научная статья по теме АНАЛИЗ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ВАРИАТИВНОСТИ ФМРТ-ОТВЕТОВ ЗДОРОВЫХ ИСПЫТУЕМЫХ ПРИ ОТКРЫВАНИИ ГЛАЗ, ДВИГАТЕЛЬНЫХ И РЕЧЕВЫХ НАГРУЗКАХ Биология

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ВАРИАТИВНОСТИ ФМРТ-ОТВЕТОВ ЗДОРОВЫХ ИСПЫТУЕМЫХ ПРИ ОТКРЫВАНИИ ГЛАЗ, ДВИГАТЕЛЬНЫХ И РЕЧЕВЫХ НАГРУЗКАХ»

ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2015, том 41, № 1, с. 5-16

УДК 612.821

АНАЛИЗ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ВАРИАТИВНОСТИ фМРТ-ОТВЕТОВ ЗДОРОВЫХ ИСПЫТУЕМЫХ ПРИ ОТКРЫВАНИИ ГЛАЗ, ДВИГАТЕЛЬНЫХ И РЕЧЕВЫХ НАГРУЗКАХ

© 2015 г. Е. В. Шарова1, М. В. Шендяпина2, Г. Н. Болдырева1, Н. Ю. Давыдова1, А. С. Мигалев1, М. В. Челяпина1, М. А. Куликов1, Л. А. Жаворонкова1, Е. В. Ениколопова2,

Л. М. Фадеева3, В. Н. Корниенко3

1 Учреждение Российской академии наук Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 3Научно-исследовательский институт нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко РАМН, Москва

E-mail: esharova@nsi.ru Поступила в редакцию 22.12.2013 г.

Работа посвящена анализу вариативности функциональных перестроек головного мозга здоровых людей, сопровождающих выполнение ими одинаковых видов деятельности, на основе метода функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). По мнению авторов, такой подход позволяет продемонстрировать разнообразие индивидуальных стратегий достижения одинакового внешнего (поведенческого) результата посредством неидентичных мозговых механизмов, а также выявить факторы, определяющие это разнообразие. Исследовали гемодинамические (фМРТ) ответы при активизации внимания на открывание глаз, двигательные (перебор пальцев правой и левой руки) и речевые пробы (мысленное перечисление месяцев или дней недели в обратном порядке) у 21 здорового испытуемого (21—30 лет): 14 мужчин, 7 женщин. Выявлено определенное разнообразие фМРТ-ответов: в группе выделялось 3—4 реактивных типа гемодинамических изменений на одну функциональную нагрузку, а представленность каждого типа в пробе варьировала от 40 до 10%. Показаны выраженные гендерные различия ответов, специфика которых определяется характером функциональной нагрузки. При двигательных и речевых пробах, выполняемых с закрытыми глазами, фМРТ-ответ у женщин характеризуется большей специфичностью и локальностью, чем у мужчин. ФМРТ-ответы мужчин при двигательных пробах сопровождаются большим, чем у женщин, включением в реакцию лобных отделов полушарий, обеспечивающих реализацию регуляторных функций. При активационной пробе (открывание глаз) фМРТ-ответы женщин, напротив, более диффузны, а мужчин — более локальны.

Ключевые слова: фМРТ, двигательные и речевые пробы, открывание глаз, индивидуальная вариативность (вариабельность), гендерные различия.

Б01: 10.7868/80131164614060113

Ввиду значительного анатомического сходства строения головного мозга у здоровых людей принято считать, что механизмы работы его основных функциональных блоков [1] и связанные с ними пути специфической (сенсорной) и неспецифической активации, обеспечивающие в совокупности разные виды деятельности (внимание, речь, движение и др.), в норме достаточно сходны. На принципе унификации основаны и методы неврологической диагностики заболеваний центральной нервной системы. В связи с этим при описании какого-либо аспекта работы мозга стандартным принято считать усреднение данных разного рода исследований (электрофизиологических, психофизиологических, данных функци-

ональной магнитно-резонансной томографии — фМРТ) по группам наблюдений [2—4].

Гораздо меньше известно к настоящему времени об индивидуальных особенностях реактивности головного мозга здорового человека на внешние и внутренние (интерорецептивные) стимулы. Первоначально на них было обращено внимание в нейрофизиологических и психофизиологических исследованиях, причем разные авторы подчеркивают значимость в формировании индивидуальности церебральных реакций разных факторов: возраста [5, 6], пола [ 7], функциональной межполушарной асимметрии [8, 9], исходного функционального состояния [10]. По данным нейроморфологических исследований, эта вариа-

тивность может быть обусловлена в том числе и особенностями цитоархитектоники мозга человека [11].

Активное использование в последние годы для изучения механизмов работы мозга методов ней-ровизуализации (позитронно-эмиссионная томография — ПЭТ, фМРТ) подтверждает значительную индивидуальную вариативность его функциональной анатомии при выполнении идентичных заданий как в норме, так и при церебральной патологии [12—14]. Выраженная вариабельность изменений фМРТ и ЭЭГ была отмечена и нами у здоровых испытуемых при открывании глаз и выполнении двигательных проб [15, 16].

Современный и неинвазивный метод фМРТ позволяет на основе анализа изменений оксиге-нации крови в активируемых участках головного мозга при разных видах деятельности исследовать особенности их структурного обеспечения в норме и патологии. В литературе реактивное увеличение локального (регионального) кровенаполнения мозговой ткани (+BOLD-эффект) рассматривают как маркер нейрональной активности, а метод фМРТ — как оптимальный инструмент пространственного картирования активируемых нейронных ансамблей [17].

Привлечение метода фМРТ к анализу вариативности функциональной анатомии головного мозга здоровых людей при выполнении идентичных видов деятельности позволяет, по нашему мнению, не только визуализировать разнообразие индивидуальных стратегий достижения одинакового внешнего (поведенческого) результата разными интрацеребральными средствами, но и более детально исследовать влияние факторов, определяющих это разнообразие.

В число задач работы входило: 1) определение и классификация вариантов фМРТ-ответов здоровых людей при разного вида деятельности: активизация внимания на открывание глаз, двигательные и речевые пробы; 2) сопоставление выделенных вариантов с гендерной принадлежностью испытуемых; 3) анализ сопряженности особенностей фМРТ-ответов при выполняемых пробах с характеристиками регуляторных функций мозга по данным нейропсихологического тестирования.

Следует отметить, что понятие "регуляторные или управляющие функции головного мозга" (ех-ecutivefunctions), тесно связанное с представлениями А.Р. Лурия о третьем функциональном блоке мозга [1], широко используется в настоящее время в качестве обобщенного термина для таких психических процессов, как программирование и контроль, рабочая память, внимание, решение проблем, оттормаживание (или подавление) побочных реакций на отвлекающие стимулы для

удержания основной программы, когнитивная гибкость, способность к одновременному решению разнообразных задач [18, 19]. Реализацию указанных функций принято связывать с деятельностью префронтальных областей лобных долей, имеющих множественные связи с другими корковыми, подкорковыми и стволовыми отделами [18, 20].

Несмотря на кажущуюся простоту ряда используемых в работе функциональных проб, все они выполняются под произвольным контролем, и данные об участии лобных отделов полушарий в их обеспечении были получены в наших предыдущих исследованиях. Так, достоверные изменения спектрально-когерентных параметров ЭЭГ и количественных показателей фМРТ-ответов в лобных областях, сопровождающие двигательные пробы и активизацию внимания, выявлены при статистическом анализе в группах здоровых испытуемых [16, 21]. Пациенты с опухолевым поражением лобных отделов мозга затрудняются или не могут выполнять двигательную пробу перебора пальцев рук из-за сложности удержания этой программы [22].

МЕТОДИКА

У 21 здорового испытуемого (14 мужчин, 7 женщин) в возрасте 21—30 лет анализировали фМРТ-ответы при открывании глаз (ОГ), переборе пальцев раздельно правой и левой руки (с поочередным касанием большого пальца другими пальцами) и при мысленном проговаривании месяцев или дней недели в обратном порядке. Все двигательные и речевые пробы выполнялись при закрытых глазах.

фМРТ-исследования проводили на магнитно-резонансных (МР) томографах "GE Healthcare" (США) с напряженностью магнитного поля 1.5 или 3 Тл. Голова испытуемого в немагнитных наушниках закреплялась с помощью уплотняющих подушек. Эксперимент предваряло подробное инструктирование испытуемых. Запись осуществляли по так называемой блоковой парадигме, состоящей из 12 секунд подготовительного периода для формирования устойчивого МР сигнала и 5 минут функциональной серии — пятикратного чередования периодов покоя и выполнения пробы, длительностью по 30 с каждый период. Интервалы "активности" (т.е. выполнения тестового задания) и "покоя" строго синхронизированы по времени. Время сканирования (без перерыва) составляло 5 минут 12 секунд. Каждое выполнение функциональной пробы ограничивалось голосовыми командами "начать" и "стоп", подаваемыми через микрофон. Точность (и факт) выполнения задания в случае проб на открывание глаз и движение руками контролировались визуально.

Протокол фМРТ-исследования включал получение Л-взвешенных изображений для построения трехмерной анатомической модели мозга (3D FSPGR) и получение функциональных Т*-взве-шенных изображений для одной функциональной пробы с помощью эхо-планарной импульсной последовательности градиентное эхо (GE-EPI) с параметрами TR/TE/TI — 3000/50/90, матрица — 96 х 64, FOV — 24 см, за 5 мин 12 с (по 100 срезов толщиной 5 мм для 24—36 уровней). Общее число срезов в функциональной серии составляло 2400—3600, количество использованных динамических сканов 24—36. Во время регистрации проводилась автоматическая коррекция уровня шума, а также оценка качества блоковых записей по присутствию двигательных артефактов (отличное, хорошее, плохое). Используемый коммерческий сканер контролирует уровень помех при записи световым сигналом (зеленый, желтый или красный): если во время сканирования загорается красная лампа, сканирование прерывают, предупреждают испытуемого и начинают исследование снова. Таким образом, первичный контроль качества получаемых гемодинамиче-ских сигналов проводился уже на этапе их регистрации.

Выходные данные экспериментов записывались в международном унифицированном формате DICOM, затем с помощью программы MRIcro преобразовались в формат NIFTI для последующей обработки в среде МаНаЪ с помощью программ SPM8 и MRIcro. Анализ включал два основных этапа: подготовку анатомических данных (сегментация структур мозга) и функциональных данных (с нормализацией в пространстве в соответствии с анатомическим изображени

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»