Методы функциональной нейровизуализации головного мозга

Развитие МРТ и компьютерных технологий позволило перейти от сугубо анатомической визуализации (статических изображений ткани, как если бы она была неживой) к функциональной нейровизуализации, позволяющей исследователям измерить показатели кровотока, оксигенации и уровня глюкозы в мозге пациентов или здоровых добровольцев, занятых выполнением когнитивных задач.

Когда область мозга активна, в ней усиливается кровоток, повышаются оксигенация и уровень глюкозы. Это значит, что изменения активности мозга можно оценить по таким показателям, как гемодинамика или концентрация веществ в крови, например кислорода, глюкозы и железа. Для этого были разработаны три метода — функциональная МРТ, оптическая томография и позитронно-эмиссионная томография.

а) Функциональная магнитно-резонансная томография. Когда нейроны активируются, они потребляют больше кислорода, что приводит к временному снижению уровня насыщения крови кислородом. В то же время активность нейронов вызывает повышение уровня углекислого газа в крови, приводящее к расширению кровеносных сосудов, усилению кровотока и более интенсивному снабжению соответствующей области кислородом.

Питер Фокс и его коллеги (Peter Fox, Fox & Raichle, 1986) обнаружили, что при повышении активности человеческого мозга благодаря усилению кровотока мозг получает больше кислорода, чем ему необходимо. В итоге уровень насыщения кислородом в активной области мозга повышается.

Доставку кислорода обеспечивают содержащиеся в эритроцитах молекулы гемоглобина. Изменение соотношения между оксигемоглобином и дезоксигемоглобином приводит к изменению магнитных свойств крови, поскольку дезоксигемоглобин по своим магнитным свойствам превосходит оксигемоглобин. В 1990 г.

Сеги Огава и его коллеги (Segi Ogawa, Ogawa et al., 1990) продемонстрировали, что MPT позволяет с высокой точностью сопоставить такие изменения магнитных свойств с определенными участками мозга. Этот метод, называемый функциональной магнитно-резонансной томографией (фМРТ), позволяет выявить области, активность которых изменяется.

На рисунке 1 показаны изменения сигнала зрительной коры при предъявлении световых стимулов испытуемому во время проведения фМРТ. При включении света зрительная кора (видна в нижней части изображений мозга) становится более активной по сравнению с исходным уровнем (свет выключен). Другими словами, о функциональных изменениях в мозге свидетельствует усиление и ослабление MP-сигнала, вызванное изменениями уровня насыщения кислородом.

Рисунок 1. Визуализация изменений активности мозга. Последовательность фМРТ-сканов поперечного среза нормального мозга человека в области середины затылочной доли (в нижней части каждого изображения) во время зрительной стимуляции. Полученное в темноте исходное изображение (первое слева) вычли из последующих изображений. Испытуемому надевали плотно прилегающие очки со светодиодами, которые включали и выключали, чтобы получить последовательность изображений в течение 270 с. Обратите внимание на выраженную активность зрительной коры при включенном свете и быстрый спад активности при выключении света — их можно увидеть на графике интенсивности сигнала под изображениями мозга

Наложение анатомических изображений на изображения, полученные с помощью МРТ, позволяет сопоставить выявленные с помощью фМРТ изменения активности с определенными мозговыми структурами. Благодаря плотности сосудистой сети коры больших полушарий пространственное разрешение фМРТ составляет около 1 мм — такого разрешения достаточно для определения источника мозговой активности.

С другой стороны, поскольку изменение кровотока обычно занимает до 1/3 с, временное разрешение фМРТ ниже временного разрешения ЭЭГ и метода регистрации ПСС.

Второй недостаток фМРТ состоит в том, что испытуемый должен неподвижно лежать в длинной издающей громкий шум трубе, что может стать причиной клаустрофобии. Замкнутость пространства и неподвижность также затрудняют применение метода для проведения поведенческих экспериментов. Тем не менее фМРТ остается основным методом когнитивной нейробиологии.

Живой мозг активен всегда, и исследователям удалось исследовать функцию мозга и его связей путем анализа сигналов фМРТ в состоянии покоя — в период, когда испытуемый не занят выполнением какой-либо задачи. Такой сигнал фМРТ покоя можно получить, когда испытуемый лежит с закрытыми глазами или лежит с открытыми глазами, глядя в одну точку.

Регистрация мозговой активности при фМР-сканировании происходит с интервалами длительностью не менее 4 мин. Исследователи пытаются сократить длительность этого периода, увеличивая мощность статического магнитного поля и применяя более чувствительные катушки индуктивности. Статистический анализ данных предполагает определение зависимости активности в различных областях мозга от времени.

Несмотря на то что метод фМРТ покоя только развивается, исследователям уже удалось идентифицировать множество сетей головного мозга и аномалий при таких патологических состояниях, как деменция и шизофрения, когда пациенты испытывают трудности с выполнением когнитивных задач (Takamura & Hanakawa, 2017).

б) Оптическая томография. Функциональное исследование мозга с использованием ближней инфракрасной спектроскопии (БИС) — это разновидность оптической томографии, метода функциональной нейровизуализации, который предполагает реконструкцию объекта путем измерения пропускаемого им света. Главным условием применения метода является то, что объект должен хотя бы частично пропускать свет. Это значит, что оптическая томография позволяет визуализировать мягкие ткани организма, в том числе молочную железу и мозг.

При функциональном исследовании мозга с использованием БИС отраженное инфракрасное (ИК) излучение используют для определения гемодинамических параметров — это становится возможным благодаря тому, что спектры поглощения оксигемоглобина и дезоксигемоглобина различаются. Измерение поглощения ИК-излучения кровью позволяет получить среднее значение оксигенации головного мозга.

Таким образом, функциональное исследование мозга с использованием БИС и фМРТ предназначены для измерения одних и тех же показателей, однако используют для этого разные инструменты. При функциональном исследовании мозга с использованием БИС излучатели и детекторы попарно устанавливают на волосистую часть головы, как показано на рис. 2, А.

Рисунок 2. Функциональное исследование мозга с использованием БИС. А. Излучатели (красные) и детекторы (синие) устанавливают на поверхности головы. Б. Испускаемый излучателем свет проникает через кожу и кости черепа, а затем в мозг на глубину около 2 см. Частично свет отражается, этот отраженный свет улавливает детектор, установленный на волосистой части головы. Отраженный свет исходит от слоев, лежащих на глубине 2 см, а также от лежащих выше тканей — на рисунке это обозначено пунктирными линиями.

Очевидное преимущество функционального исследования мозга с использованием БИС состоит в том, что оборудование достаточно просто установить на испытуемого. Метод позволяет исследовать одних и тех же людей с детства и до старости. Недостаток метода состоит в том, что свет проникает в мозг недостаточно глубоко, поэтому исследователям приходится ограничиваться измерением активности коры головного мозга (рис. 2, Б).

Пространственное разрешение метода также ниже, чем у других неинвазивных методов. При этом оборудование для функционального исследования мозга с использованием БИС допускает установку на волосистую часть головы свыше 100 детекторов, что позволяет получить достаточное пространственное разрешение. Функциональное исследование мозга с использованием БИС применяют, чтобы отличить ткань злокачественной опухоли от здоровой ткани. Применение данного метода, возможно, будет способствовать безопасному удалению злокачественных опухолей и улучшению исхода заболевания (Kut et aL, 2015).

в) Позитронно-эмиссионная томография. Исследователи применяют позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) для изучения метаболической активности клеток, задействованных в процессах обработки информации — в том числе обработки речи. ПЭТ позволяет выявить изменения мозгового кровотока путем измерения потребления таких веществ, как кислород и глюкоза (Posner & Raichle, 1997). ПЭТ-сканер, подобный изображенному на рис. 3, представляет собой по форме напоминающую бублик систему детекторов радиоактивного излучения, в которую помещают голову испытуемого.

Рисунок 3. ПЭТ-сканер и ПЭТ-изображение. На фото слева изображен испытуемый, лежащий в ПЭТ-сканере, схема которого представлена в центре. На изображении справа видны ярко-красные и желтые области — области с интенсивным кровотоком

В кровь испытуемого вводят небольшое количество содержащей радиоактивную метку воды. Такие молекулы, в состав которых входит радиоактивный изотоп кислорода ¹⁵О, не представляют никакой опасности для здоровья человека по причине крайней нестабильности. Они распадаются в течение нескольких минут и быстро выводятся из организма. (Атмосферный кислород, которым мы дышим, в основном представлен стабильными молекулами ¹⁶О.)

Радиоактивные молекулы ¹⁵О высвобождают крошечные положительно заряженные субатомные частицы, которые называют позитронами (положительно заряженные электроны). Нестабильный атом высвобождает позитроны вследствие недостатка нейтронов. Позитроны притягиваются к отрицательно заряженным электронам мозга, а соударение двух частиц приводит к аннигиляции обеих, сопровождающейся выделением энергии.

P.S. Меченные фтором-18 (¹⁸F) молекулы глюкозы приме; няют в качестве маркера метаболизма. Методы, основанные на применении ¹⁸F и ¹⁵О, используют один и тот же принцип.

Такая энергия в форме двух фотонов (квантов света) покидает голову человека со скоростью света, после чего ее улавливает ПЭТ-сканер. Фотоны разлетаются от места аннигиляции позитрон-электронной пары внутри головы в противоположных направлениях — это позволяет детекторам определить источник эмиссии (см. рис. 3). Компьютер идентифицирует совпадающие фотоны и локализует источник эмиссии, чтобы получить ПЭТ-изображение.

ПЭТ-системы подходят для измерения мозгового кровотока, поскольку концентрация нестабильных радиоактивных молекул в мозге прямо пропорциональна скорости кровотока. Локальный кровоток, в свою очередь, связан с нейронной активностью, поскольку высвобождаемые активными нейронами ионы калия обеспечивают расширение расположенных поблизости кровеносных сосудов. Чем больше интенсивность кровотока, тем выше регистрируемый ПЭТ-сканером уровень радиоактивного излучения.

Однако исследователи, изучающие связь между кровотоком и мозговой деятельностью с использованием ПЭТ, применяют вычитание изображений. Они вычитают контрольное изображение, полученное в момент, когда мозг находится в выбранном функциональном состоянии, из изображений кровотока, полученных в процессе выполнения испытуемым каких-либо задач (рис. 4, вверху). Такая процедура вычитания позволяет выявить изменение кровотока, связанное с изменением функционального состояния.

Рисунок 4. Процедура вычитания изображений. В верхнем ряду изображений контрольное изображение, полученное в покое при фиксации взгляда на одной точке (контроль) вычли из экспериментальных изображений, полученных при просмотре изображения мерцающей шахматной доски (стимуляция). При вычитании были получены разные изображения для каждого из пяти участников эксперимента (средний ряд) — у всех участников наблюдается усиление кровотока в затылочной области. Разностные изображения усредняют, чтобы получить репрезентативное изображение (внизу)

Изменения, выявленные у разных испытуемых, можно усреднить, чтобы получить репрезентативное усредненное изображение, позволяющее идентифицировать области, которые активируются во время выполнения задачи (внизу). ПЭТ не измеряет локальную нейронную активность напрямую; вместо этого определение активности осуществляется исходя из предположения, что интенсивность кровотока выше в той области, где выше активность нейронов.

Основным ограничением ПЭТ является то, что радиоактивные вещества, в том числе так называемые радиоактивные препараты, применяемые для исследования мозга человека, должны быть получены с помощью циклотрона, установленного недалеко от сканера, поскольку их период полураспада очень мал и время транспортировки является значимым ограничивающим фактором. Получение таких веществ очень дорогостоящий процесс. Несмотря на дороговизну ПЭТ имеет ряд преимуществ перед другими методами визуализации:

• ПЭТ дает возможность измерить излучение сотен различных радиоактивных веществ, что позволяет применить этот метод для картирования многих мозговых изменений и состояний, в том числе изменения pH, уровней глюкозы, кислорода, аминокислот, нейромедиаторов и белков;

• ПЭТ позволяет определить относительную концентрацию определенного нейромедиатора, плотность рецепторов нейромедиатора, а также метаболическую активность, связанную с обучением, отравлением мозга и дегенеративными процессами, которые могут сопутствовать старению;

• ПЭТ успешно применяют для исследования когнитивных функций. Например, данные ПЭТ подтверждают, что различные области мозга выполняют разные функции.

Существуют гибридные диагностические системы для визуализации, которые представляют собой комбинации различных методов, например ПЭТ-КТ, ПЭТ-МРТ и ПЭТ-МРТ-ЭЭГ.

Преимуществом таких гибридных систем является то, что они позволяют получить высококачественные анатомические изображения, а затем наложить на них данные функциональных/метаболических исследований, чтобы точно локализовать определенный процесс — и все это в рамках одного исследования. Раньше такое было невозможно.

г) Вопросы для контроля и закрепления изученного. Прежде чем продолжить, проверьте себя.
1. Основные методы функциональной нейровизуализации — это _____ и _____ .
2. ПЭТ предполагает применение _____ для исследования мозговых процессов и идентификации изменений.
3. фМРТ и оптическая томография предназначены для определения изменений _____ .
4. В чем состоит научная ценность исследований в состоянии покоя?

д) Ответы на вопросы для самоконтроля:
1. В любом порядке: функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ); оптическая томография (функциональное исследование с использованием БИС); позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).
2. Снабженных радиоактивной меткой молекул воды; в нейрохимических процессах.
3. Мозгового кровотока.
4. Проведение ПЭТ и фМРТ в состоянии покоя позволяет, выявить аномальную мозговую деятельность при патологических состояниях. фМРТ в состоянии покоя также позволяет исследовать функциональные связи между различными областями мозга.

- Читать далее "Биохимические и генетические методы исследования мозга с поведением"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 23.8.2023