Så funkar fMRI – kameran som ser in i hjärnan

Ett stöd håller mitt huvud absolut stilla. En panikknapp i handen om jag skulle drabbas av cellskräck. Sedan glider min brits in i MR-kamerans tunnel. Det blir en trång, bullrig och lite absurd upplevelse. Delvis på grund av de malplacerade, spröda barocktonerna som brutalt överröstas av kameran. (Mitt eget fel. Jag var inte beredd på frågan om önskemusik och svarade Goldbergvariationerna. Big mistake!) Men det mest absurda är vad som pågår i mitt huvud utan att jag kan förnimma det. Här ligger jag i landets starkaste MR-kamera, Lunds omtalade 7 tesla, i ett magnetfält så kraftigt att det skulle kunna lyfta bilar. Min hjärna är nu en väldresserad elementarpartikelcirkus där väteatomerna dansar synkroniserat, 300 miljoner varv per sekund. Av detta märker jag inget alls.

Magnetresonans, MR, har blivit en nästan lika vanlig avbildningsteknik i sjukvården som röntgen. MR:s två stora fördelar jämfört med röntgen är att tekniken är ofarlig samt att den tar bättre bilder av mjuk vävnad. Redan i början av 1990-talet, när MR fortfarande var nytt, kom forskare på att tekniken också kan användas för att avbilda hjärnaktivitet – en viktig upptäckt som hamnade på tidskriften Sciences omslag i november 1991.

Denna särskilda form av MR kallas funktionell magnetresonans och har sedan dess blivit ett av hjärnforskningens viktigaste verktyg. Den engelska förkortningen fMRI används vanligen även i svensk text. Databasen PubMed listar över en halv miljon vetenskapliga publikationer om fMRI, och för varje år ökar takten i utgivningen ytterligare. Mycket av det vi lärt oss om hjärnan de senaste decennierna har forskats fram med hjälp av funktionell MR. Det har lett till mer detaljerad kunskap men också till en delvis rätt annorlunda bild av hjärnan. Som andra nya tekniker har fMRI också hunnit svänga mellan hajp och ifrågasättande. Allt detta kommer vi snart till.

Men vi börjar i Lund, tidigt 1980-tal, och den allra första svenska MR-kameran. Den var ett hemmabygge av universitetets fysiker under ledning av professor Bertil Persson. Med dagens mått var den svag och liten – lagom för att avbilda en arm – men den blev starten på en forskningstradition som staden vårdat sedan dess. Lunds lasarett var till exempel ett av de tidigaste svenska sjukhusen med att använda MR i vården.

Ändå skulle det dröja ett decennium från upptäckten 1991 innan någon i Lund gav sig på fMRI.

– Funktionell MR fick ingen stor spridning i världen i början eftersom det knappt fanns några tillräckligt starka MR-kameror. Kring millennieskiftet började 3 tesla-maskiner bli vanliga och då blev fMRI intressant. I Lund fick vi Skandinaviens första 3 tesla 2002 och genast fick jag en doktorand som ville använda den för funktionell MR, berättar Elna-Marie Larsson, i dag pensionerad professor i radiologi.

Det blev ett pionjärarbete med utmaningar.

– I dag är maskinerna förberedda för fMRI, så var det inte då, säger hon. Vi fick uppfinna det vi behövde. Ett krux var att vi ville visa bilder och text med instruktioner för försökspersonen – men hur skulle det gå till när andra apparater inte kunde vara i närheten av kameran? Vår fysiker löste det genom att kapsla in en projektor i en skyddande kopparbur. Bilden leddes in i MR-kameran med en vinklad spegel.

Så småningom kunde doktoranden Danielle van Westen lägga fram sin avhandling, där hon utforskade hur fMRI kan användas för att lokalisera språk- och rörelsefunktion i hjärnan innan en hjärntumör ska opereras bort.

– Neurokirurger behöver veta var runt tumören de kan skära med god marginal och var det är viktigt att spara så mycket som möjligt för att patienten inte ska drabbas av problem. Språkcentrum sitter olika hos olika individer, och tumörer som växer kan flytta andra delar av hjärnan, så det var ett viktigt framsteg att vi kunde använda fMRI för att lokalisera hjärnfunktioner, säger Elna-Marie Larsson.

Flaggskeppet i Lunds MR-forskning är 7 tesla-kameran som installerades 2014. Den är Sveriges starkaste MR-kamera och drar så att säga till sig forskare från hela landet. En av dem är Christoffer Rahm, psykiater i Region Stockholm som leder en forskargrupp vid Karolinska Institutet som forskar om pedofili. Ett mål med hans forskning är att kunna ge män med sexuell dragning till barn effektiv behandling för att undvika att de begår övergrepp. I en studie för ett par år sedan visade han att testosteronsänkande läkemedel kan vara en möjlig väg. Men Rahm vill också studera hjärnaktiviteten hos dessa patienter.

– Jag vill förstå orsaker, säger han. Varför personen har ett avvikande tändningsmönster från början och varför läkemedlet fungerar, vad det ändrar i hjärnan. Vi vill också studera impulskontroll hos de här männen. Det kan lära oss att göra bättre riskbedömningar. För att få svar på dessa frågor ville vi använda funktionell MR.

Frivilliga patienter fanns redan, men för att kunna se avvikelser behövdes också en jämförelsegrupp med vanliga människor. Christoffer Rahm annonserade efter friska försökspersoner och fick svar, bland annat från undertecknad. Så hamnade jag i MR-kameran i Lund. Efteråt har jag varit nyfiken på om det var till någon hjälp. Har jag bidragit till viktiga forskningsrön?

– Detta är fortfarande pågående forskning, men det är redan tydligt att det syns skillnader mellan grupperna. Män som dras till barn har en avvikande aktivitet i vissa nätverk i hjärnan och – allra mest intressant! – dessa avvikelser tycks hänga ihop med skillnader i hjärnans struktur. Tillsammans med andra fynd vi gjort tyder det på att avvikelsen grundlagts tidigt, säger Christoffer Rahm.

Han beskriver fMRI som ett mycket viktigt verktyg för hjärnforskningen de senaste decennierna, men ser samtidigt vissa problem med hur tekniken har använts.

– Det är en otrolig fördel att kunna studera psykologiska funktioner i en aktiv mänsklig hjärna på ett icke-invasivt sätt – alltså utan att skada, utsätta personen för smärta et cetera. Vissa gamla hypoteser om hjärnan har kullkastats, andra fått stöd. Men ett ungt forskningsfält gör inte allt rätt från början. Ibland har studierna haft för få personer eller för stora metodbrister för att man egentligen ska kunna dra några slutsatser alls. Fältet har tvingats gå igenom plågsamma självrannsakningar och bli mer rigoröst.

Inte minst har funktionell MR visat hur hjärnans funktioner är strukturerade i nätverk, betonar Christoffer Rahm.

– Tidigare teorier om enskilda centra i hjärnan har vi lämnat bakom oss. I dag framstår de som lite åt frenologi-hållet.

2016 väckte Linköpingsforskaren Anders Eklund visst rabalder med sin upptäckt att datorprogram som används för fMRI kunde hitta samband som egentligen inte finns. Nyheten rapporterades med rubriker som ”Why two decades of brain research could be seriously flawed” och ”Svensk hjärnstudie sänder chockvågor genom forskarvärlden”.

– Mjukvara för fMRI baseras på en massa statistiska antaganden, men det var aldrig någon som kollat att dessa antaganden faktiskt stämde med verkligheten, förklarar Anders Eklund.

Han testade de tre mest använda analysprogrammen genom att helt enkelt jämföra slumpade grupper av friska försökspersoner med varandra. Trots att grupperna borde vara mycket lika hävdade programmen ofta att de upptäckt signifikanta skillnader.

– I artikeln skrev vi ungefär att detta väcker frågor om giltigheten i tiotusentals fMRI-studier, säger Anders Eklund. Vi menade just så, att det väckte frågor. Men när massmedia upptäckte vår studie och började skriva om den lät det mer som att vi sagt att tiotusentals fMRI-studier borde kasseras direkt. Jag hade inte någon tidigare erfarenhet av att tala med medier och nu satt jag plötsligt med 15 journalister från olika länder i luren. Jag var inte riktigt beredd på hur hårt de skulle vinkla det. Vi fick in en ändring i vår artikel senare, så att det blev lite mjukare formulerat.

Anders Eklund är ingalunda den första forskare som varnat för övertolkning inom fMRI. Några år tidigare hade en ung forskare i Kalifornien, Craig Bennett, visat en anmärkningsvärd bild på en konferens. Den föreställde hjärnaktiviteten hos en död lax som ombads kommentera bilder på människor i olika sociala situationer. Små röda fläckar i fMRI-bilden visade vilka delar av hjärnan en död atlantlax använder för denna typ av uppgifter. Bennetts verkliga poäng var dock inte att döda fiskar besitter oanade intellektuella förmågor, utan att fMRI ger opålitliga resultat om man tolkar data för yvigt. För detta belönades han 2012 med Ig Nobelpriset – priset för forskning som först får dig att skratta, sedan att tänka.

I dag är kvalitetsproblemen inom fMRI-forskning mindre, menar Anders Eklund. Studier har generellt fler deltagare, de statistiska metoderna har blivit bättre och medvetenheten om begränsningar och fallgropar har ökat.

Lars Nyberg är professor i neurovetenskap vid Umeå universitet. Hans forskning om minnet är i stor utsträckning baserad på funktionell MR. Ändå var det med PET, positronemissionstomografi, som han först avbildade hjärnaktivitet på 1990-talet i minnesforskaren Endel Tulvings forskargrupp i Toronto.

– PET hade funnits längre och var mer etablerat, säger Lars Nyberg. Det är en bra och precis teknik för vissa ändamål, men också omständlig, och involverar radioaktiva markörer i kroppen. På många sätt var det en lättnad att senare gå över till funktionell MR.

Förutom att fMRI är enklare att jobba med och inte involverar radioaktivitet så är teknikens stora fördel att den är ganska noggrann i både tid och rum, förklarar han. Man ser både var och när något händer, med enstaka millimeters och sekunders noggrannhet. PET är sämre på tid. EEG är bättre på tid, men ger sämre rumslig information.

Lars Nyberg håller med Christoffer Rahm om att fMRI lett till ett nytt synsätt på hjärnan.

– Ordet paradigmskifte används lite slängigt ibland, men här tycker jag att det är befogat, säger han. När jag läste psykologi var nästan allt vi lärde oss om hjärnans funktioner härlett från personer med skador och sjukdomar. Om den som får en skada i en viss del av hjärnan tappar en viss förmåga kan man anta att det finns en koppling – det var det klassiska tillvägagångssättet inom neuropsykologi. Det ledde till en bild av hjärnan där varje funktion är lokaliserad till en plats. fMRI har fått oss att överge det synsättet och i stället förstå hjärnans funktioner som olika nätverk.

Det är inte så att de gamla uppfattningarna helt saknade grund, förtydligar han. Visst är synbarken viktig för vårt synsinne, men inte ensam utan som del av ett visuellt nätverk. Och visst har hippocampus en nyckelroll i minnet, men i mycket mer samarbete med andra delar av hjärnan än forskarna föreställt sig.

– Det som särskilt stod ut när jag gjorde mina första minnesstudier med fMRI var frontallobernas aktivering, säger Lars Nyberg. Det var jag inte alls beredd på. I dag känns det snarare självklart att frontalloberna ska vara med även där. Vi har förstått mycket mer av deras betydelse för fokus, koncentration, exekutiva funktioner.

Ett annat exempel är lillhjärnan, cerebellum, vars koppling till motorik och balans varit känd länge.

– Nu ser vi att lillhjärnan kommer in i nästan allting, inklusive kognition, vilket inte alls var väntat. Gamla läroböcker behöver skrivas om, säger Lars Nyberg.

Ett fascinerande nätverk i hjärnan är det så kallade standardnätverket, default mode network, vars aktivitet ökar när personen inte gör eller fokuserar på något särskilt.

– Det har kopplats till dagdrömmeri, introspektion, stunder när vi låter tankarna komma och gå. Det görs väldigt mycket forskning för att förstå mer om standardnätverket, säger Lars Nyberg.

Vad tror du om framtiden för fMRI?

– Det fanns en tid när funktionell MR var så hett att det blev lite gräddfil till publicering i de mest prestigefulla vetenskapliga tidskrifterna. Den hajpen är över, men fMRI är och kommer fortsätta att vara ett av flera viktiga verktyg för oss. Jag försöker lära mina studenter att det inte finns en teknik som är bäst, utan att det gäller att välja rätt verktyg för rätt frågeställning. Det finns också en stor potential i att kombinera fMRI med andra tekniker. Då får man pusselbitar från flera håll som tillsammans kan besvara svårare frågeställningar.

Tillbaka till Lund, där plattformsledaren Karin Markenroth Bloch är spindeln i nätet som koordinerar olika forskares användning av 7 tesla-kameran. Hon konstaterar att många av projekten rör just fMRI.

– Det varierar lite, men uppskattningsvis mellan en tredjedel och hälften, och med viss ökning över tid, säger hon.

Bredden på ämnen är stor, förklarar hon. Hit har forskare kommit för att studera allt från demens och epilepsi till hur hjärnan lär sig spela piano.

– En forskargrupp här i Lund använder kameran för att studera hur rädsla lärs in och bearbetas. Just nu gör de en studie av spindelfobi.

I en monter i hennes jobbentré står den där första MR-kameran, Lundafysikernas hemmabygge. Den var på 0,07 tesla – en hundradel av den nuvarande kamerans styrka. Kommer utvecklingen mot nya starkare kameror att fortsätta?

– Säkert lite, men inte lika markant. Det blir snabbt mycket svårare när man försöker gå ännu längre. Vi är inte på väg mot 70 tesla. Det finns en 11,7 tesla-kamera i Paris nu, det är nog världens starkaste i dag. Den kan inte skanna en hel människa, bara huvudet eller något i motsvarande storlek. Ändå är maskinen stor som ett trevåningshus, säger Karin Markenroth Bloch.

Det svåra är inte att skapa själva magnetstyrkan utan att magnetfältet samtidigt måste vara extremt jämnt över ett stort område och stabilt över tid, förklarar hon.

– Utvecklingen mot starkare magnetfält har gett oss mer högupplösta fMRI-bilder, men mycket annat spelar också roll. Jag tror att den tekniska utvecklingen framöver exempelvis kommer att handla om bättre algoritmer för mer effektiv användning av kameran.

Hur mycket är 7 tesla? Vad går det att jämföra med?

– En bilskrotsmagnet som lyfter hela bilar ligger runt 1 tesla. Lyftkraften ökar med kvadraten på magnetfältets styrka så 7 tesla blir 49 gånger starkare. Det är tillräckligt för att lyfta ett medelstort flygplan.