Развитие магнитно-резонансной томографии (МРТ) – это история успеха фундаментальных исследований. Сегодня медицинская диагностика немыслима без нее. Но потребовалось время, чтобы исследования увенчались успехом: прошло почти полвека с тех пор, как физики впервые начали свои исследования, которые в конечном итоге привели к тому, что стало известно как ядерный магнитный резонанс. В 2001 году Nikos K. Логотетис и его коллеги из Института биологической кибернетики Макса Планка в Тюбингене разработали новый методологический подход, который значительно углубил наше понимание принципов функциональной МРТ.
Большим преимуществом функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) является то, что она не требует серьезных вмешательств на теле. В фМРТ человеческий организм подвергается воздействию электромагнитных волн. Насколько нам известно сегодня, этот процесс совершенно безвреден, несмотря на то, что оборудование фМРТ генерирует магнитные поля, которые примерно в миллион раз сильнее, чем естественное магнитное поле Земли.
Физическое явление, лежащее в основе фМРТ, известно как ядерный магнитный резонанс, и путь к его открытию был вымощен несколькими Нобелевскими премиями. История начинается в первой половине 20 века с описания свойств атомов. Идея использования ядерного магнитного резонанса в качестве диагностического инструмента обсуждалась еще в 1950-х годах. Но этот метод нужно было усовершенствовать, прежде чем он был окончательно реализован в виде магнитно-резонансной томографии.
Сегодня МРТ позволяет получать изображения не только изнутри нашего тела; он также предоставляет информацию о функциональном состоянии определенных тканей. Прорыв в области фМРТ произошел в 1980-х годах, когда исследователи обнаружили, что МРТ также может использоваться для обнаружения изменений насыщения крови кислородом, принцип, известный как ЖИВОЕ (зависимость от уровня кислорода в крови) визуализация. Разница между магнитной чувствительностью оксигенированной артериальной крови и деоксигенированной венозной крови составляет 20 процентов. В отличие от оксигенированного гемоглобина, деоксигенированный гемоглобин усиливает силу магнитного поля в непосредственной близости от него. Эту разницу можно увидеть на снимке МРТ.
ФМРТ дала нам новое понимание мозга, особенно в нейробиологии. Однако за начальной фазой эйфории последовала волна скептицизма среди ученых, которые задались вопросом, насколько информативным "цветные изображения" действительно. Хотя фМРТ на самом деле может генерировать огромные объемы данных, часто отсутствует справочная информация или базовое понимание, позволяющее сделать значимую интерпретацию. В результате существует огромный разрыв между измерениями мозговой активности с помощью фМРТ и результатами, полученными на животных на основе электрофизиологических записей.
Это связано в основном с техническими соображениями: взаимодействие между сильным полем МРТ и токами, измеряемыми на электродах, сделало невозможным одновременное применение этих двух методов, чтобы преодолеть разрыв между экспериментами на животных и результатами, полученными на людях.
fMRT показывает входные сигналы
В 2001 году Никос Логотетис и его коллеги из Института биологической кибернетики Макса Планка в Тюбингене первыми преодолели этот барьер. С помощью специальных электродов и сложной обработки данных они однозначно показали, что BOLD фМРТ действительно измеряет изменения в активности нервных клеток. Они также обнаружили, что СИЛЬНЫЕ сигналы коррелируют с поступлением и локальной обработкой данных в определенной области мозга, а не с выходными сигналами, которые передаются в другие области мозга. Их статья стала важной вехой в нашем понимании МРТ и была процитирована более 2500 раз по всему миру.
Их новая экспериментальная установка позволила тюбингенским ученым изучить различные аспекты активности нервных клеток и различать потенциалы действия и потенциалы локального поля. Потенциалы действия – это электрические сигналы, которые исходят от отдельных нервных клеток или относительно небольшой группы нервных клеток. Это сигналы типа “все или ничего”, которые возникают только в том случае, если запускающий стимул превышает определенный порог. Таким образом, потенциалы действия отражают выходные сигналы. Эти сигналы обнаруживаются электродами, расположенными в непосредственной близости от нервных клеток. Напротив, потенциалы локального поля генерируют медленно изменяющиеся электрические потенциалы, которые отражают сигналы, поступающие и обрабатываемые в большей группе нервных клеток.
Применяя эти три метода одновременно, исследователи Макса Планка изучили реакцию на зрительный стимул в зрительной коре головного мозга обезьян, находящихся под наркозом. Сравнение измерений показало, что данные фМРТ больше относятся к потенциалам локального поля, чем к одноячеечным и многоэлементным потенциалам. Это означает, что изменения насыщения крови кислородом не обязательно связаны с выходными сигналами нервных клеток; вместо этого они отражают поступление и обработку сигналов, полученных из других областей мозга.
Другое важное открытие, сделанное исследователями Тюбингена, заключалось в том, что из-за большой вариабельности сосудистых реакций данные BOLD фМРТ имеют гораздо более низкое отношение сигнал / шум, чем электрофизиологические записи. Из-за этого традиционный статистический анализ данных фМРТ человека недооценивает степень активности мозга. Другими словами, отсутствие сигнала фМРТ в какой-либо области мозга не обязательно означает, что там не обрабатывается никакая информация. Врачам необходимо учитывать это при интерпретации данных фМРТ.