В прошлом посте речь шла о методах изучения электромагнитной активности мозга. Сегодня эти методы включаются в методы нейровизуализации, то есть создания изображений, показывающих работу мозга. Но на самом деле эти методы «внешние»: сигнал, который в них используется, мы можем регистрировать только на поверхности головы. Гораздо более интересными для учёных являются методы, которые позволяют увидеть, что происходит внутри головы (причём сделать это неинвазивно, то есть не нарушая целостность мозга, не вскрывая череп).
Один из первых вариантов, как увидеть, что у человека внутри, не нарушая целостности тканей, связан с открытием рентгеновского излучения и рентгеновских фотографий. Однако если речь идёт про мозг, проблема заключается в том, что он состоит из мягких тканей, которые не видны на классическом рентгеновском снимке. Это значит, что даже анатомию мозга (не говоря уже про его активность) таким методом не изучишь. Тем не менее учёные никогда не пасовали перед трудностями и не отличались отсутствием фантазии. В этом посте мы как раз и поговорим, куда эта фантазия привела учёных в ХХ веке.
Одними из первых методов, визуализирующих анатомию мозга, принято считать воздушную вентрикулографию и пневмоэнцефалографию. Последний метод около 1918 года придумал Уолтер Данди, один из отцов нейрохирургии (другие его открытия включают описание циркуляции спинномозговой жидкости в головном мозге, хирургическое лечение гидроцефалии, описание эндоскопии головного мозга, создание первого отделения интенсивной терапии, а также первое клипирование внутричерепной аневризмы, положившее начало цереброваскулярной нейрохирургии). Суть методов, предложенных Данди, заключалась как раз в том, чтобы сделать интересующие его особенности мозговой анатомии более доступными для рентгена. Данди смог реализовать процедуру, в которой перед тем, как отправить человека на рентген, спинномозговая жидкость выкачивалась и заменялась на воздух, кислород или гелий (уточню, что это делалось с живым человеком). После такой замены ренгтеновский снимок давал примерно вот такую картинку, позволяющую различить какие-то детали анатомической структуры.
С одной стороны, предложенный Данди метод действительно оказался очень полезным для своего времени в том, чтобы хоть как-то найти место повреждения мозга вследствие травм, инсультов и других причин. С другой, повторюсь, сама процедура проводилась на живом человеке и была крайне болезненной, причём часто негативные эффекты от процедуры, такие как головные боли и тошнота, не проходили ещё долгое время после её проведения. Несмотря на то что сегодня такой метод кажется очень грубым, он лег в основу метода вентрикулографии, применяющегося до сих пор. Только если раньше спинномозговую жидкость заменяли на воздух, сейчас придумали более изящный и менее болезненный вариант – вводить в кровь специальные контрастные (более заметные на рентгене) вещества. Вентрикулографию желудочков сердца, например, и сегодня проводят миллионам людей по всему миру. Метод введения контрастных веществ в кровеносную систему мозга получил название ангиографии. Его в 1927 году предложил Антониую Эгаш Мониш, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1949 года (Мониш более известен как автор скандальной процедуры лоботомии; между прочим, Нобелевскую премию ему дали как раз за неё). С помощью ангиографии можно было с большой точностью визуализировать как нормальные, так и аномальные кровеносные сосуды в мозге и вокруг него. Эта процедура до сих пор нередко используется для диагностики состояния сосудов головного мозга и перед нейрохирургическими операциями.
Следующим большим прорывом в возможности заглянуть внутрь мозга стало изобретение метода компьютерной томографии. Томография в целом – это получение послойного изображения внутренней структуры объекта. В классическом варианте для получения таких слоёв изучаемый объект просто разрезали (гр. томос, τομή – сечение). В 20–30-е годы получение послойных виртуальных срезов (по сути – фотографий) было предложено французским врачом Бокажем в качестве дополнения к уже существующим методами рентгенографии. Изначально такой метод получил название биотомия, при этом прибор для проведения этой процедуры был назван томографом. В основе КТ также лежит рентгенография, однако появившиеся в 60-х годах революционные возможности в компьютерном анализе изображений позволили увидеть даже очень слабые изменения в рентгеновском излучении, проходящем сквозь разные ткани. В 1959 году, наблюдая за тем, как инженер работал над изучением замороженных фруктов с помощью рентгенографии, Уильям Ольдендорф понял, что можно «сканировать голову через проходящий пучок рентгеновских лучей и получить возможность реконструировать образцы радиоплотности плоскости сечения, проходящей через голову». Хотя идея Ольдендорфа была запатентована в 1963 году, производители стандартного рентгеновского оборудования отвергли новую технику как непрактичную. Письмо от одной компании заканчивалось словами: «Даже если бы его можно было заставить работать так, как вы предлагаете, мы не можем представить значительный рынок для такого дорогого аппарата, который только и делал бы рентгенографический срез головы». Столкнувшись с такой реакцией, Ольдендорф переключил свое внимание на другие исследования и никто ничего больше не слышал об этой идее до 1972 года. Когда в 1973 году доктор Джек Гринберг, один из пионеров компьютерной рентгенографии, пытался внедрить этот метод в своей больнице, то получил от рентгенологического отделения ответ о том, что «это мимолетное увлечение», а администрация больницы сначала отказалась покупать аппарат.
Однако уже в 1979 году за этот метод Годфри Хаунсфилду и Аллану Кормаку была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине. К середине 2010-х годов в Америке проводилось уже около 80 миллионов сканирований в год (и это при том, что к этому времени появились также и новые методы анализа анатомии мозга). Кстати, когда компьютерная томография всё-таки стала набирать популярность, Ольдендорф в одной из своих речей в 1975 году предсказывал, что этот метод «угрожает» традиционному укладу неврологии, сделает ненужными молоточки неврологов и приведёт к тому, что «такой анахронизм, как ЭЭГ» все забудут. К ЭЭГ мы вернёмся и в этом посте, а вот молоточки в кабинете невролога, думаю, многие всё ещё встречали.
Вершиной применения метода внедрения контраста в нейровизуализации, на мой взгляд, стоит считать метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Слово «позитронная» уже должно навести на мысль, что здесь мы имеем дело с физикой на уровне частиц. ПЭТ – это метод, который невозможен без применения циклотрона (здесь я не специалист и лучше отправлю к «Википедии») для получения совершенного особого типа контрастного вещества, соединённого с радионуклидами. Всё верно, в случае ПЭТ учёные предложили вводить людям в кровь радиоактивную жидкость! Но конечно, в данном случае сначала было рассчитано и доказано, что эта процедура безопасна для человека. Более того, уникальные свойства таких радиоактивных контрастов позволили изучать не только анатомию, но и физиологию мозга, его активность. В основе метода лежит явление, которое, как можно догадаться из названия, называется «эмиссия позитронов». Позитроны возникают (происходит их эмиссия) при позитронном бета-распаде радионуклида, который специально связывают с интересующим исследователей «контрастом» (правильнее – радиофармпрепаратом), который вводится в организм перед исследованием. В случае анализа активности мозга одним из основных «контрастов» стала радиоактивная глюкоза. Она была выбрана потому, что при введении в кровь начинает активно поглощаться разными тканями организма, в том числе и мозгом, и там, где такое поглощение идёт наиболее активно, можно наблюдать большую эмиссию позитронов. Если при этом поставить специальные детекторы позитронов, можно с высокой точностью обнаружить, откуда они вылетали, и таким образом установить, где именно находились наиболее активные участки мозга. Первый медицинский циклотрон был установлен в больнице Хаммерсмит в Лондоне в 1955 году, а в 1965 году за ним последовали установки в больнице общего профиля Массачусетса и в Институте радиологии им. Маллинкродта Вашингтонского университета. К 1974 году во всём мире насчитывалось 15 таких установок. В 1975 методы томографического исследования доработали Майкл Тер-Погосян с сотрудниками Медицинской школы Вашингтонского университета.
Метод ПЭТ предоставил совершенно новые возможности исследователям. Про один из фундаментальных результатов, который был получен с его помощью, я уже писал. Однако полностью удовлетворить нужды нейронауки с помощью ПЭТ не получилось. Во-первых, содержать недалеко от нейронаучной лаборатории циклотрон – это дорого. Во-вторых, в рамках данного метода можно регистрировать мозговую активность только в течение не очень продолжительного времени после исследования (обычно речь идёт о десятках минут), и к тому же точность локализации активности в пространстве ограничена. Ну и в-третьих, как ни объясняй людям, что радиоактивная глюкоза не опасна, радиофобия берёт своё, и звать людей в исследования с ПЭТ сложно. Все эти факторы вместе, а также параллельная работа физиков в итоге привели к появлению настоящей звезды среды методов нейровизуализации – магнитно-резонансной томографии (МРТ); конечно, за магнитно-резонансую томографию тоже дали Нобелевскую премию – в 2003 году.
В основе метода МРТ лежит явление ядерно-магнитного резонанса (кстати, в названии МРТ изначально тоже было слово «ядерный», но его решили убрать, чтобы меньше пугать людей). Ядерный магнитный резонанс (с ним связано даже две Нобелевских премии – за его открытие Исидору Раби в 1944 году, и за изучение ЯМР в жидкостях и твёрдых телах Феликсу Блоху и Эдварду Парселлу в 1952 году) – это резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер (да, это сложное определение; но я не физик, лучше не буду упрощать там, где могу ошибиться :). В случае МРТ томографическое, послойное сканирование головного мозга возможно потому, что в разных тканях мозга находится разное количество водорода. Именно особенности его поведения в условиях сильного наведённого магнитного поля в разных тканях позволили учёным восстанавливать максимально точную на сегодняшний день картину строения различных участков мозга. В зависимости от силы внешнего магнитного поля разрешение метода меняется; самые мощные томографы, которые сейчас применяются на людях, позволяют изучать структуры мозга с детализацией до 0,1 мм.
Такой уровень анатомической точности – это, конечно, очень важно, но ключевым методом в нейровизуализации МРТ стала благодаря ответвлению, позволившему анализировать активность мозга и её локализацию с заметно более высокой точностью, чем ПЭТ. И опять, как в случае с ПЭТ, учёным нужно было придумать, к каким естественно происходящим в мозге процессам нужно привязать новые методы. Если в случае ПЭТ за основу было взято потребление мозгом глюкозы, в функциональной МРТ, фМРТ (именно такое название получило новое ответвление) было обнаружено, что можно зафиксировать потребление мозгом кислорода. Такая возможность связана с тем, что, когда основной переносчик кислорода в крови, гемоглобин, отдаёт кислород тканям, свойства получившейся молекулы (дезоксигемоглобина, «гемоглобина без кислорода»), характеристики её магнитного резонанса меняются, и это изменение можно обнаружить с помощью МРТ.
Начиная с 90-х годов ХХ века на протяжении нескольких десятилетий фМРТ становился ключевым методом в нейронауке. Среди множества его достижений, поделюсь, наверное, вот этой громкой работой, где исследователи с помощью фМРТ составили подробную карту «концептов» – смысловых понятий – в коре больших полушарий.
В следующем посте будет рассказ о том, что начало происходить с изучением мозга совсем недавно, но перед тем, как закончить, небольшое отступление. Вообще про ЭЭГ речь шла в первом посте из этого цикла. А здесь говорилось о том, что, с точки зрения разработчиков компьютерной томографии, ЭЭГ – это анахронизм, который должен отмереть. Однако на самом деле вычислительные мощности в какой-то момент позволили и методу ЭЭГ стать полноценным методом визуализации происходящего внутри мозга. Дело в том, что большое количество датчиков ЭЭГ на голове и появление подробных биофизических и анатомических моделей мозга (полученных как раз с помощью КТ и МРТ) позволило нейроучёным решить так называемую обратную задачу и по активности на поверхности черепа восстановить источники активности внутри мозга. Конечно, такое искусственное восстановление источников оказывается менее точным, чем фМРТ с точки зрения детализации сигнала в пространстве, зато ЭЭГ – гораздо более «быстрый» метод, позволяющий регистрировать очень короткосуществующие процессы в мозге. Так что отказываться от ЭЭГ полностью научное сообщество пока не планирует :)
Иллюстрации: анонс – Елена Рюмина, статья – предоставлены Ильей Захаровым
