УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2012, том 43, № 1, с. 3-29
УДК 612.82; 616-073.8: 611.81
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ ТОМОГРАФИЯ И НЕЙРОНАУКИ
© 2012 г. М. Б. Штарк1,3, А. М. Коростышевская2, М. В. Резакова2, А. А. Савелов2
1Институт молекулярной биологии и биофизики СО РАМН, г. Новосибирск 2Институт "Международный томографический центр " СО РАН, г. Новосибирск 3НПФ "Компьютерные системы биоуправления", г. Новосибирск
Прижизненное неинвазивное динамическое исследование активных зон мозговых структур в момент их деятельности (функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ)) базируется на различии магнитных свойств оксигемоглобина - носителя кислорода и дезоксигемоглобина -продукта, образующегося в местах потребления кислорода, т.е. в паренхиме мозга. Эти соотношения отражает физический феномен BOLD (blood oxygenation level independent). Когнитивные, сенсомоторные, зрительно-слуховые и речевые операции обеспечиваются формированием новых и/или реорганизацией предсуществующих нейронных ансамблей (НА), вызванная внешнесредо-выми воздействиями или спонтанная активность которых сопровождается увеличением локального (регионального) кровенаполнения мозговой ткани.
Конкурентоспособность фМРТ в сравнении с существующими технологиями исследования высшей нервной деятельности, в первую очередь, определяется ее исключительным пространственным разрешением и возможностью многократного повторения исследования, что позволяет реконструировать последовательность формирования и внутримозговую стереометрию вновь образующихся и/или актуализацию потенциально предсуществующих НА.
Ключевые слова: функциональная магнитно-резонансная томография; функция гемодинамичес-кого отклика (ФГО); локализация функций; брейн-компьютер-интерфейс; когнитивные функции; мысленная навигация; нейроонтогенез; СДВГ; нейрососудистая взаимосвязь; нейронные ансамбли; нейробиоуправление.
1. ВВЕДЕНИЕ
20 лет тому было опубликовано сообщение группы авторов, описывающее принцип визуализации on line функционирующих структур головного мозга, контрастирование которых зависело от степени насыщения крови кислородом, что, собственно, и составило в будущем физическую сущность технологии функциональной магнитно-резонансной томографии [107, 108]. Прижизненное неинвазивное динамическое исследование активных зон мозговых структур в момент их деятельности - функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) -как исследовательская и диагностическая технология появилась значительно позже опубликования этих идей и принципов, лежащих в ее основе. Она базируется на различии магнитных свойств оксигемоглобина - носителя кислорода и дезоксигемоглобина - продукта, образующегося в местах потребления кислорода -паренхиме мозга. Эти соотношения отражает
физический феномен BOLD (blood oxygenation level independent) - маркер нейрональной активности.
Физиологический смысл технологии фМРТ довольно прост. Осуществление человеком и животными когнитивных, сенсомоторных, зрительно-слуховых и речевых операций обеспечивается формированием новых и/или реорганизацией предсуществующих нейронных ансамблей (НА). Их вызванная внешне сред овыми воздействиями или спонтанная (эндогенная) активность сопровождается увеличением локального (регионального) кровенаполнения мозговой ткани и изменениями цереброваскулярного регулирования объема и скорости кровотока. Это, собственно, и называется BOLD-феноменом, который следует считать "вторичным" (отсроченным) по отношению к изменению магнитных свойств крови, связанных с динамикой концентрации оксигемог-лобина внутри кровеносного русла. Дезоксиге-моглобин, обладая парамагнитными свойствами, существенней оксигемоглобина влияет на воз-
никновение локальной гомогенности магнитного поля.
Конкурентоспособность и, говоря современным языком, инновационность фМРТ в сравнении с существующими интраскопическими технологиями исследования высшей нервной деятельности человека и животных, в первую очередь, определяются ее хорошим пространственным разрешением и возможностью многократного повторения исследования. Это позволяет в режиме 3D реконструировать последовательность формирования и внутримозговую "геометрию" (стереометрию) вновь образующихся и/или актуализацию потенциально предсуществующих НА. Сегодня можно утверждать, что фМРТ - оптимальный инструмент картирования нейрональ-ной активности, точнее, функционального состояния НА при реконструкции нейронных сетей.
Этот пласт экспериментальных (фундаментальных) и прикладных работ весьма слабо представлен в отечественной физиологической литературе. фМРТ, нам думается, должна рассматриваться в качестве технологии выбора для изучения мозга человека и животных, как в условиях естественной жизнедеятельности, так и в патологических обстоятельствах при широком круге заболеваний сосудистого, травматического или онкологического происхождения.
Предлагаемый обзор, мы надеемся, призван хотя бы частично заполнить этот пробел. Авторы сосредоточились главным образом на публикациях нейрофизиологического и нейропсихологичес-кого толка. Здесь фМРТ может оказаться во многом альтернативной технологией для решения ряда новых проблем в области нейронаук, не решаемых (или трудно решаемых) существующим арсеналом средств.
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О фМРТ
Одна из наиболее интересных технологий современной магнитно-резонансной томографии, функциональная МРТ, была разработана группой сотрудников AT&T Bell laboratories в начале 1990-х годов [107, 108] и впервые применена в человеческой практике Kwong и др. [90]. фМРТ способна детектировать изменения объема кровотока и уровня насыщения крови кислородом, морфофункционально связанных с идентификацией работающих нейронных сетей, образованием новых и реконструкцией предсуществующих нейронных ансамблей (НА). Механизм контрастирования базируется на различии магнитных свойств оксигемоглобина, несущего кислород, и
дезоксигемоглобина, образующегося в местах его потребления. При формировании действующего НА в первые секунды локальное потребление энергии приводит к возрастанию концентрации парамагнитного дезоксигемоглобина; затем следует реакция сосудистой системы, которая заключается в увеличении регионального кровоснабжения и кровенаполнения тканей мозга (путем регулирования объема и скорости кровотока). Это приводит к резкому увеличению притока крови, насыщенной диамагнитным оксигемоглобином (рис. 1, см. цветную вклейку).
Чувствительность фМРТ к описанным выше физиологическим процессам обусловлена сильным влиянием концентрации парамагнитных веществ на скорость магнитной релаксации протонов воды. В присутствии парамагнетика скорость поперечной релаксации Т2* возрастает, что вызывает снижение величины сигнала магнитного резонанса (МР) и, наоборот, понижение уровня дезоксигемоглобина приводит к увеличению сигнала. Эти изменения наилучшим образом регистрируются с помощью градиентных импульсных последовательностей, а именно EPI - эхопланар-ного метода [89].
Стандартный эксперимент фМРТ, физиологическим содержанием которого является когнитивные и сенсомоторные операции ("парадигмы"), состоит из нескольких блоков, каждый из которых включает фазу покоя и фазу активации. Периоды активации и покоя не должны быть слишком короткими, поскольку время запаздывания сосудистого отклика измеряется несколькими секундами, поэтому рекомендованная длительность каждой фазы составляет 20-30 с. Оптимальная чувствительность метода достигается выбором такой длительности фаз, при которой сигнал BOLD пребывает в состоянии динамического равновесия [36].
Скатерграмма, иллюстрирующая BOLD-эффект (рис. 2, см. цветную вклейку), позволяет выделить некоторые особенности сигнала, регистрируемого с помощью фМРТ в ответ на нейрональ-ную активность: идентификация активных НА детектируется возросшей концентрацией оксиге-моглобина в дренирующих венозных сосудах, т.е. "ниже по течению", что обусловливает некоторое запаздывание (как правило, на 4-6 с) регистрируемого BOLD-эффекта относительно реального момента вовлечения НА в ответную реакцию [26, 29, 73].
5-10 циклов (блоков) длительностью до минуты обеспечивают общее время эксперимента в пределах 10 минут, позволяя включать фМРТ-
протокол в обычную процедуру МРТ-исследо-вания [22]. Задачи, вызывающие выраженные изменения мозговой активности, как, например, визуальная стимуляция, могут выполняться и за более короткое время. Сокращение времени эксперимента также желательно с точки зрения сохранения лучшей концентрации внимания у пациента или испытуемого.
Блочная структура фМРТ-эксперимента позволяет получать максимальный контраст за счет оптимизации отношения сигнал/шум, однако несвободна от недостатков: регулярно повторяющиеся задачи могут привести к возникновению реакции ожидания или габитуации, что снижает достоверность результата. Рандомизированный периодический эксперимент позволяет избежать этой проблемы, поскольку момент начала "активации" и тип задачи для испытуемого или пациента становятся непредсказуемыми [30]. Более того, не все варианты исследования могут быть реализованы в виде блочной структуры, в частности изучающие реакцию мозга на непроизвольные физиологические события, такие, например, как нервный тик. Блочный эксперимент не дает информации о форме изменения кровотока в ответ на активацию. Сосудистый отклик на нейрональное событие (функция гемодинамического отклика, ФГО) можно измерить в рамках неоднородно-периодического эксперимента. В этом случае отдельные события включаются через неравные промежутки времени на фоне непрерывного состояния покоя, что повышает гибкость эксперимента. Такой подход позволяет оценить взаимосвязи и порядок возбуждения различных структур головного мозга, т.е., в определенной степени, так называемую "дорожную карту" формирования нейронной сети. Относительным недостатком в этом случае является снижение отношения сигнал/шум, поскольку краткие периоды "возбуждения" не позволяют развиться полноценному сосудистому отклику. В качестве компромисса можно рассматривать гибридный вариант, при котором периоды преимущественного отдыха сменяются пери
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.