Функциональная МРТ головного мозга с 1990-х годов прошлого века получила широкое распространение. Внедрение методики способствовало выявлению некоторых злокачественных образований (опухолей), которые другими методами выявить сложнее. Особенностями функциональных магнитно-резонансных исследований мозговой ткани является оценка изменений кровоснабжения вследствие изменения нейронной стимуляции спинного и головного мозга. Возможность получения качественных результатов при МР-томографии обусловлена усилением притока крови к области мозга, которая активно действует.
Специалисты изучили нормальную активность коры головного мозга, состояние ткани при опухолях, что позволило провести дифференциальную диагностику патологии. Отличия МР-сигнала в норме и при патологических состояниях делают нейровизуализацию незаменимым диагностическим методом.
Нейровизуализация стала разрабатываться в 1990-ом году, когда функциональная МРТ стала активно использоваться для диагностики образований головного мозга вследствие высокой достоверности, отсутствия лучевого облучения пациента. Единственным неудобством метода является необходимость длительного пребывания пациента на диагностическом столе.
Морфологические основы функциональной МРТ головного мозга
Глюкоза не является важным субстратом для работы головного мозга, но при ее отсутствии нарушается функционирование нейронных каналов, которые обеспечивают физиологическую работу мозговой ткани.
Глюкоза поступает к клеткам по сосудам. Одновременно в мозг попадает кислород, связанный молекулой гемоглобина эритроцитов. Молекулы кислорода участвуют в процессах тканевого дыхания. После потребления кислорода мозговыми клетками возникает окисление глюкозы. Биохимические реакции при тканевом дыхании способствуют изменению магнетизации тканей. Индуцированный МРТ-процесс регистрируется программным обеспечением, что позволяет получить трехмерное изображение с тщательной прорисовкой каждой отдельной детали.
Изменение магнитных свойств крови возникает практически при всех злокачественных образованиях головного мозга. Избыточный приток крови определяется программным обеспечением при сравнении с нормальными величинами. Физиологически прослеживается разный МР-сигнал от поясной коры, таламуса, базальных ганглиев.
Низкий поток прослеживается в париетальной, латеральной, лобной доле. Изменение микроциркуляции данных областей сильно изменяет чувствительность сигнала.
Функциональная диагностика МРТ зависит от состояния и количества гемоглобина в исследуемой области. Молекула вещества может содержать кислород или его альтернативные заменители. Под действием сильного магнитного поля происходит колебание кислорода, что искажает качество сигнала. Намагниченность канала приводит к быстрому полураспаду кислорода. Воздействие сильного магнитного поля усиливает период полураспада вещества.
На основе информации можно сделать вывод относительно более высокого качества МР-сигнала в областях мозга, которые насыщены кислорода. Злокачественные мозговые образования имеют густую сосудистую сеть, поэтому хорошо визуализируются на томограммах. Для качественных результатов интенсивность магнитного поля должно быть выше 1,5 Тесла. Последовательность импульсов приводит к повышению полураспада.
Активность МР-сигнала, регистрируемого от активности нейронов, носит название «гемодинамический ответ». Термин определяет скорость нейронных процессов. Физиологическое значение параметра – 1-2 секунды. Данный интервал недостаточен для качественной диагностики. Чтобы получить хорошую визуализацию при объемных образованиях мозга магнитно-резонансная диагностика проводится с дополнительным стимулированием глюкозой. После ее введения пик активности наблюдается через 5 секунд.
Функциональная диагностика МРТ при раке мозга
Применение МРТ в нейрорадиологии расширяется. Для диагностики опухолей головного и спинного мозга применяется не только функциональное исследование. В последнее время активное распространение получили современные способы:
Перфузионно-взвешенная;
Диффузионная;
Контрастно-насыщенное исследование (BOLD).
Контрастирование BOLD после насыщения кислородом помогает провести диагностику активности сенсорной, моторной коры, очагов речи Вернике и Брока.
Способ базируется на регистрации сигнала после специфической стимуляции. Функциональная диагностика МРТ при сравнении с другими способами (ПЭТ, эмиссионная КТ, электроэнцефалография) Функциональное МРТ помогает получить картинку с пространственным разрешением.
Для понятия сути графической картины мозга при магнитно-резонансной томографии проводим изображения мозговой ткани после МРТ после чтения «сырых» изображений (а), совмещения нескольких томограмм (б).
Двигательная активность мозговой коры после использования способа корреляционных коэффициентов позволяет получить пространственное изображение результатов с визуализацией зон повышенной магнитной активности. Область Брока при функциональной МРТ определяется после обработки «сырых» томограмм. Стимуляция корреляционных коэффициентов помогает генерировать график соотношения интенсивности сигнала в определенном временном промежутке.
На следующих томограммах прослеживается картина у пациента при апластической эпендимоме – опухолью с повышенным смещением возбудимости в зоне, которая отвечает за активность функциональной коры мозга.
График показывает активные области, в которых локализуется злокачественное новообразование. После получения данных томограмм для иссечения патологической области была проведена субтотальная резекция.
На следующих МР-томограммах изображена глиобластома. Функциональная диагностика позволяет качественно визуализировать данное образование. В данной области располагает зона, отвечающая за активность пальцев правой руки. На изображениях визуализируется усиление активности в областях после стимуляции глюкозой. Функциональная магнитно-резонансная диагностика при глиобластоме в данном случае позволила точно визуализировать локализацию, размеры образования. Расположение рака в моторной коре приведет к отказу движений пальцев правой руки при возникновении атипичных клеток в коре головного мозга.
При некоторых образованиях функциональная МРТ головного мозга показывает несколько десятков разных изображений, возникающих вследствие динамического изменения МР-сигнала с искажением до 5%. При таком разнообразии сложно установить правильность расположения патологического образования. Для исключения субъективности зрительной оценки требуется программная обработка «сырых» снимков, полученная с использованием статистических способов.
Для получения качественных результатов при функциональной диагностике МРТ в сравнении с традиционным аналогом требуется помощь пациента. При тщательной подготовке повышается метаболизм глюкозы и кислорода, что снижает количество ложноположительных результатов, артефактов.
Высокое техническое оснащение магнитно-резонансных томографов позволяет улучшить картинку.
Самый частый вариант применения функциональной магнитно-резонансной томографии – это визуализация основных зон активности коры головного мозга – зрительной, речевой, моторной.
Функциональное МРТ исследование головного мозга – клинические эксперименты
Зрительная стимуляция корковых зон с помощью функционального МРТ по методу «J.Belliveau» предполагает зрительную стимуляцию с использованием болюстного контрастирования препаратом гадолинием. Подход позволяет регистрировать падение эхо-сигнала вследствие разной чувствительности между контрастом, проходящим по сосудам и окружающим тканям.
Клинические исследования установили, что зрительная стимуляция корковых зон на свету и в темноте сопровождается разницей активности примерно на 30%. Такие данные получены при обследовании на животных.
Эксперименты были основаны на методику определения сигнала, полученного от дезоксигемоглобина, обладающего парамагнитными способностями. На протяжении первых 5 минут после стимулирования мозговой активности глюкозой активируется процесс анаэробного гликолиза.
Стимуляция приводит к повышению перфузионной активности нейронов, так как микроциркуляция после поступления глюкозы существенно усиливается за счет падения концентрации дезоксигемоглобина – вещества, переносящего углекислый газ.
На Т2-взвешенных томограммах прослеживается увеличение активности сигнала – методика получила название BOLD-контрастирование.
Такая методика функционального контрастирования не является совершенной. При планировании нейрохирургических операций на опухолях требуется проведение обычного и функционального исследования.
Сложности функциональной магнитно-резонансной томографии заключаются в необходимости пациента выполнять активирующие действия. Для этого через переговорное устройство оператор передает задание, которое человек должен сделать с особой тщательностью.
Тренировку пациента необходимо проводить до функционального МРТ исследования. Заранее требуется умственный покой, подготовка двигательной активности.
Статистическая обработка результатов при правильном выполнении позволяет тщательно обследовать «сырые» томограммы, составлять на их основе трехмерное изображение. Для грамотной оценки значений нужно проводить не только структурную, но и функциональную оценку состояния коры головного мозга. Результаты обследования оцениваются одновременно нейрохирургом и неврологом.
Внедрению МРТ с функциональными пробами в массовую медицинскую практику не позволяют ограничения:
1. Высокие требования к томографу;
2. Отсутствие стандартизированных разработок относительно заданий;
3. Появление ложных результатов, артефактов;
4. Выполнение человеком непроизвольных движений;
5. Наличием в теле металлических предметов;
6. Потребность в дополнительных звуковых и визуальных стимуляторах;
7. Высокая чувствительность металлов к эхо-планарным последовательностям.
Перечисленные противопоказания ограничивают распространение исследования, но их можно устранить путем тщательной разработки рекомендаций к МРТ.
Основные цели проведения функционального магнитно-резонансной томографии:
Анализ локализации патологического очага для прогнозирования хода хирургического вмешательства при опухоли, оценки функциональной активности;
Планирование краниотомии в областях на удалении от зон основной активности мозга (зрительная, речевая, моторная, чувствительная);
Выбор группы людей для инвазивного картирования.
Функциональные исследования существенно коррелируют с прямой стимуляцией корковой активности мозговой ткани специальными электродами.
Максимальный интерес представляет функциональная МРТ для российских врачей, так как картирование в нашей стране только начинает развиваться. Для планирования оперативной активности магнитно-резонансное исследование с функциональными пробами представляет большой интерес.
Таким образом, функциональные исследования МРТ в нашей стране находятся на уровне практических проб. Частое использование процедуры наблюдается при супратенториальных опухолях, когда МРТ исследование является необходимым дополнением предоперационного этапа.
В заключение выделим современные аспекты развития технологии «мозг-компьютер». На основе данной технологии разрабатывается «компьютерный симбиоз». Сочетание электроэнцефалографии и МРТ позволяет создать полноценную картинку функционирования головного мозга. С помощью наложения одного исследования на другое получается качественная картинка, указывающая на соотношение анатомических и функциональных особенностей работы нейронов.
ТЕХНОЛОГИИ
Е.И. Кремнева, Р.Н. Коновалов, М.В. Кротенкова
Научный центр неврологии РАМН (Москва)
Начиная с 90-х гг. XX в., функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) является одной из ведущих методик картирования функциональных зон головного мозга в виду своей неинвазивности, отсутствия лучевой нагрузки и относительно широкой распространенности. Суть данной методики заключается в измерении гемодинамических изменений в ответ на нейрональную активность (BOLD-эффект). Для успеха фМРТ-эксперимента необходимо: наличие соответствующего технического обеспечения (высокопольный МР-томо-граф, специальное оборудование для выполнения заданий), разработка оптимального дизайна исследования, постобработка полученных данных. В настоящее время методика применяется не только в научных целях, но и в практической медицине. Однако нужно всегда помнить о некоторых ограничениях и противопоказаниях, особенно при проведении фМРТ у пациентов с различной патологией. Для правильного планирования исследования и интерпретации его результатов необходимо привлечение различных специалистов: нейрорентгенологов, биофизиков, неврологов, психологов, поскольку фМРТ является мультидисциплинарной методикой.
Ключевые слова: фМРТ, BOLD-контраст, дизайн исследования, постобработка
На протяжении многих веков ученых и врачей интересовало, как функционирует человеческий мозг. С развитием научного и технического прогресса стало возможным приоткрыть завесу этой тайны. И особенно ценным стало изобретение и внедрение в клиническую практику такого неинвазивного метода, как магнитно-резонансная томография (МРТ). МРТ - сравнительно молодой метод: первый коммерческий 1,5 Т-томограф начал работу только в 1982 г. Однако уже к 1990 г. непрерывное техническое совершенствование метода позволило использовать его не только для исследования структурных особенностей головного мозга, но и для изучения его функционирования. В этой статье речь пойдет как раз о методике, позволяющей проводить картирование различных функциональных зон головного мозга - функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ).
Основные принципы методики фМРТ_
фМРТ - методика МРТ, измеряющая гемодинамический ответ (изменение кровотока), связанный с активностью нейронов. В ее основе лежат два основных понятия: ней-роваскулярное взаимодействие и BOLD-контраст.
фМРТ не позволяет увидеть электрическую активность нейронов напрямую, а делает это опосредованно, через локальное изменение кровотока. Это возможно благодаря феномену нейроваскулярного взаимодействия - регионального изменения кровотока в ответ на активацию близлежащих нейронов. Данный эффект достигается через сложную последовательность взаимосвязанных реакций, протекающих в нейронах, окружающей их глие (астроци-ты) и эндотелии стенки сосудов, поскольку при усилении активности нейроны нуждаются в большем количестве кислорода и питательных веществ, приносимых с током крови . Методика фМРТ как раз и позволяет непосредственно оценить изменение гемодинамики.
Это стало возможным в 1990 г., когда Seiji Ogawa и его коллеги из Bell Laboratories (США) предложили использовать BOLD-контраст для исследования физиологии мозга при помощи МРТ . Их открытие положило начало эре
современной функциональной нейровизуализации и легло в основу большинства фМРТ исследований. BOLD-конт-раст (дословно - blood-oxygenation-level dependent, зависящий от уровня оксигенации крови) - это различие МР-сиг-нала на изображениях c использованием градиентных последовательностей в зависимости от процентного содержания дезоксигемоглобина . Дезоксигемоглобин имеет отличные от окружающих тканей магнитные свойства, что при сканировании приводит к локальному возмущению магнитного поля и понижению сигнала в последовательности «градиентное эхо». При усилении кровотока в ответ на активацию нейронов дезоксигемоглобин вымывается из тканей, а на смену ему приходит оксигенированная кровь, по магнитным свойствам схожая с окружающими тканями. Тогда возмущение поля уменьшается, и сигнал не подавляется - и мы видим его локальное усиление (рис. 1А).
Таким образом, суммируя все вышесказанное, общую схему фМРТ можно представить следующим образом: активация нейронов в ответ на действие раздражителя и увеличение их метаболических потребностей приводит к локальному усилению кровотока, регистрируемого при проведении фМРТ в виде BOLD-сигнала - произведения нейрональной активности и гемодинамического ответа (рис. 1Б).
рис. 1: А - схематическая иллюстрация ВОШ-контраста в опыте Ода\га при изменении процентного содержания кислорода в крови крыс; при вдыхании обычного воздуха (21% кислорода), в коре определяются участки понижения сигнала (в верхней части рисунка), соответствующие сосудам с повышенным содержанием дезоксигемоглобина; при вдыхании чистого кислорода, отмечается однородный МР-сигнал от коры головного мозга (в нижней части рисунка); Б - общая схема формирования ВОШ-сигнала
Планирование эксперимента
Для проведения фМРТ исследования необходимо наличие высокопольного МР-томографа (величина индукции магнитного поля - 1,5 Т и выше), различное оборудование для проведения заданий при сканировании (наушники, видеоочки, проектор, различные пульты и джойстики для обратной связи с испытуемыми т. п.). Немаловажный фактор - готовность исследуемого к сотрудничеству.
Схематично сам процесс сканирования (на примере зрительной стимуляции) выглядит следующим образом (рис. 2): испытуемый находится в томографе; через специальную систему зеркал, закрепленную над головой, ему доступны изображения, выводимые через видеопроектор на экран. Для обратной связи (если это подразумевается в задании) пациент нажимает кнопку на пульте. Подача стимулов и контроль выполнения задания осуществляется при помощи консоли в пультовой.
Задания, которые выполняет испытуемый, могут быть различными: зрительными, когнитивными, моторными, речевыми и т. д., в зависимости от поставленных целей. Существуют два основных типа представления стимулов в задании: в виде блоков - блоковый дизайн, и в виде отдельных разрозненных стимулов - дискретный дизайн (рис. 3). Также возможна комбинация обоих этих вариантов - смешаный дизайн.
Наиболее широко распространенным, особенно для двигательных заданий, является блоковый дизайн, когда одинаковые стимулы собраны в блоки, чередующиеся между собой. Примером служит задание сжимать резиновый мячик (каждое сжимание - это и есть отдельный стимул) в течение определенного отрезка времени (в среднем - 20-30 с), чередующееся с аналогичными по продолжительности периодами покоя. Подобный дизайн обладает наибольшей статистической силой, поскольку происходит суммирование отдельных BOLD-сигналов. Однако он, как правило, предсказуем для пациентов и не позволяет оценить реакцию на отдельный стимул, а потому не годится для некоторых заданий, в частности, для когнитивных.
рис. 2: Схема фМРТ-эксперимента (по материалам ресурса http://psychology.uwo.ca/fmri4newbies, с изменениями)
Блоковый
Дискретный (event-related)
А 11 i А Д1 iil iiitU I I,
рис. 3: Основные типы дизайнов фМРТ-исследований
Функциональная магнитно-резонансная томография
Для этого существует дискретный дизайн, когда стимулы подаются в хаотичном порядке через разные промежутки времени. Например, испытуемому с арахнофобией показывают нейтральные изображения (цветы, здания и проч.), среди которых время от времени появляются изображения паука, что позволяет оценить активацию головного мозга в ответ на неприятные стимулы. При блоковом дизайне это было бы сложно: во-первых, исследуемый знает, когда появится блок, и уже заранее готовится к этому, а во-вторых, если в течение длительного времени предъявлять один и тот же стимул, реакция на него притупляется . Именно дискретный дизайн может использоваться при фМРТ в качестве детектора лжи или в маркетинговых исследованиях, когда добровольцам показывают различные варианты продукции (ее упаковки, формы, цвета) и наблюдают за их неосознанной реакцией.
Итак, мы выбрали дизайн задания, провели сканирование. Что же мы получаем в итоге? Во-первых, это 4D-серия функциональных данных в последовательности «градиентное эхо», представляющая собой многочисленные повторные сканирования всего объема вещества головного мозга в течение выполнения задания. А во-вторых, 3D-объем анатомических данных высокого разрешения: например, 1 х 1 х 1 мм (рис. 4). Последний необходим для точного картирования зон активации, поскольку функциональные данные имеют низкое пространственное разрешение.
Постобработка данных_
Изменения МР-сигнала в зонах активации головного мозга при различных состояниях составляют всего 3-5%, они неуловимы для человеческого глаза. Поэтому далее полученные функциональные данные подвергаются статистическому анализу: строится кривая зависимости интенсивности МР-сигнала от времени для каждого воксела изображения при различных состояниях - экспериментальном (подача стимула) и контрольном. В результате мы получаем статистическую карту активации, совмещенную с анатомическими данными.
Но до того как непосредственно провести подобный анализ, необходимо подготовить полученные по окончании сканирования «сырые» данные и снизить вариабельность результатов, не связанную с экспериментальной задачей . Алгоритм подготовки представляет собой многоэтапный процесс, и он очень важен для понимания возможных неудач и ошибок при интерпретации полученных результатов. В настоящее время существует различное программ-
Щ -.V w <# %>
40 4»r ч® Ф W
рис. 4: Серии функциональных (А) и анатомических (Б) данных, полученных по окончании сканирования
ное обеспечение для предварительной обработки полученных данных, выпускаемое как производителями МР-томо-графов, так и независимыми исследовательскими фМРТ-лабораториями. Но, несмотря на различия используемых методов, их названий и представления данных, все этапы подготовки сводятся к нескольким основным шагам.
1. Коррекция движения головы испытуемого. При выполнении заданий это неизбежно, несмотря на использование различных приспособлений для фиксации головы (маски, зажимы на головной катушке и проч.). Даже минимальное движение может приводить к выраженному искусственному изменению интенсивности МР-сигнала между последовательными объемами данных, особенно если смещение головы связано с выполнением экспериментального задания. В этом случае сложно различить «истинную» BOLD-активацию от «искусственной» - возникающей вследствие движения исследуемого (рис. 5).
Общепринято принимать за оптимальное смещение головы не более чем на 1 мм . При этом смещение перпендикулярно плоскости сканирования (направление «голова - ноги») существенно хуже для корректной статистической обработки результатов, чем смещение в плоскости сканирования. На данном этапе используется алгоритм трансформации твердого тела (rigid-body transformation) - пространственная трансформация, при которой изменяются только позиция и ориентация объекта, а его размеры или форма постоянны . На практике обработка выглядит следующим образом: выбирается референтый (как правило, первый) функциональный объем изображений, а все последующие функциональные объемы математически совмещаются с ним, подобно тому, как мы выравниваем бумажные листы в стопке.
2. Корегистрация функциональных и анатомических данных.
Различия в положении головы исследуемого приводятся к минимуму. Также осуществляются компьютерная обработка и сопоставление анатомических данных высокого разрешения и функциональных - очень низкого, для возможности последующей локализации зон активации.
рис. 5: Пример смещения головы пациента во время сканирования при выполнении моторной парадигмы. В верхней части рисунка - график движения головы испытуемого в трех взаимно перпендикулярных плоскостях: средняя кривая отражает смещение пациента по оси z (направление «голова -ноги»), и она выраженно отклоняется при начале выполнения движения и по его окончании. В нижней части - статистические карты активации того же самого испытуемого без коррекции движения. Определяются типичные артефакты от движения в виде полуколец по краю вещества мозга
Кроме того, минимализируются различия, связанные с различными режимами сканирования (обычно для функциональных данных - это режим «градиентное эхо», для анатомических - Т1). Так, режим градиентное эхо может дать некоторое растяжение изображения по одной из осей по сравнению со структурными изображениями высокого разрешения .
3. Пространственная нормализация. Известно, что форма и размеры человеческого мозга значительно варьируют. Чтобы сопоставить данные, полученные от разных пациентов, а также обработать всю группу в целом, применяют математические алгоритмы: так называемое афинное преобразование (affine transformation). При этом происходит трансформация изображений отдельных регионов мозга - растяжение, сжатие, вытягивание и проч. - с последующим приведением структурных данных к единой пространственной системе координат .
В настоящее время наиболее распространенными в фМРТ являются две системы пространственных координат: система Талераша и система Монреальского неврологического института. Первая была разработана французским нейрохирургом Жаном Талерашем (Jean Talairach) в 1988 г. на основании посмертных измерений мозга 60-летней француженки. Тогда были даны координаты всех анатомических областей мозга относительно референтной линии, соединяющей переднюю и заднюю комиссуры . В этом стереотаксическом пространстве может быть размещен любой мозг, и зоны интереса могут быть описаны при помощи трехмерной системы координат (x, y, z). Недостаток подобной системы - это данные всего по одному мозгу. Поэтому более популярной является система, разработанная в Монреальском неврологическом институте (MNI) на основе суммарного обсчета данных Т1 изображений 152 канадцев.
Хотя в обеих системах отсчет ведется от линии, соединяющей переднюю и заднюю комиссуры, координаты этих систем не идентичны, особенно по мере приближения к конвекситальным поверхностям мозга. Это нужно иметь в виду при сопоставлении полученных результатов с данными работ других исследователей.
Следует оговориться: данный этап обработки не применяется при предоперационном картировании функциональных зон активации в нейрохирургии, поскольку цель фМРТ в подобной ситуации - точно оценить месторасположение данных зон у конкретного пациента.
4. Сглаживание. Пространственная нормализация никогда не бывает точной, поэтому гомологичные регионы, а, следовательно, и зоны их активации, не соответствуют друг другу на 100%. Чтобы достичь пространственного наложения аналогичных зон активации у группы испытуемых, улучшить соотношение «сигнал - шум» и таким образом усилить достоверность данных, применяется гауссова функция сглаживания. Суть данного этапа обработки в «размывании» зон активации каждого исследуемого, вследствие чего увеличиваются участки их перекрывания при групповом анализе. Недостаток - теряется пространственное разрешение.
Теперь, наконец, можно непосредственно перейти к статистическому анализу, в результате которого мы получаем данные о зонах активации в виде цветных карт, наложенных на анатомические данные. Те же самые данные могут
Функциональная магнитно-резонансная томография
Statistics: p-va/ues adjusted for search volume
set-level non-lsotroplc adjusted cluster-level voxel-level
R "- - - ---- mm mm mm
^ conected "Е ^ uncorrected PFWE-con ^ FDR-con Т (У ^ unconected
0.000 80 0.000 0.000 0.000 6.26 6.04 0.000 -27 -24 60
0.000 0.000 6.00 5.81 0.000 -33 -18 69
0.002 46 0.001 0.009 0.000 5.20 5.07 0.000 27 -57 -21
0.123 0.004 4.54 4.45 0.000 18 -51 -18
0.278 6 0.179 0.076 0.003 4.67 4.58 0.000 51 21 -21
0.331 5 0.221 0.081 0.003 4.65 4.56 0.000 -66 -24 27
0.163 9 0.098 0.099 0.003 4.60 4.51 0.000 -48 -75 -27
0.050 17 0.029 0.160 0.005 4.46 4.38 0.000 -21 33 27
0.135 10 0.080 0.223 0.006 4.36 4.28 0.000 3 -75 -33
0.668 1 0.608 0.781 0.024 3.83 3.77 0.000 6 -60 -9
рис. 6: Пример представления результатов статистической постобработки. Слева - зоны активации при выполнении двигательной парадигмы (поднимание - опускание правого указательного пальца), совмещенные с объемной реконструкцией головного мозга. Справа - статистические данные для каждой зоны активации
быть представлены в цифровом формате с указанием статистической значимости зоны активации, ее объема и координат в стереотаксическом пространстве (рис. 6).
Применение фМРТ_
В каких же случаях проводят фМРТ? Во-первых, в чисто научных целях: это исследование работы нормального мозга и его функциональной асимметрии. Данная методика возродила интерес исследователей к картированию функций головного мозга: не прибегая к инвазивным вмешательствам можно увидеть, какие зоны головного мозга отвечают за тот или иной процесс. Пожалуй, наибольший прорыв был сделан в понимании высших когнитивных процессов, включая внимание, память и исполнительные функции. Подобные исследования позволили применять фМРТ в практических целях, далеких от медицины и ней-ронаук (в качестве детектора лжи, при маркетинговых исследованиях и др.).
Кроме того, фМРТ пытаются активно применять в практической медицине. В настоящее время данная методика широко используется в клинической практике для предоперационного картирования основных функций (двигательных, речевых) перед нейрохирургическими вмешательствами по поводу объемных образований головного мозга или некурабельной эпилепсии. В США даже существует официальный документ - практическое руководство, составленное Американским рентгенологическим колледжем и Американским обществом нейрорадиологии, где подробно расписана вся процедура .
Исследователи также пытаются внедрить фМРТ в рутинную клиническую практику при различных неврологических и психических заболеваниях. Основной целью многочисленных работ в данной области является оценка изменения функционирования мозга в ответ на повреждение того или иного его участка - выпадение и (или) переключение зон, их смещение и т.п., а также динамическое наблюдение перестройки зон активации в ответ на проводимую медикаментозную терапию и (или) реабилитационные мероприятия.
В конечном счете, фМРТ-исследования, проводимые на больных различных категорий, могут помочь определить прогностическое значение различных вариантов функциональной перестройки коры для восстановления нарушенных функций и выработать оптимальные алгоритмы лечения.
Возможные неудачи исследования_
При планировании фМРТ всегда следует иметь в виду различные противопоказания, ограничения и возможные
источники ошибок при интерпретации данных, получаемых как для здоровых добровольцев, так и для пациентов.
К ним относятся:
Любые факторы, воздействующие на нейроваскулярное взаимодействие и гемодинамику и, как следствие, на BOLD-контраст; поэтому всегда нужно учитывать возможные изменения церебрального кровотока, например, из-за окклюзий или выраженных стенозов магистральных артерий головы и шеи, приема вазоактивных препаратов; известны и факты снижения или даже инверсии BOLD-ответа у некоторых пациентов со злокачественными глиомами вследствие нарушения авторегуляции ;
Наличие у исследуемого противопоказаний, общих для любого МРТ-исследования (кардиостимуляторы, клаустрофобия и проч.);
Металлоконструкции в области лицевого (мозгового) отделов черепа (не снимаемые зубные протезы, клипсы, пластины и т. п.), дающие выраженные артефакты в режиме «градиентное эхо»;
Отсутствие (затруднение) сотрудничества со стороны испытуемого во время выполнения задания, связанное как с его когнитивным статусом, так и со снижением зрения, слуха и т. п., а также с отсутствием мотивации и должного внимания к выполнению задания;
Выраженное движение обследуемого во время выполнения заданий;
Неправильно спланированный дизайн исследования (выбор контрольного задания, продолжительность блоков или всего исследования и проч.);
Тщательная разработка заданий, что особенно важно для клинической фМРТ, а также при исследовании группы людей или одного и того же испытуемого в динамике для возможности сравнения получаемых зон активации; задания должны быть воспроизводимы, то есть одинаковыми на протяжении всего периода исследования и доступны для выполнения всеми испытуемыми; одним из возможных решений для пациентов, которые самостоятельно не могут выполнять связанные с движением задания, является использование пассивных парадигм с применением различных устройств для приведения конечностей в движение;
Неправильный выбор параметров сканирования (время эхо - ТЕ, время повторения - TR);
Неверно заданные параметры постобработки данных на различных этапах;
Ошибочная интерпретация полученных статистических данных, неверное картирование зон активации.
Заключение
Несмотря на приведенные выше ограничения, фМРТ является важной и многогранной современной методикой нейровизуализации, которая сочетает в себе преимущества высокого пространственного разрешения и неинвазивности с отсутствием необходимости внутривенного контрастного
усиления и воздействия радиации. Однако данная методика очень сложна, и для успешного выполнения задач, поставленных перед работающим с фМРТ исследователем требуется мультидисциплинарный подход - привлечение к исследованию не только нейрорентгенологов, но и биофизиков, нейрофизиологов, психологов, логопедов, врачей клинической практики, математиков. Только в этом случае возможно использование всего потенциала фМРТ и получение действительно уникальных результатов.
Список литературы
1. Ashburner J., Friston K. Multimodal image coregistration and partitioning - a unified framework. Neurolmage 1997; 6 (3): 209-217.
2. Brian N. Pasley, Ralph D. Freeman. Neurovascular coupling. Scholarpedia 2008; 3 (3): 5340.
3. Chen C.M., HouB.L., Holodny A.I. Effect of age and tumor grade on BOLD functional MR imaging in preoperative assessment of patients with glioma. Radiology 2008; 3: 971-978.
4. Filippi M. fMRI techniques and protocols. Humana press 2009: 25.
5. Friston K.J., Williams S., HowardR. et al. Movement-related effects in fMRI time-series. Magn. Reson. Med. 1996; 35: 346-355.
6. Glover, G.H., Lai S. Self-navigated spiral fMRI: Interleaved versus single-shot. Magn. Reson. Med. 1998; 39: 361-368.
7. Haller S, Bartsch A.J. Pitfalls in fMRI. Eur. Radiol. 2009; 19: 2689-2706.
8. Hsu Y.Y., Chang C.N., Jung S.M. et al. Blood oxygenation level-dependent MRI of cerebral gliomas during breath holding. J. Magn. Reson Imaging 2004; 2: 160-167.
9. Huettel S.A., Song A.W., McCarthy G. Functional magnetic resonance imaging. Sinauer Associates, Inc. 2004: 295-317.
10. Ogawa S., Lee T.M. Magnetic resonance imaging of blood vessels at high fields: In vivo and in vitro measurements and image simulation. Magn. Reson. Med. 1990; 16 (1): 9-18.
С июня 2009 года в Центре лучевой диагностики ЛРЦ работает группа функциональной МРТ (фМРТ) головного мозга. Специалисты группы проводят как научные исследования так и прием пациентов. Группой разработан целый ряд проб для пациентов, которым предстоит пройти нейрохирургическую операцию или программу реабилитации. Пробы позволяют картировать моторные, речевые, перцептивные и управляющие функции.
Результаты, полученные в рамках фундаментальных и прикладных исследований, проводимых группой функциональной МРТ головного мозга, докладывались на:
- Московском семинаре по когнитивной науке (Москва, 2011, 2014);
- ежегодном съезде Радиологического сообщества Северной Америки (RSNA, Чикаго, 2011, 2014);
- Европейской радиологической конференции (ECR, Вена, 2012, 2013, 2014, 2015);
- конференции «Когнитивная наука в Москве: новые исследования» (Москва, 2011, 2013);
- II конференции по функциональному нейроимиджингу (Москва, 2012);
- Конгрессе Российской Ассоциации Радиологов (Москва, 2014);
- ESLP Conference in Rotterdam (Netherlands, 2014);
- 2nd International Workshop "Neuro-cognitive mechanisms of conscious and unconscious visual perception" (Delmenhorst, 2014);
- Конференции пользователей магнитно-резонансных томографов компании SIEMENS «MAGNETOM Club» (2012);
- V и VI Международной конференции по когнитивной науке (Калининград, 2012, 2014);
- V, VI и VIII Всероссийском национальном конгрессе лучевых диагностов и терапевтов «Радиология-2011, 2012, 2014» (Москва, 2011, 2012, 2014);
- «Национальном съезде радиологов» (Москва, 2012);
- 6th Annual Fulbright Conference (Moscow, 2013);
- Московском международном конгрессе, посвященном 110-летию со дня рождения Александра Романовича Лурия» (2012 год);
- Европейской конференции по зрительному восприятию (Alghero, Sardinia, Italy, 2012 год);
- Ежегодной встрече Общества наук о зрении (VSS-2012);
- XIV Международных чтениях памяти Л.С. Выготского;
- Научной конференции по афазиологии (SoA – 2014);
- Конференции «Современные проблемы нейропсихологии и психофизиологии», посвящённая 85-летию со дня рождения Евгении Давыдовны Хомской;
- «Великая иллюзия сознания - 4: феномены, эксперименты, модели» (Санкт-Петербург, 2014);
- серии тематических семинаров «фМРТ-исследования речи: от дизайна эксперимента до анализа данных» (Москва, 2013);
- «Введение в BOLD-фМРТ и DTI» (Москва, 2013);
- «Функциональная МРТ головного мозга: наука и практика» (Москва, 2014).
22 апреля в 2014 году в ФГБУ «ЛРЦ» Минздрава был проведен однодневный семинар «Функциональная МРТ головного мозга: наука и практика».Кроме участия в научных конференциях сотрудники группы фМРТ ведут активную преподавательскую деятельность.Прочитаны курсы лекций и практических занятий , посвященных фМРТ головного мозга:
- Печенкова Е.В. Спецпрактикум в рамках курса «Теоретические и методологические проблемы когнитивной науки» в программе магистратуры РГГУ «Психология познания и когнитивные науки» (2009-2012)
- Печенкова Е.В, Румшиская А.Д. Современные возможности методов лучевой диагностики Элективный курс для студентов ФФМ МГУ на базе Центре лучевой диагностики (ЦЛД) ФГБУ «Лечебно-реабилитационный центр» МЗ РФ http://www.fbm.msu.ru/stud/lechdelo/el/2013_autumn/xray.php
- Власова Р.М. Курс «Нейропсихологические аспекты методов нейровизуализации»на кафедре нейро- и патопсихологии МГУ имени М.В. Ломоносова (2014)
- Печенкова Е.В., Власова Р.М. «Функциональная МРТ в исследовательской и клинической работе психолога» -- курсы, организованные «Всероссийским сообществом молодых психологов» (2012, 2013)
- Печенкова Е.В. Научно-популярная лекция в «Гиперионе»: «Функциональная магнитно-резонансная томография, или работа мозга в картинках» (Москва, 2013)
Отдельные лекции в рамках учебных семинаров и научных школ :
- на семинаре «фМРТ-исследования речи: от дизайна эксперимента до анализа данных», организованном Центром патологии речи и нейрореабилитации и Высшей школой экономики (26-29 марта 2013 года);
- на семинаре «Введение в BOLD-фМРТ и DTI», организованном НИИ неотложной детской хирургии и травматологии при поддержке компании Neurobotics (29 октября 2013 года);
- на Летней нейролингвистической школе (1-5 сентября 2014 года);
- на Летней школа по когнитивной психологии памяти Карла Дункера (1 сентября 2014);
- на школе “Active and passive methods of the brain mapping”, организованной Национальной Сетью Аспирантур по Биотехнологиям в Нейронауках (BioN), 1-4 ноября, 2014 года;
- на летней школе «Русского Репортера» 2014, мастерская «Язык-Мозг»;
- на Всероссийской Зимней Психологической Школе РГГУ (Москва, 2011).
Дает исследователю очень много информации об анатомическом строении органа, ткани или другого объекта, который попадает в поле видимости. Однако, чтобы сложилась целостная картина происходящих процессов, не хватает данных о функциональной активности. И для этого как раз существует BOLD-функциональная магнитно-резонансная томография (BOLD - blood oxygenation level dependent contrast, или контрастность, зависящая от степени насыщения крови кислородом).
BOLD фМРТ - это один из наиболее применимых и широко известных способов определять мозговую активность. Активация приводит к усилению местного кровотока с изменением относительной концентрации оксигенированного (обогащенного кислородом) и дезоксигенированного (бедного кислородом) гемоглобина в местном кровотоке.
Рис.1. Схема реакции мозгового кровотока в ответ на возбуждение нейронов.
Дезоксигенированная кровь является парамагнетиком (веществом, способным намагничиваться) и ведет к падению уровня сигнала МРТ. Если же в области мозга больше оксигенированной крови – уровень МРТ-сигнала увеличивается. Таким образом, кислород в крови выполняет роль эндогенного контрастного вещества.
Рис.2. Объём мозгового кровоснабжения (а ) и BOLD- ответ фМРТ (b ) при активации первичной моторной коры человека . Сигнал проходит в 4 стадии . 1 стадия – вследствие активации нейронов повышается потребление кислорода , увеличивается количество дезоксигенированной крови , BOLD — сигнал немного уменьшается (на графике не показано , уменьшение незначительное ). Сосуды расширяются , вследствие чего несколько уменьшается кровоснабжение мозговой ткани . Стадия 2 – длительное увеличение сигнала . Потенциал действия нейронов заканчивается , но поток оксигенированной крови увеличивается инерционно , возможно вследствие воздействия биохимических маркеров гипоксии . Стадия 3 – длительное снижение сигнала вследствие нормализации кровоснабжения . 4 стадия – постстимульный спад – вызван медленным восстановлением первоначального кровоснабжения.
Для активации работы нейронов в определённых областях коры существуют специальные активирующие задания. Дизайн заданий, как правило, бывает двух видов: «block» и «event-related». Каждый вид предполагает наличие двух чередующихся фаз - активного состояния и покоя. В клинической фМРТ чаще используются задания вида «block». Выполняя такие упражнения, испытуемый чередует так называемые ON- (активное состояние) и OFF- (состояние покоя) периоды одинаковой или неравной продолжительности. Например, при определении области коры, отвечающей за движения рук, задания состоят из чередующихся движений пальцами и периодов бездействия, продолжительностью в среднем около 20 секунд. Действия повторяют несколько раз для увеличения точности результата фМРТ. В случае задания «event-related» испытуемый выполняет одно короткое действие (например, глотание или сжатие кулака), за которым следует период покоя, при этом действия, в отличие от блокового дизайна, чередуются неравномерно и непоследовательно.
На практике BOLD фМРТ используется при предоперационном планировании резекции (удаления) опухолей, диагностике сосудистых мальформаций, при операциях при тяжелых формах эпилепсии и других поражений головного мозга. В ходе операции на головном мозге важно максимально точно удалить участок поражения, в то же время избегая излишнего повреждения соседних фунционально важных участков головного мозга.
Рис.3.
а – трёхмерное МРТ — изображение головного мозга . Стрелкой указано расположение моторной коры в прецентральной извилине .
b – карта фМРТ —активности мозга в прецентральной извилине при движении рукой.
Метод очень эффективен при изучении дегенеративных заболеваний, например, болезней Альцгеймера и Паркинсона, особенно на ранних стадиях. Он не предполагает использования ионизирующего излучения и рентгеноконтрастных веществ, к тому же, он неинвазивен. Поэтому его можно считать довольно безопасным для пациентов, которые нуждаются в длительных и регулярных фМРТ-обследованиях. ФМРТ можно применять для исследования механизмов формирования эпилептических приступов и позволяет избежать удаления функциональной коры у больных с трудноизлечимой эпилепсией лобной доли. Наблюдение за восстановлением мозга после инсультов, изучение влияния лекарственных средств или другой терапии, наблюдение и контроль лечения психиатрических заболеваний – это далеко не полный перечень возможного применения фМРТ. Кроме этого, существует еще фМРТ покоя, в которой сложная обработка данных позволяет увидеть сети мозга, функционирующие в состоянии покоя.
Источники:
- How well do we understand the neural origins of the fMRI BOLD signal? Owen J.Arthur, Simon Boniface. TRENDS in Neurosciences Vol.25 No.1 January 2002
- The physics of functional magnetic resonance imaging (fMRI) R. B. Buxton. Rep. Prog. Phys. 76 (2013)
- Применение функциональной магнитно-резонансной томографии в клинике. Научный обзор. Беляев А., Пек Кюнг К., Бреннан Н., Холодный А. Russian electronic journal of radiology. Том 4 №1 2014г.
- Мозг, познание, разум: введение в когнитивные нейронауки. Часть2 . Б. Баарс, Н. Гейдж. М.: Бином. 2014г. С. 353-360.
Текст: Дарья Прокудина