La fel de importantă ca descoperirea busolei: imagistica prin rezonanță magnetică și IRM funcțională

Așa cum descoperirea busolei în secolul al 12-lea, prin utilizarea câmpului magnetic al Pământului, a schimbat istoria lumii făcând posibilă descoperirea unor continente noi, imagistica prin rezonanță magnetică, care măsoară răspunsul atomului de hidrogen din moleculele de apă la un câmp magnetic, a schimbat istoria medicinei prin contribuția majoră la cunoașterea structurii detaliate a organelor și a modului în care acestea funcționează.

Scurtă istorie a imagisticii prin rezonanță magnetică, IRM

Nikola Tesla, 1856 – 1943, a descoperit câmpul magnetic rotitor. Aceasta este una dintre descoperirile fundamentale ale fizicii.

În 1956, unitatea teslaa fost proclamată de Comitetul de Acțiune al Comisiei Electrotehnice Internaționale la Rathaus din München. Toate aparatele de imagistică prin rezonanță magnetică, IRM, sunt calibrate în „unități tesla”. Intensitatea unui câmp magnetic se măsoară în tesla sau gauss. Cu cât câmpul magnetic, adică magnetul, este mai puternic, cu atât semnalele radio provenite de la atomii corpului sunt mai intense și calitatea imaginilor IRM este mai ridicată; totodată, viteza examinării crește, iar durata acesteia se reduce considerabil. Mulți dintre noi am auzit termeni precum IRM de 1.5 Tesla sau 3 Tesla. Aceste unități exprimă intensitatea magnetică a aparatului IRM. 

• IRM cu câmp redus = sub 0.2 Tesla
• IRM cu câmp mediu = între 0.2 și 0.6 Tesla
• IRM cu câmp înalt = între 1.0 și 1.5 Tesla
• IRM cu câmp foarte înalt = 3 și 7 Tesla

Notă: la 12 octombrie 2017, FDAa aprobat pentru prima dată utilizarea IRM de 7 Tesla. În imaginea de mai jos puteți vedea diferența de rezoluție dintre IRM de 3 și 7 Tesla.

Profesorul Isidor I. Rabi, care lucra la Universitatea Columbia din New York, a observat în 1937 fenomenul cuantic numit rezonanță magnetică nucleară, RMN. A înțeles că nucleele atomice își manifestă prezența prin absorbția sau emiterea undelor radio atunci când sunt expuse unui câmp magnetic suficient de puternic. Profesorul Isidor I. Rabi a primit Premiul Nobel pentru aceste cercetări.

Medicul Raymond Damadian, care lucra la Centrul Medical Downstate din Brooklyn, a descoperit că semnalul hidrogenului din țesutul canceros diferă de cel din țesutul sănătos, deoarece tumorile conțin mai multă apă. Mai multă apă înseamnă mai mulți atomi de hidrogen. Când aparatul IRM este oprit, țesutul canceros emite unde radio mai mult timp decât țesutul sănătos. Acesta este mecanismul care explică aspectul diferit al țesutului canceros și al celui normal în imagistica prin rezonanță magnetică.

Paul Lauterbur, chimist la Universitatea de Stat din New York, a produs prima imagine prin rezonanță magnetică în 1973. Prima examinare IRM la om a fost efectuată la 3 iulie 1977.

Cum funcționează IRM?

Imagistica prin rezonanță magnetică, IRM, este o tehnică medicală de diagnostic care formează imagini ale corpului uman utilizând principiul rezonanței magnetice nucleare. Poate produce imagini în secțiuni fine ale oricărei părți a corpului, din orice unghi și direcție. Realizează acest lucru prin expunerea corpului la un câmp electromagnetic puternic.

Așa cum micile bare magnetice dintr-o busolă își schimbă orientarea în funcție de câmpul magnetic al Pământului, protonii atomilor de hidrogen din moleculele de apă, prezente din abundență în fiecare celulă a corpului, se comportă sub influența câmpului magnetic puternic asemenea unor mici bare magnetice biologice. Protonul are proprietăți magnetice fundamentale.

Imaginea IRM este obținută în 4 etape:

1. Corpul este plasat într-un câmp magnetic constant, creând o stare de magnetism stabil în organism.
2. Aparatul IRM trimite unde radio în corp pentru a schimba orientarea protonilor într-un anumit mod.
3. Aparatul IRM oprește undele radio și înregistrează emisia electromagnetică a corpului. 4. Semnalul transmis este utilizat pentru a forma imagini ale interiorului corpului prin tomografie computerizată.

În imaginea de mai jos puteți compara radiografia clasică, tomografia computerizată și imaginile IRM ale regiunii lombare la aceeași persoană

Imaginea IRM nu este o fotografie. În realitate, este o hartă sau o imagine computerizată a semnalelor radio emise de corpul uman. Tomografia computerizată clasică utilizează radiații, însă IRM utilizează unde radio nedăunătoare. Cea mai importantă precauție la IRM este ca obiectele metalice să rămână în afara zonei de examinare, deoarece persoana intră într-un magnet uriaș. Și obiecte precum cardurile bancare pot fi deteriorate de IRM, deoarece codurile magnetice pot fi influențate de magnetul aparatului.

Imagistica prin rezonanță magnetică este un instrument de diagnostic puternic pe piața imagisticii medicale, fiind procedura preferată pentru vizualizarea țesuturilor moi, în special a creierului, măduvei spinării, organelor abdominale și țesutului muscular. Industria IRM produce peste 2.000 de aparate pe an.

Neurologia este una dintre specialitățile medicale care depind în mare măsură de IRM pentru diagnosticul corect al bolilor sistemului nervos central, creier și măduvă spinării. Alte specialități care se bazează pe tehnologia IRM sunt neurochirurgia și ortopedia. În oncologie, IRM este superioară celorlalte metode imagistice în special pentru vizualizarea tumorilor sau a metastazelor din creier, ficat și oase.

Cel mai avansat nivel al imagisticii IRM: IRM funcțională, fIRM

Spre sfârșitul anilor ’80, IRM a devenit standardul pentru vizualizarea anatomică a diferitelor țesuturi, de la mușchi la creier, în spitale și laboratoare. Însă IRM oferea doar o imagine anatomică foarte bună a organelor, fără informații despre funcția lor. Tomografia cu emisie de pozitroni, PET, și alte aparate capabile să ofere informații despre funcționarea țesuturilor necesitau injectarea unei substanțe în circulația sanguină.

În anii ’90, Seiji Ogawa și colegii săi au publicat o serie de descoperiri care au transformat IRM într-o metodă imagistică relativ ieftină, capabilă să evidențieze activitatea fiziologică a creierului, declanșând o revoluție în studiul creierului și comportamentului.

Ogawa și colegii săi s-au bazat pe 2 fenomene fiziologice rezultate din observații mai vechi. Mai întâi, în 1890 Charles Roy și Charles Sherrington sugeraseră că activitatea metabolică a creierului ar putea fi legată de circulația sanguină cerebrală. Studiile ulterioare au formulat o perspectivă mai precisă: Sistemul vascular reacționează mai precis pentru a aduce sânge oxigenat în regiunile cu activitate neurologică crescută. Cu alte cuvinte, vasele cerebrale se modifică pentru a furniza mai mult oxigen în regiunea activă a creierului. În al doilea rând, Linus Pauling și Charles Coryell au raportat în 1936 că hemoglobina are proprietăți magnetice diferite în formele oxigenată și neoxigenată. Pornind de la aceste două idei, Ogawa și colegii au arătat, în trei articole publicate în anii ’90, cum poate rezonanța magnetică funcțională să detecteze activitatea organelor.

În întregul corp, oxigenul este transportat către organe prin proteina hemoglobină din eritrocite, globulele roșii. În sângele curat, hemoglobina este oxigenată, în timp ce în sângele uzat cantitatea de oxigen transportată de hemoglobină este redusă, iar în funcție de nivelurile de oxigen ale celulelor sanguine se formează imagini diferite la IRM funcțională. Acest efect se numește contrast blood-oxygenation-level-dependent, BOLD, dependent de nivelul de oxigenare a sângelui. Ogawa și echipa sa considerau că, măsurând acest contrast, ar putea urmări activitatea cerebrală și au demonstrat într-un experiment pe șoareci că semnalul protonilor proveniți din moleculele de apă se modifică în regiunile active ale creierului și poate fi vizualizat.

La 2 ani după această demonstrație revoluționară a principiului, 3 grupuri independente, inclusiv echipa lui Ogawa, au demonstrat aproape simultan modificări ale contrastului BOLD în creierul uman.

În timpul examinării fIRM, la o persoană căreia i se arată o fotografie apare activă regiunea occipitală, din spatele creierului, iar când i se cere să miște un deget apare activ cortexul motor, în regiunea lateral-superioară de la joncțiunea lobilor frontal și parietal.

Unul dintre cei mai importanți cercetători ai lumii în domeniul fIRM este profesorul dr. Kâmil Uğurbil, născut la Tire, în İzmir. Kamil Uğurbil, care a primit titlul de profesor la 27 de ani, conduce în continuare departamentul pe care l-a înființat cu aproximativ 30 de ani în urmă la Universitatea din Minnesota, SUA. Uğurbil, care participă și susține conferințe și la reuniuni de neuroștiințe din țara noastră, a spus într-o prezentare despre nivelul la care a ajuns astăzi fIRM: „Unei persoane care intră în aparatul IRM i se prezintă un sunet, să spunem un cântec de pasăre. Noi, din exterior, nu știm ce sunet este. Prin tehnologia pe care am dezvoltat-o, datorită modificărilor măsurate în creier, putem înțelege într-o foarte mare măsură ce aude persoana din interior, chiar dacă nu cu o precizie absolută. În mod asemănător, printr-o mână robotică acționată de puterea gândului, le permitem persoanelor paralizate să își satisfacă nevoile de bază.”

Seiji Ogawa și Kamil Uğurbil sunt considerați printre cercetătorii care ar putea primi în viitor Premiul Nobel pentru activitatea lor în domeniul fIRM.

Imagistica de contrast BOLD, denumită în mod obișnuit IRM funcțională, a devenit un pilon al neuroștiinței cognitive. Măsurarea activității cerebrale la o rezoluție destul de ridicată a devenit o opțiune accesibilă. Rezoluția a fost îmbunătățită și prin echipamente, tehnici și metode de analiză IRM avansate. Posibilitățile deschise de fIRM, de la descrierea detaliată a funcțiilor vizuale ale creierului uman până la contribuția la funcții cognitive superioare precum recunoașterea fețelor, empatia și conștiința de sine, continuă să fascineze lumea neuroștiinței.