Функциональная ядерно-магнитная томография

Многие пациенты хорошо осведомлены о больших возможностях ядерно-магнитно-резонансной (ЯМР) томографии в диагностике самых разнообразных заболеваний. Гораздо меньшее число знают, что наряду с традиционной ЯМР томографией существует и активно развивается функциональная (фЯМР томография). Этот метод базируется на возможности использования ядерно-магнитного резонанса не только для изучения анатомической структуры головного мозга, но и для оценки гемодинамики, изменение которой коррелирует с уровнем его функциональной активности.

Возникновением данного метода мир обязан японскому ученому Siege Ogawa, открывшему в 1991 году особый вид сигнала (Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) Signal), который, в соответствии с названием, определяется уровнем насыщения кислородом (оксигенации) крови. Но основы метода были заложены еще в девяностые годы 19 века, когда Roy и Sherrington (1890) описали внутренний механизм, по которому кровоснабжение отдельных участков мозга определяется локальной вариацией его функциональной активности, а Angello Mosso (1891) наблюдал изменения кровотока при различной мыслительной активности мозга. Уже в 20-ом веке Linus Pauling (1936) открыл магнитные свойства гемоглобина. Но только спустя полстолетия был создан и стал клинически применяться метод фЯМР томографии.

фЯМР томография позволяет определить активацию определенной области головного мозга во время нормального его функционирования под влиянием различных физических факторов (звук, свет, запахи, движение тела) и при различных патологических состояниях.

В основу метода фЯМР томографии положен так называемый гемодинамический ответ, который заключается в локальном усилении кровоснабжения в ответ на нейрональную активацию специфической области головного мозга. Локальное изменение кровотока направлено на покрытие возросших энергетических потребностей данной области головного мозга, поскольку, передача нервного импульса является энергозависимым процессом. В тоже время, данное усиление кровотока происходит без соответствующего высвобождения кислорода, а потому гемодинамический ответ сопровождается локальной редукцией уровня диоксигемоглобина, который по своим физическим свойствам является парамагнетиком. Именно это свойство позволяет использовать его как эндогенный источник сигнала, который регистрируется методом фЯМР. Изменение уровня оксигенации крови и, следовательно, степени изменений интенсивности сигнала позволяют косвенно измерить возбуждение нейронов головного мозга.

Поскольку метод фЯМР томографии проходит в настоящее время период становления и определения его диагностической значимости и места в современном диагностическом процессе, технология проведения исследования, обработки и оценки полученных результатов пока еще определяется тем лечебным учреждением, где оно осуществляется. Кратко методику можно представить следующим образом: пациента помещают в магнитное поле с установленным специальным образом ЯМР-сканнером. Пациента просят выполнять специальные, стимулирующие разные виды мозговой деятельности, задания (например, просмотр картинок с проведеним подсчета составляющих ее компонентов). Вначале производят одну сканограмму с высоким разрешением, которою в дальнейшем используют как контроль. Затем производят серию сканограмм с низким разрешением (например, 150 сканограмм, одну каждые 5 секунд). На части этих сканограмм стимул (в данном случае картинка) будет присутствовать, а на части – отсутствовать.

Путем сравнения полученных сканограмм, снятых при наличии и отсутствии картинки, можно определить, какой участок мозга был активирован стимулом. После окончания исследования, сканограммы подвергается математической трансформации (преобразование Фурье) для реконструкции полученных данных в изображения, похожие на реальный вид головного мозга. С помощью специальных фильтров удаляются погрешности изображения, связанные, например, с движением головы пациента во время исследования, и полученные данные подвергаются статистическому анализу. Поскольку активированный участок головного мозга на сканограмме выглядит более ярким, для улучшения восприятия ему присваивается определенный цвет (псевдоцветное картирование) и этот цветной участок наносится на контрольную сканограмму. На основе полученного плоскостного изображения возможна 3-D реконструкция в трехмерное изображение, позволяющее оценить топографию и размеры активированного участка головного мозга под различными углами.

Преимущества фЯМР томографии

Оценка головного мозга проводиться в реальном времени как в условиях его функционального покоя, так и при выполнении пациентом специально разработанных заданий, направленных на активацию отвечающих только за определенную функцию, специфических областей мозга
Неинвазивность и относительная безопасность метода из-за отсутствия необходимости в инъекционном введении радиоактивных изотопов
Возможность многократных повторных исследований
Короткая общая продолжительность сканирования
Высокая (обычно 1.5-1.5 мм) разрешающая способность, хотя разрешение менее 1мм также возможно

Недостатки фЯМР томографии

Косвенная оценка нейрональной активации головного мозга через степень гемодинамического ответа на нее
Ограничение специфичности оценки нейрональной активации (гемодинамический ответ отражает множество энергозависимых процессов, в том числе внутрисинаптическую нейрональную активацию, постсинаптическую деполяризацию. Хотя большинство межнейрональных взаимодействий являются по своей природе возбуждающими, часть обладает и ингибирующими влияниями. Активация ингибирующих нейронов требует меньше энергии, но и этого может быть достаточно для запуска гемодинамического ответа. Следовательно, те области головного мозга, которые на канограммах выглядят активированными, на самом деле могут быть селективно угнетены)
Отсутствие стандартизации процесса проведения, обработки и оценки полученных результатов фЯМР томографии (имеющиеся коммерческие пакеты программного обеспечения и статистической обработки результатов требуют всессторонеей многоцентровой клинической проверки и стандартизации)

Часть из указанных недостатков уже стали устранять. Так, поскольку гемодинамический ответ является более медленным, чем нейрональный (он возникает с задержкой 4-6 секунд), временное разрешение фЯМР не страдает, если вид гемодинамического ответа не изменяется и является фиксированным во время индуцированной заданием нейрональной активации. Поэтому в стандартной методике используют чередование стимулирующих «рабочих» блоков (в течение 20-30 секунд) с периодами отдыха – «контрольные» блоки. «Контрольные» блоки тщательно отбирают, т.к. они должны активировать общие с «рабочими» блоками нейрональные процессы, кроме когнитивных. Затем путем выделения областей головного мозга, активированных в ходе «рабочих» блоков, из областей, задействованных в ходе «контрольных» блоков, достаточно просто можно определить те участки мозга, чья активация связана со специфическими когнитивными процессами. Тем самым, удается диагностическую ценность метода фЯМР именно в оценке нейрональной активации головного мозга.

Направления, в которых уже используют преимущества фЯМР

Нейрофизиология – понимание нейробиологических основ нормальных функций головного мозга, в первую очередь когнитивных процессов, таких как, способность к восприятию и запоминанию информации, обучаемость, распознавание лиц, восприятие боли, слуховых, зрительных, обонятельных, тактильных и других раздражителей, двигательные функции и т.д.
Диагностика нейробиологических основ проблем, связанных с патологическими пристрастиями (различные виды наркомании, пристрастие к азартным играм и т.п.)
Диагностика самых разнообразных заболеваний, возникновение и развитие которых характеризуется изменениями функционального состояния мозга (это не только патология центральной нервной системы, но и других органов, например, синдром раздраженной кишки, как функциональное заболевание органов пищеварения), а также динамическое наблюдение за такими пациентами.
Подбор специфических программ реабилитации, связанных с восстановлением мозговых функций
Предоперационная диагностика для предотвращения повреждения активных областей мозга вблизи патологического очага.