenten met de nadruk op fMRI.
  6. Volkskrant, TONIE MUDDE · 14 februari 2015: Zo verscheen in Nature Reviews een studie van de University of Bristol over de statistische betrouwbaarheid van onderzoeken naar relaties tussen de anatomie van het brein en geestelijke aandoeningen als autisme en depressie. Uitkomst: 92 procent van die studies was onbetrouwbaar.

8 Comments on “Hoe werkt fMRI?”

  1. Peter,
    Kan fMRI ook worden toegepast bij andere delen van het lichaam of is het echt op het brein toegespitst?

    1. MRI is de beeldvormende techniek. “f” staat voor “functional”, en dat slaat op het functioneren, de dynamiek van het brein. Ik weet niet of het ook anders wordt toegepast, maar ik denk het niet.

  2. Dank voor het artikel Peter. Ik ben momentaal aan het lezen over autisme, gezichtsverwerking en de amygdala. Hier zijn recent veel interessante onderzoeken rond gepubliceerd en het lijkt alsof de resultaten ook sterk verschillend zijn afhankelijk van de leeftijd van de deelnemers. Ik wilde nog even opmerken dat er ook studies zijn die gaan over autisme en de amygdala waarin het belang van andere functies dan het emotionele (bijvoorbeeld aandacht voor sociale stimuli) onderzocht wordt. Interessant genoeg is er ook niet altijd een hyperactiviteit van de amygdala bij autisme maar (afhankelijk van de leeftijd) vaak ook hypoactiviteit. Nogmaals bedankt. Je artikel heeft me er toe aangezet weer wat kritischer naar die literatuur te kijken!

    1. Dank voor je reactie: interessant onderzoekgebied. Een vraag: is het mogelijk om bij autisme het effect in de amygdala van bijvoorbeeld aandacht voor sociale stimuli te bestuderen met uitsluiting van verschillen in emotionele effecten tijdens het experiment?

  3. Inderdaad. fMR geeft informatie over connecties in de hersenen. De betekenis of de stimulus is niet altijd duidelijk, De specifieke relatie met gedrag en betekenis van de stimulus is eveneens meestal niet duidelijk. We hebben hier een ander voorbeeld van technologie op zoek naar een alledaagse klinische toepassing.

  4. Dit is een mooi artikel, dank je wel. Als (kleine) aanvulling. Door fMRI wordt te sterk de nadruk gelegd op de relatie tussen delen van de hersenschors en psychische functies. Dit lijkt wel een beetje op een moderne vorm van de frenologie. Emoties worden gereguleerd door structuren die vaak te klein zijn om voldoende gedetaillerd met fMRI te worden onderzocht. Een van die structuren is het habenuloid complex. Dit meet slechts 20-30 mm3 in iedere hersenhelft

    1. Dank Anton voor je reactie en inderdaad is het woord frenologie ook bij mij opgekomen.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *