Несмотря на то что такие традиционные методы нейровизуализации, как пневмоэнцефалография, компьютерная томография и магнитно-резонансная томография, предназначены для исследования структурных изменений мозга, современные методы нейровизуализации имеют отношение и к нейрофизиологии.
К важному этапу изучения шизофрении относят работы Jacobi и Winkler (1927), которые первыми провели пневмоэнцефалографическое исследование мозга у больных шизофренией, по сути дела, открыв дорогу методам нейровизуализации.
В 1976 г. Jonston et al. привели данные нейровизуализационные исследования больных шизофренией с помощью КТ (компьютерная томография), в которых было продемонстрировано увеличение объема боковых желудочков мозга.
Сегодня рутинная КТ черепа широко применяется за рубежом в комплексе исследований, проводимых у больных шизофренией. В первую очередь речь идет об исключении органической патологии мозга (сосудистые нарушения, опухоли мозга и др.), в ряде случаев имитирующей проявления шизофрении.
Работы D. Pickuth et al.
(1999) показали, что у 22% лиц с психическими расстройствами отсутствуют какие-либо изменения на КТ, микроангиопатические изменения фиксируются у 57,8% больных, уменьшение объема разных структур мозга отмечается в 28,2% случаев. Подобные исследования говорят о целесообразности экспресс-диагностики состояния структур мозга даже с помощью такого несовершенного метода, как КТ.
Применение магнитно-резонансной томографии (МРТ) для изучения мозга больных шизофренией позволило более детально изучить изменения его структуры при этом заболевании (Smith et al., 1984).
МРТ предоставило возможность точной оценки состояния коры и подкорковых структур мозга, его белого и серого вещества. Анализ структуры мозга в различных плоскостях способствовал выявлению сложных морфологических изменений в мозгу больных шизофренией, которые при сопоставлении с психопатологической симптоматикой позволили детализировать анатомический субстрат последней.
С помощью МРТ в мозгу больных шизофренией обнаружено большое количество структурных изменений: уменьшение общего объема мозга, сокращение объемов лобной и теменной долей мозга, уменьшение объема серого вещества в области верхней височной извилины (gyrus temporalis superior), средней височной извилины (gyrus temporalis medialis), включая амигдал (amigdala), височную покрышку (planum temporale), гиппокамп (hippocampus) и парагиппокампальную извилину (gyrus hyppocampus), увеличение боковых желудочков мозга, изменение таких субкортикальных структур, как базальные ганглии, таламус (thalamus), мозолистое тело (corpus callossum) и мозжечок (cerebellum). Так же выявлялось: расширение борозд в лобном отделе коры мозга, укорочение сильвиевой борозды (prefrontal sulcal prominence).
Структурные изменения мозга больных шизофренией по данным МРТ
Важным показателем структурных изменений мозга при шизофрении считаются комплексные показатели, например увеличение индекса VBR или желудочкового — мозгового индекса (Silverman J. et al., 1985). Данные об увеличении объема желудочков мозга и уменьшении объема коры и гиппокампа при шизофрении приводит G. Haliday (2001).
Анализ литературы свидетельствует, что регистрируемые с помощью МРТ аномалии строения мозга при шизофрении обусловлены влиянием различных преципитирующих факторов (Объедков В.Г., Сакович Р.А., 2007).
Большинство исследователей конца ХХ века не обнаружили каких-либо корреляций между продолжительностью течения шизофрении и изменением объема тех или иных структур мозга, выявленных с помощью МРТ.
Однако последние исследования выявили повторно прогрессирующее уменьшение общего объема мозга, объемов лобных и височных долей, а также объема верхней височной извилины, особенно после первого психотического эпизода. Отметим, что большая часть нейропатологических исследований шизофрении не выявила глиоза и признаков дегенерации нейронов.
Однако нейродегенерация может быть не единственным фактором прогредиентности патологического процесса, поскольку при шизофрении возможно нарушение регуляции апоптоза, избыточный синаптический прунинг и потеря дендритов.
Помимо позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и однофотонной эмиссионной томографии, в последние годы для исследования мозга больных шизофренией в качестве методов нейровизуализации стали использовать магнитно-резонансную спектроскопию (MРС) и функциональную магнитно-резонансную томография (фMРТ).
Современные методы исследования представляют особый интерес при комплексном применении. Например, ПЭТ проводится совместно с изучением особенностей кровотока в разных структурах мозга с параллельным нейропсихологическим тестированием больных.
Представляют интерес исследования, с помощью которых можно оценить кровоток в различных участках мозга, в частности технология ПЭТ, использующая высокий вес атомных изотопов с короткой продолжительностью жизни в качестве гамма-излучателей. Особенности кровотока могут говорить о функциональной активности различных структур мозга и изменении их метаболизма.
Оборудование для проведения подобных исследований достаточно сложное и включает в себя циклотрон, необходимый для производства этих изотопов, радиохимическую лабораторию, предназначенную для сканирования ПЭТ.
Некоторые варианты данного исследования предполагают использование специальных когнитивных тестов. ПЭТ-технологии (11С) дают возможность оценить активность различных рецепторов при шизофрении.
В настоящее время с помощью ПЭТ определяют распределение активности рецепторов при приеме хлорпромазина, галоперидола, сульпирида и других психотропных средств.
Структурно-функциональные изменения мозга при шизофрении по данным ПЭТ
- Увеличение кровотока в левой гемисфере при выполнении когнитивных тестов
- Снижение кровотока во фронтальных долях мозга
- Снижение кровотока и уменьшение процессов метаболизма в заднелатеральной префронтальной области при выполнении тестов на внимание
- Усиление метаболических процессов в области правой верхней фронтальной извилины
- Низкий уровень метаболизма в базальных ганглиях
- Нарушение связей между корой мозга, мозжечком и зрительным бугром
- Повышенная активность мезолимбических и лимбических структур мозга
Исследования с использованием газа ксенон-133 продемонстрировали снижение кровотока во фронтальных долях мозга, по сравнению с задними отделами мозга.
Получены данные об увеличении потока крови в левой гемисфере у больных шизофренией, отличающиеся от здоровых людей равномерным распределением потока крови в состоянии покоя.
Особенно заметно увеличение потока крови в левой гемисфере при предъявлении когнитивных заданий, напротив, в норме отмечается увеличение кровотока в правом полушарии мозга. При назначении антипсихотиков у пациентов, страдающих шизофренией, кровоток в правой гемисфере начинает увеличиваться.
Стандартные тесты на внимание показывают, что у больных шизофренией, в отличии от здоровых лиц, не отмечается увеличение кровотока в заднелатеральной префронтальной области подкорковых структур мозга.
Кроме того, данные тесты выявляют у больных шизофренией изменения в правой верхней фронтальной извилине.
В этой же области у больных шизофренией оказываются усиленными метаболические процессы (прием нейролептиков способствует уменьшению интенсивности метаболизма в этой области мозга).
- ПЭТ исследования также выявили низкий уровень метаболизма в базальных ганглиях мозга больных шизофренией.
- При назначении некоторых нейролептиков эти изменения исчезают, как, впрочем, и при назначении антидепрессантов больным с аффективным биполярным расстройством.
- В более поздних работах была предпринята попытка связать изменения кровотока с когнитивными функциями больных шизофренией, в частности с такими процессами мышления, как планирование (пациенты выполняли определенные задачи в условиях определения кровотока или сканирования мозга).
Функциональные отклонения при развернутой картине заболевания выявляют на позитрон-эмиссионных изображениях (ПЭТ), полученных при выполнении испытуемыми различных тестов, например, теста на внимание. В процессе этого исследования у здоровых людей наблюдается активация метаболизма глюкозы в префронтальной коре мозга у больных шизофренией, напротив, эта активация отсутствует.
C помощью ПЭТ была обнаружена повышенная активность в мезолимбических и лимбических структурах мозга, нарушение связей между корой мозга, мозжечком и зрительным бугром. Эти находки отчасти подтверждали дофаминовую гипотезу патогенеза шизофрении, оставляя неясной роль других нейротрансмиттеров.
Интересно отметить, что с помощью ПЭТ было показано наличие очагов стойкого гиперметаболизма в передних отделах поясных извилин у больных с обсессивно-компульсивными симптомами (Insel T., 1992; Зохар Дж., 1998).
ПЭТ выявила при детском аутизме, имеющем общие признаки с негативными симптомами шизофрении, также снижение активности в лобной доли, префронтальной области и в поясной извилине.
Современные нейрофизиологические исследования включают в себя использование различных тестов, направленных на оценку состояния когнитивной сферы. Особенной популярностью пользуются тесты, в которых возможна ситуация выбора между правильным ответом и ошибочным.
Выполнение подобных тестов требует включения таких лобных функций, как внимание, рабочая память, торможение альтернативных ответов. Общеизвестен тест Струпа (1935) где слова, обозначающие цвет, напечатаны буквами другого цвета. Задача испытуемого — назвать цвет текста, а не слово.
Больные шизофренией выполняют тест медленно и делают при этом много ошибок
Нейрофизиологический метод дТМС (диагностическая транскраниальная магнитная стимуляция) позволяет измерить возбудимость коры мозга, в частности нейронов моторной зоны мозга (метод двойного пульса, кортикальный тихий период и др.), тем самым раскрывая особенности патогенеза шизофрении.
Исследование мозга методом МРС с помощью фосфора (Ф-MРС) делает возможным неинвазивное наблюдение за обменом фосфолипидов и энергетических фосфатов в тканях мозга. С помощью этого метода были обнаружены различия в церебральном метаболизме больных шизофренией и здоровых людей.
В контексте метаболических нарушений сообщалось об эффекте латерализации полушарий мозга. Определенное значение для этиопатогенеза шизофрении, в частности «мембранолипидной гипотезы шизофрении, имеет альтерация фосфолипидов и снижение энергетического метаболизма. (Riehemann S. et al.
, 2000).
Кроме того, регистрация активности мозга методом фМРТ показывает значительно сниженную активацию лобной коры больных шизофренией.
Данные электромагнитных свойств мозга, полученные с помощью «МР-спектроскопии» показывают, что поперечная намагниченность тканей мозга у больных шизофренией меньше (имеет иную молекулярную структуру), чем у здоровых людей.
После заболевания шизофренией магнитные характеристики ткани головного мозга не обнаруживают внезапных отклонений, и статистически значимо снижаются лишь через 10-15 лет (возможно под влиянием терапии психотропными препаратами).
В связи с этим предполагается, что при шизофрения представляет собой прогрессирующее нарушение развития головного мозга, поскольку при нейродегенерации имелась бы «точка отсчета» в изменении электромагнитных свойств мозга, совпадающая с началом болезни (Объедков В.Г., Сакович Р.А., 2007).
Магнитно-резонансная спектроскопия (MPC): протоновая магнитно-резонасная спектроскопия, фосфорная магнитно-резонансная спектроскопия), мозга больных шизофренией позволяет оценить биохимические изменения в определенных структурах мозга.
Работы, выполненные в этих направлениях, показали наличие изменений в дорсолатеральной зоне префронтального отдела лобной доли мозга, а также в височных отделах.
В частности, было обнаружено изменение концентрации мембраностабилизирующих фосфолипидов, снижение концентрации N-Acetyl-Aspartat-(NAA), а также соотношения NAA/Cholin.
Предполагается, что эти изменения появляются вследствие повреждения нейронов данных областей мозга и являются индикатором неблагоприятного течения шизофрении (Callicot J. et al., 2000).
Эти исследования, наряду с результатами морфометрии мозга, функциональной МРТ, нейропсихологическими экспериментами, в какой-то мере подтверждают гипотезу «лобно-височно-таламусного сетевого расстройства» при шизофрении.
В настоящее время для изучения структурно-функциональных особенностей головного мозга при шизофрении применяются специальные компьютерные способы «усреднения» снимков мозга больших групп пациентов. «Усреднение» независимо от исходной техники исследования (ПЭТ, функциональная МРТ и др.
) позволяет поместить индивидуальные варианты активности мозга каждого пациента в «совместное анатомическое пространство»-анатомический атлас мозга, представленный в форме предварительно построенных квадрантов (atlas Talairch).
В дальнейшем с помощью достаточно сложных математических методов результаты исследований сравнивают с заданными стандартными образцами («процесс нормализации»), тем самым устраняя индивидуальную нейроанатомическую и нейрофизиологическую вариабельность.
Подобные работы показали, что больные шизофренией по сравнению со здоровыми испытуемыми демонстрируют более широкое пространственное распределение и рассеивание результатов исследований. Эти данные достоверно подтвердили «феномен гипофронтальности», достаточно часто встречающийся при шизофрении.
| Узнайте больше о лечении шизофрении |
По данным R. Kahn (2007), при шизофрении имеет место подавление функций таламуса, гиппокампа, фронтальных долей, коры и усиление активности бледного шара, покрышки и хвостатого ядра.
С помощью функциональной МРТ было продемонстрировано более эффективное влияние атипичных антипсихотиков по сравнению с традиционными нейролептиками на моторику больных шизофренией.
При применении атипичного антипсихотика рисперидона и предъявлении на фоне проведения функциональной МРТ обновленных тестов изучения рабочей памяти, была обнаружена заметная активация префронтального кортекса, возникающая под воздействием данного препарата.
Фгбну нцпз. ‹‹общая психиатрия››
Общим для методов нейровизуализации является получение изображения мозговых структур, представленных в виде его срезов.
К нейровизуализационным методам относятся компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, магнитно-резонансная спектроскопия, позитронно-эмиссионная томография, однофотонно-эмиссионная томография и функциональная магнитно-резонансная визуализация.
Первые два из них называют «анатомическими» или «структурными», поскольку они воспроизводят изображение структур мозга, остальные — «функциональными», так как они позволяют визуализировать различные параметры его физиологической деятельности (кровоток, биохимические процессы) с их количественной оценкой.
Компьютерная томография (Computed tomography; общепринятые русск. и англ. сокращения — КТ, СТ) была первой среди других методов нейровизуализации и явилась фактически основой для их развития.
Получение изображения при КТ достигается путем пропускания узкого пучка рентгеновских лучей через исследуемый слой (срез) мозга (по существу это рентгеновское исследование, но в отличие от общего обзорного изучения мозга при КТ получают его серийное послойное изображение.
Поэтому правильнее было бы в этом случае использовать термин «компьютерная рентгеновская томография», так как понятие «компьютерная томография» может быть отнесено ко всем другим томографическим методам, которые будут здесь представлены).
Перемещаясь во многих направлениях вокруг головы пациента, источник рентгеновского излучения дает возможность получить информацию о плотности (определяющейся степенью поглощения рентгеновских лучей) структур мозга, составляющих исследуемый слой.
Эта информация улавливается детекторным устройством, находящимся на противоположной стороне от источника рентгеновского пучка. Далее она обрабатывается с помощью ЭВМ и поступает на экран монитора в виде серо-белого изображения поперечного среза мозга, приближающегося по своей характеристике к картине, которую можно видеть при вскрытии.
Помимо вещества мозга, на томограмме видны ликворные пространства, кости черепа. Современные томографы дают возможность получать изображения мозговых срезов толщиной от 1 до 10 мм при пространственном разрешении до 0,3—0,6 мм. Изучаемые слои часто располагаются в аксиальной (параллельной основанию черепа) плоскости, но возможно получение изображений в сагиттальной и коронарной плоскостях.
На рис. 22 и 23 представлены примеры снижения плотности белого вещества мозга (явление лейкоараиозиса) и патологии ликворных пространств.
При магнитно-резонансной томографии (МРТ) (в литературе ранее употреблялось также сокращение ЯМР (ядерно-магнитно-резонансная томография)) получение изображения органа основано на использовании электромагнитных свойств атомных элементов с нечетным числом электронов или протонов.
Такие элементы имеют угловой момент вращения (так называемый спин) и соответственно собственное магнитное поле.
Если поместить орган, в структуру которого входят эти элементы, в постоянное достаточно мощное магнитное поле, то происходит выравнивание их микромагнитных полей параллельно силовым линиям внешнего поля.
Это равновесие может быть нарушено при воздействии радиочастотными импульсами на микромагнитные поля элементов, находящиеся внутри постоянного магнитного поля. Вместе с тем эти элементы начинают резонировать.
После прекращения такого воздействия в течение определенного времени (время релаксации) микромагнитные поля возвращаются в исходное состояние, выделяя определенное количество энергии, совокупная характеристика которой и несет информацию о состоянии живой ткани, в том числе и о ее плотности.
Различают спин-решетчатое (Т1) время релаксации, требующееся для исходной ориентации спинов по отношению к магнитному полю, и спин-спиновое время релаксации (Т2), которое необходимо для преодоления эффекта взаимодействия спинов различных элементов друг с другом.
На основании этого выделяются Т1 и Т2 — взвешенные образы, т.е. изображения той или иной структуры органа, полученные преимущественно в режиме Т1-или Т2-сигнала.
По качеству изображений срезов головного мозга МРТ, несомненно, превосходит КТ.
Магнитно-резонансные изображения значительно контрастнее, с более четкой различимостью белого и серого вещества, лучшей визуализацией базальных, стволовых и конвекситальных структур, гиппокампа, височной доли (рис. 24).
МРТ в несколько раз превосходит КТ по эффективности выявления мелких (лакунарных) инфарктов, в частности при деменциях позднего возраста [Медведев А.В. и др., 1995].
Рис. 24. Опухоль лобной доли головного мозга, имитирующая болезнь Пика. Магнитно-резонансная томограмма — сагиттальное (А) и аксиальное (Б) сечения.
При МРТ отсутствуют нередкие для КТ артефакты изображения, возникающие в областях, пограничных между мозговой тканью и костями черепа; отсутствует присущее КТ радиационное воздействие на организм.
Вместе с тем МРТ, будучи более чувствительным методом, при выявлении некоторых патологических состояний мозговой ткани и прежде всего белого подкоркового вещества, оказывается иногда менее специфичной. МРТ не выявляет кальцификаты.
К тому же МРТ противопоказана больным с металлическими телами в черепе (послеоперационные клипсы, осколки), с кардиостимулятором.
Поскольку процедура получения изображения мозга посредством КТ требует обычно меньше времени, чем при МРТ, первая предпочтительна в ургентной ситуации, у больных с психомоторным возбуждением или ступором, с расстройством сознания и т.п.
Однако при проведении научных исследований, нередко сопряженных с необходимостью количественной оценки различных структур мозга, МРТ, безусловно, является приоритетной. Она имеет также неоспоримое преимущество при получении объемных показателей и их приспособлении к поставленным задачам исследования как целого мозга, так и отдельных его областей из-за большего контраста и мультиплановости [Aichner E.T. и др., 1994].
В повседневной практике анализ рентгеновских компьютерных и магнитно-резонансных томограмм ограничивается в основном общей визуальной их оценкой.
При этом учитываются размеры и конфигурация, степень симметрии ликворных пространств (желудочковой системы, цистерн, подпаутинного пространства, субарахноидальных пространств больших полушарий головного мозга и мозжечка), а также состояние вещества мозга (мозговой паренхимы), которое оценивается на основании наличия или отсутствия изменений его плотности — диффузного либо очагового характера. Более предпочтительными, естественно, являются количественные методы оценки томограмм. В этом случае речь идет о подсчитывании абсолютных или относительных (индексов) размеров той или иной области паренхимы мозга (включая и патологически измененные участки) и ликворной системы в линейных, плоскостных (планиметрических) или объемных (волюметрических) показателях. К наиболее распространенным количественным показателям размеров ликворных пространств, используемых для оценки мозговой атрофии, относятся желудочковые индексы: индекс передних отделов (отношение максимального расстояния между наиболее удаленными наружными отделами передних рогов и наибольшим поперечником между внутренними краями костей черепа на том же срезе); индекс центральных отделов боковых желудочков (отношение наименьшего расстояния между их наружными стенками в области углубления к максимальному внутреннему поперечнику черепа на этом же срезе); индекс III желудочка (отношение его максимальной ширины в задней трети на уровне шишковидного тела к наибольшему поперечному диаметру черепа на том же срезе).
К компьютерно-томографическим и магнитно-резонансным феноменам патологических изменений мозговых структур, имеющих наибольшее значение в клинике психических заболеваний, относятся мозговая атрофия, а также снижение плотности мозговой ткани.
Мозговая атрофия проявляется увеличением размеров желудочковой системы (центральная или преимущественно подкорковая атрофия) и субарахноидальных пространств больших полушарий (преимущественно корковая атрофия). В зависимости от характера заболевания возможна региональная акцентуация мозговой атрофии.
К разновидностям снижения мозговой плотности, часто встречающимся при различных формах психических заболеваний, в первую очередь относится феномен лейкоараиозиса (от греч. leukos — белый и araiosis — разряженный).
Он характеризуется снижением плотности белого вещества в перивентрикулярной области или в семиовальном центре на изображениях срезов мозга при рентгеновской компьютерной томографии и повышением интенсивности Т2 сигнала перивентрикулярно или в глубоком белом веществе при магнитно-резонансном обследовании.
Выделенный первоначально при сосудистой деменции [Hachinski V.C. et al., 1987] лейкоараиозис, как оказалось, является морфологически весьма гетерогенным и может встречаться при самых различных органических и так называемых функциональных и психических заболеваниях, а также у психически здоровых лиц старческого возраста.
Другим феноменом снижения мозговой плотности, встречающимся у лиц с психической патологией (главным образом позднего возраста), являются крупные, средней величины и мелкие (лакунарные) очаги ишемического характера.
Следует особо подчеркнуть, что оценка диагностического значения вышеуказанных томографических феноменов (мозговой атрофии, лейкоараиозиса и ишемических очагов), встречающихся при психических заболеваниях, должна проводиться не только при обязательном сопоставлении с их клинической картиной, но и с учетом возраста больного.
Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС). Суть метода заключается в спектральном анализе резонансных сигналов (резонансных частот) ряда атомов [таких как фосфор (31Р), натрий (23Na), углерод (13С) и др.
], входящих в состав соединений, осуществляющих важнейшие мозговые функции.
Благодаря этому с помощью МРС можно получать количественную информацию о фундаментальных аспектах мозгового метаболизма и судить о характере нейрохимических процессов в той или иной области мозга. Метод используется в научных исследованиях.
Позитронная эмиссионная томография (ПЭТ) — метод прижизненного изучения обменных процессов в ткани головного мозга с возможностью одновременного получения данных о мозговом кровотоке.
Он основывается на использовании феномена позитронной эмиссии, происходящей во введенном в организм меченном радиоизотопами веществе при его распределении и накоплении в мозговых структурах. Для изучения мозгового метаболизма используются следующие изотопы: 18F, ПС, 13N или 15О (чаще всего используется радиоактивно меченная глюкоза).
Для исследования регионального мозгового кровотока чаще применяют 15О (маркированная вода) или инертный газ 18F — флюорметан. Соответствующее вещество, будучи введенным в организм, с током крови распределяется по органам, достигает мозга и излучаемые им позитроны улавливаются детекторами (ПЭТ-камерами), которые расположены кольцеобразно вокруг головы.
Изотопы накапливаются прежде всего в сером веществе, где плотность нейронов наиболее высокая — в коре, базальных ганглиях, таламусе и мозжечке. Изменения в накоплении изотопов в какой-либо области мозга позволяют предполагать нарушение нейрональной активности.
Подобным же образом могут прослеживаться пути лигандов нейрорецепторов, белков обратного захвата (reuptake proteins), лекарственных препаратов и т.д.
Позитронно-эмиссионные томографы последних моделей могут одновременно определять и подсчитывать показатели различных метаболических процессов по меньшей мере на 15 аксиальных мозговых срезах при минимальном размере участка среза 5—6 мм. При проведении ПЭТ нередко используются психологические тесты, позволяющие определить особенности функционирования различных областей мозга. Комбинация ПЭТ с МРТ дает возможность уточнить анатомическую локализацию региональных функциональных параметров мозга, что имеет существенное значение для углубления знаний о функционально-морфологических связях.
Применение ПЭТ, однако, имеет ограничения для его широкого применения не только в клинических, но и научных исследованиях, так как он требует дорогостоящего оборудования, включающего атомный реактор (используемые радиоизотопы являются короткоживущими и должны изготовляться на месте их применения). Поэтому исследования с применением ПЭТ имеют возможность проводить лишь немногие научные центры.
Однофотонная эмиссионная томография (ОФЭТ) позволяет получать информацию о региональном мозговом кровотоке. При исследовании в кровь вводятся испускающие фотоны радионуклиды, которые после их прохождения через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) обнаруживаются вращающейся вокруг головы гамма-камерой либо кольцевыми детекторами.
В качестве изотопов используют радиоактивные газы криптон (85Кг) или ксенон (133Хе), а в последнее время — гексаметил-пропиленаминоксин (ГМПАО), маркированный по «Тс. Локализация введенных радиоизотопов в заданном поперечном слое мозга определяется в первую очередь мозговым кровотоком.
Поэтому ОФЭТ может оценивать изменения кровотока в тех или иных областях (корковых и глубинных) мозга в норме и при различных патологических состояниях, в том числе и при функциональной нагрузке, например, в условиях психологического эксперимента.
ОФЭТ уступает ПЭТ по своей информативности, но гораздо экономичнее и может использоваться не только при проведении научных исследований, но и в клинической практике.
Функциональная магнитно-резонансная визуализация (ФМРВ). Новейший и, по-видимому, наиболее перспективный метод нейровизуализации. Позволяет одновременно получать данные о метаболизме, кровотоке и структурной характеристике мозга, причем его разрешающая возможность превосходит соответствующие показатели других методов нейровизуализации.
Рассматривается как метод изучения «функциональной архитектуры» мозга. Суть ФМРВ заключается в регистрации изменений электромагнитного сигнала от элементов различных областей мозга в условиях его активации сенсорными, когнитивными и фармакологическими стимулами. Превосходя по информативности ПЭТ, ФМРВ лишена такого ее недостатка, как радиационное воздействие на организм пациента.
Сегодня этот метод находится в стадии внедрения.
Функциональная нейровизуализация
Методы получения изображений мозговой активности, такие, как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), были разработаны во второй половине двадцатого века и , по-видимому, вызвали большой интерес среди нейробиологов.
Контролируя мозговой кровоток с использованием такого метода функциональной нейровизуализации , как функциональная магнитно — резонасная томография (fMRI), можно определить, какие области головного мозга получают большую часть крови, и следовательно наиболее активны в сетях нейронах — когда выполняется какое-либо действие (например, решение задач на память, или просмотр позивтиных или негативных изображений и т. д.). fMRI превзошла PET ( ПЭТ) как инструмент для функционального нейровизуализации вскоре после ее открытия (из-за множества факторов, включая лучшее пространственное разрешение и менее инвазивный подход), причем, этот метод исследования, был выбран в более чем 40 000 опубликованных исследований, начиная с 1990-х годов.
Представители СМИ быстро поняли, что результаты исследований функциональной МРТ могут быть упрощены в сочетании с некоторыми красочными изображениями сканирования мозга и представлены публике, как огромный скачок в понимании того, какие части мозга ответственны за определенные поведения или модели поведения. Упрощение этих исследований привело к невероятным утверждениям о том, что сложные модели поведения и эмоций, такие, как религия или ревность, исходят в основном из одной области мозга.
Одна из основных проблем функциональной нейровизуализации связана с тем, как обрабатываются данные этих экспериментов. Например, в fMRI устройство создает представление о функциональной активности мозга путем деления изображения мозга на тысячи небольших трехмерных кубов, называемых вокселями.
Причем, каждый воксель может представлять активность более миллиона нейронов. Затем исследователи должны проанализировать данные, чтобы определить, какие воксели указывают на более высокие уровни кровотока, и эти результаты используются затем для определения того, какие области мозга наиболее активны.
Тем не менее, большая часть мозга активна во всех случаях, поэтому исследователи должны сравнивать активность в каждом вокселе с деятельностью в этом вокселе во время решения другой задачи, чтобы определить, превышает ли поток крови в конкретном вокселе во время решения интересующей исследователя задачи.
Из-за огромного объема данных возникает проблема с задачей определения того, отражает ли кровоток в конкретном вокселе активность над базовой линией.
Каждый образ fMRI может составлять от 40 000 до 500 000 вокселей в зависимости от настройки аппаратуры, и каждый эксперимент включает в себя много изображений (иногда тысячи), каждый из которых занимает всего пару секунд отделяющих друг от друга изображения.
Это создает статистическую сложность, называемую проблемой множественных сравнений, которая по существу утверждает, что если вы выполняете большое количество тестов, вы, скорее всего, найдете один значительный результат просто случайным образом, чем если бы вы выполнили только один тест. Один метод решения проблемы множественных сравнений , ставший популярным сегогдня среди исследователей fMRI, называется кластеризацией.
Нейровизуализация | База знаний | PSYWEB
Нейровизуализа́ция — общее название нескольких методов, позволяющих визуализировать структуру, функции и биохимические характеристики мозга.
Включает компьютерную томографию, магнитно-резонансную томографиюи т. п. Это сравнительно новая дисциплина, являющаяся разделом медицины, а конкретнее — неврологии, нейрохирургии и психиатрии.
Классификация
Нейровизуализация включает 2 обширные категории:
- Структурная визуализация, описывающая структуру головного мозга и диагноз больших внутричерепных болезней (опухоль или ЧМТ);
- Функциональная нейровизуализация, используемая для диагностики метаболических расстройств на ранней стадии (таких, как болезнь Альцгеймера), а также исследований неврологии и когнитивной психологии и конструирования нейрокомпьютерных интерфейсов.
Функциональная нейровизуализация делает возможной, например визуализацию обработки информации в центрах головного мозга. Такая обработка повышает метаболизм этих центров и «подсвечивает» скан (изображение, полученное при нейровизуализации). Один из наиболее дискуссионных вопросов — исследования по распознаванию мыслей, или их «чтению».
История
В 1918 американский нейрохирург У. Э. Денди впервые использовал техникувентрикулографии. Рентгеновские снимки желудочков головного мозга осуществлялисьинъекцией фильтрованного воздуха непосредственно в боковой желудочек головного мозга. У. Э.
Денди также наблюдал, как воздух, введённый в субарахноидальное пространство через люмбальную пункцию может войти в желудочки головного мозга и демонстрировал участки ликвора у основы и на поверхности мозга.
метод исследования назвали пневмоэнцефалографией.
В 1927 Эгаш Мониш ввёл в практику церебральную ангиографию (см. такжеангиография), при помощи которой визуализируются нормальные и аномальные кровеносные сосуды головного мозга с высоким разрешением.
В начале 1970-х А. М. Кормак и Г. Н. Хаунсфилд ввели в практику КТ. Она дала возможность делать ещё более детальные анатомические снимки и использовать их для диагностики и исследований.
В 1979 они стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии или медицине за их изобретение.
Через короткий промежуток времени после введения КТ, в начале 1980-х исследования порадиолигандам привели к открытию ОФЭКТ и ПЭТ головного мозга.
Примерно тогда же сэром П. Мэнсфилдом и П. К. Лотербуром было разработано МРТ. В 2003 они удостоились Нобелевской премии по физиологии или медицине. В начале 1980-х МРТ начали использовать в клинике и в 1980-х произошёл настоящий взрыв использования этой технологии в диагностике.
Учёные быстро установили, что значительные изменения в кровообращении можно диагностировать особым типом МРТ. Так была открытаФМРТ и с 1990-х она начала доминировать в составлении топографии мозга благодаря своей малоинвазивности, отсутствию радиации и относительно широкой доступности.
ФМРТ также начинает доминировать в диагностикеинсультов.
В начале 2000-х нейровизуализация достигла того уровня, когда раньше ограниченные функциональные исследования мозга стали доступными. Главным применением её становятся пока недостаточно развитые методы нейрокомпьютерных интерфейсов.
Технологии визуализации головного мозга
Компьютерная томография головы
Компьютерная томография (КТ) или компьютерная аксиальная томография (КАТ) использует серии рентгеновских лучей, направленных на голову, с большого количества разных направлений. Обычно её используют для быстрой визуализации ЧМТ.
При КТ используют компьютерную программу, что осуществляет цифровые интегральные вычисления (инверсиюпреобразования Радона) измеряемой серии рентгеновских лучей. Она вычисляет, насколько эти лучи абсорбируются объёмом головного мозга.
Обычно информация представлена в виде срезов мозга.
Диффузная оптическая томография
Диффузная оптическая томография (ДОТ) — способ медицинской визуализации, использующий инфракрасное излучение для изображения тела человека. Технология измеряет оптическую абсорбцию гемоглобина и опирается на его спектр поглощения в зависимости от насыщения кислородом.
Оптические сигналы, модифицированные посредством события
Оптический сигнал, модифицированный посредством события — нейровизуализационная технология, использующая инфракрасное излучение, которое пропускают через оптические волокна и измеряющая разницу в оптических свойствах активных участков коры головного мозга.
В то время, как ДОТ и околоинфракраснаяспектроскопия измеряют оптическую абсорбцию гемоглобина, а значит, основаны на кровообращении, преимущество этого метода основано на исследовании отдельных нейронов, то есть проводит непосредственное измерение клеточной активности.
Технология оптического сигнала, модифицированного посредством события, может высокоточно идентифицировать активность мозга с разрешением до миллиметров (в пространственном отношении) и на протяжении миллисекунд. Наибольшим недостатком технологии является невозможность идентифицировать активность нейронов более чем несколько сантиметров в глубину.
Это новая, относительно недорогая технология, неинвазивная для пациента. Она разработана Иллинойским университетом в Урбана-Шампейн, где её теперь используют в Когнитивной нейровизуализационной лаборатории доктора Габриэля Граттон и доктора Моники Фабиани.
Магнитно-резонансная томография
МРТ использует магнитные поля и радиоволны для визуализации 2-мерных и 3-мерных изображений структур головного мозга без использования ионизирующего излучения (радиации) или радиоактивных маркеров.
Функциональная магнитно-резонансная томография
ФМРТ основана на парамагнитных свойствах оксигенированого и дезоксигенированого гемоглобина и дает возможность увидеть изменения кровообращения головного мозга в зависимости от его активности. Такие изображения показывают, какие участки мозга активированы (и каким образом) при исполнении определённых заданий.
Большинство ФМРТ томографов дают возможность представлять исследуемому разные визуальные изображения, звуковые и тактильные стимулы и производить действия типа нажатия кнопки или движения джойстиком.
Следовательно, ФМРТ можно использовать, чтобы показывать структуры мозга и процессы, связанные с восприятием, мышлением и движениями. Разрешение ФМРТ на данный момент 2—3 мм, ограниченное кровоснабжением, влияющим на нейрональную активность.
Она существенно заменяет ПЭТ при исследовании типов активации головного мозга.
ПЭТ, однако, одерживает значительное преимущество, будучи в состоянии идентифицировать специфические клеточные рецепторы или (моноаминовые трансмиттеры) связанные с нейромедиаторами, благодаря визуализации меченных радиоактивно рецепторных «лигандов» (рецепторный лиганд — химическое вещество, связанное с рецептором).
ФМРТ используют как для медицинских исследований, так и (всё шире) в диагностических целях. Так как ФМРТ исключительно чувствительна к изменениям кровообращения, она очень хорошо диагностирует ишемию, как например при инсульте.
Ранняя диагностика инсультов всё важнее в неврологии, так как медикаменты, растворяющие свернувшиеся сгустки крови можно использовать в первые несколько часов и при определённом типе инсульта, в то время как они могут быть опасными при дальнейшем использовании.
ФМРТ в таких случаях дает возможность принять правильное решение.
ФМРТ можно использовать также для распознавания мыслей. В эксперименте с точностью 72 %—90 % ФМРТ смогла установить, какой набор картинок смотрит испытуемый.
Скоро, по мнению авторов исследований, благодаря этой технологии можно будет установить, что именно видит перед собой испытуемый.
Эту технологию можно будет использовать для визуализации снов, раннего предупреждения болезней головного мозга, создания интерфейсов для парализованных людей для общения с окружающим миром, маркетинговыерекламные программы и борьба с терроризмом и преступностью.
Магнитоэнцефалография
Магнитоэнцефалография (МЭГ) — нейровизуализационная технология, используемая для измерения магнитных полей, которую производит электрическая активность головного мозга посредством особо чувствительных устройств, таких как СКВИД.
МЭГ использует непосредственное измерение электроактивности нейронов, более точное, чем например ФМРТ, с очень высоким разрешением во времени, но маленьким в пространстве.
Преимущество измерения таких магнитных полей в том, что они не искажаются окружающей тканью, в отличие от электрических полей, измеряемых ЭЭГ.
Есть много способов применения МЭГ, включая помощь нейрохирургам в локализации патологии, помощь исследователям в локализации функции отделов мозга, исследования обратной связи нервной системы и другие.
Позитронно-эмиссионная томография
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) измеряет выброс радиоактивно меченых метаболически активных химических веществ, введённых в кровеносное русло. Информация обрабатывается компьютером в 2- или 3-мерные изображения распределения этих химических веществ в головном мозге.
Испускающие позитроны радиоизотопы производит циклотрон и химические вещества маркируют радиоактивными атомами. Радиоактивно меченое образование, именуемое радиоактивный индикатор, вводят путём инъекции в кровеносное русло и в конечном счёте оно достигает головного мозга.
Сенсоры в ПЭТ-сканере регистрируют радиоактивность, когда радиоактивный индикатор накапливается в разных структурах головного мозга. Компьютер использует информацию, собранную от сенсоров для создания 2- и 3-мерных разноцветных изображений, отражающих распределение индикатора в мозге.
В настоящее врем нередко используются целые группы разнообразных лигандов для картирования различных аспектов активности нейромедиаторов. Тем не менее, наиболее часто используемым ПЭТ-индикатором остается меченая форма глюкозы (см.Фтордезоксиглюкоза (ФДГ)), показывающая распределение метаболической активности клеток головного мозга.
Самое большое преимущество ПЭТ в том, что разные радиоиндикаторы могут показывать кровообращение, оксигенацию и метаболизм глюкозы в тканях работающего мозга.
Эти измерения отображают объём активности головного мозга в его разных участках и дают возможность больше изучить, как он работает. ПЭТ превосходит остальные методики, визуализирующие метаболизм в отношении разрешения и скорости (делает скан в течение 30 с).
Улучшенная разрешающая способность дала возможность лучше изучить мозг, активированный определённым заданием. Главный недостаток ПЭТ заключается в том, что радиоактивность быстро распадается, это ограничивает мониторинг только коротких заданий.
До того, как стала доступной ФМРТ, ПЭТ была главным методом функциональной (в противоположность структурной) методикой нейровизуализации и до сих пор продолжает делать большой вклад в неврологию.
ПЭТ также используют для диагностики болезней головного мозга, в первую очередь потому что опухоли головного мозга, инсульты и повреждающие нейроны заболевания, вызывающие деменцию (такие как болезнь Альцгеймера) очень нарушают метаболизм мозга, что ведёт к легко заметным изменениям на ПЭТ-сканах.
ПЭТ, вероятно, наиболее полезна в ранних случаях определённых деменций (классический пример — болезнь Альцгеймера и болезнь Пика), где ранние нарушения особо диффузные и ведут к слишком маленьким различиям в объёме мозга и его макроскопической структуре, чтобы быть заметными на КТ или стандартной МРТ, которые не имеют возможности отличить их от обычной возрастной инволюции (атрофии), не вызывающей клинической деменции.
Однофотонная эмиссионная компьютерная томография
Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) похожа на ПЭТ и использует гамма-излучение, излучаемое радиоизотопами, и гамма-камеру для записи информации на компьютер в виде 2- или 3-мерных изображений активных участков мозга.
ОФЭКТ нуждается в инъекции радиоактивного маркера, быстро поглощаемого мозгом, но не перераспределяемого. Его потребление составляет около 100 % в течение 30—60 с, отображая кровоснабжение головного мозга во время инъекции.
Эти свойства ОФЭКТ делают её особо подходящей при эпилепсии, что обычно сложно через движения пациента и различные типы судорог.
ОФЭКТ осуществляет «моментальный снимок» кровоснабжения головного мозга так как сканы можно получить сразу после завершения судорог (в то время как маркер был введён во время судорог). Значительным ограничением ОФЭКТ является маленькое разрешение (до 1 см) сравнительно с МРТ.
Как ПЭТ, ОФЭКТ также можно использовать для дифференциации процессов, ведущих к деменции. Её всё чаще для этого используют. Нейро-ПЭТ имеет недостаток, используя индикаторы с периодом полураспада 110 минут, таких как ФДГ.
Их производит циклотрон и они дорогие, или даже недоступны, когда время для транспортировки превышает время полураспада. ОФЭКТ, однако, может использовать индикаторы с большим периодом полураспада, например, технеций-99m.
В результате, её можно использовать гораздо шире.
Загрузка...
