Кусочек мышления. Как увидеть переживания.

Источник.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) за последние 40 лет изменила медицину вообще и область неврологии в частности. Чёткие снимки живых структур мозга дали возможность обнаруживать не только физиологические, а даже и функциональные изменения, полученные органом вследствие каких-либо неочевидных обстоятельств, явных травм или длительных нагрузок и деятельности определенных видов.

Поскольку в человеческом организме много жидкости, в том числе воды, то, чтобы заглянуть внутрь него, можно привлечь не только пучки излучений, которые применяют в рентгеновских аппаратах или компьютерной томографии. Собственно, в том и особенность технологии МРТ, что, используя проникающую силу мощных магнитных полей и радиоволн, производится временное выравнивание атомов водорода в воде, содержащейся в организме. А уже это позволяет создать чёткую картину большинства мягких тканей, например, мозга.

На снимках врач может рассмотреть мышцы, сосуды, опухоли и патологии. Это очень информативное для правильной постановки диагноза и верного подбора лечения средство, однако до сих пор МРТ отражало статичную картину. То есть динамику лечения или течения болезни можно было проследить только путём периодического повторения исследований.

И вот, совместно с сотрудниками Калифорнийского технологического института и Университета Южной Калифорнии, Элейн Бирер, нейробиолог из Университета Нью-Мексико, доктор медицинских наук, разработала некоторое усовершенствование МРТ-технологии, которое делает её ещё более универсальной. По крайней мере, что касается исследований мозга.

В посвящённой исследованию статье они сообщают об использовании марганца – микроэлемента, обнаруживаемого по всему телу, – в качестве контрастного вещества при МРТ. Таким образом получается серия изображений, демонстрирующих реакцию мозга на конкретные реакции, опыт.

«В этом отчёте подчёркивается влияние контраста на основе марганца на изучение динамических переходов по всему мозгу, — говорит Бирер, профессор кафедры патологии. – Мозг не статичен. Этот метод МРТ отображает медленные последствия опыта с течением времени. Он позволяет нам глубже заглянуть в удивительную сложность мышления и чувств».

Технологию назвали MEMRI – Магнитно-резонансная томография с усилением марганца. Почему именно он? Потому что Mn(II) является сильным контрастным веществом по двум основным причинам: это высокая интенсивность сигнала при низких дозах и биологические взаимодействия, такие как отслеживание проекций и картирование нейронной активности посредством проникновения в электрически активные нейроны в живом мозге. Исследования показали, что высокоспиновый марганец уменьшает время релаксации (освобождения от воздействия) протонов воды – то есть при определённых концентрациях этого контрастного вещества достигается устойчивая гиперинтенсивность без побочных эффектов.

При МРТ с усилением марганца небольшое количество его поступает в нейроны по тому же клеточному пути, что и кальций, который играет ключевую роль в передаче сигналов в мозге. Такое избирательное проникновение в нервные клетки через потенциалзависимые кальциевые каналы, выделяет активные нейроны: по мере того, как ионы марганца проходят через клетку, они проявляют её активность, подсвечивая каналы её взаимодействия с соседями. Другими словами, MEMRI даёт возможность проследить прохождение нервного импульса в мозге.

«Эта захватывающая эмерджентная методология фиксирует функции мозга во время нормального поведения, которые иначе нельзя узнать в таком масштабе», – говорит кандидат биомедицинских наук Тейлор Усельман, аспирант лаборатории Бирер, соавтор статьи наряду с Кристофером Медина, доктором медицинских наук, выпускником Медицинской школы UNM.

Помня об смертоносном воздействии рентгеновского облучения, учёные развеяли сомнения по вопросу о потенциальном вреде нового метода для здоровья пациентов. Так, для обеспечения продольной визуализации динамики всего мозга, человек может вполне безопасно проходить исследование в течение аж нескольких недель.

«Наша публикация также даёт критический анализ соображений безопасности при использовании контрастного вещества, – добавляет Усельман. – Мы приводим ряд примеров того, как MEMRI выявляет развитие слуховой системы, а также синдром Дауна, болезнь Альцгеймера и тревожные расстройства».

Роль стандартных МРТ-исследований нельзя сбрасывать со счетов. Как говорилось выше, они имеют большое диагностическое значение для обнаружения опухолей или сосудистых аномалий. В том числе и в головном мозге. Они также могут показать, что изменения в определённых структурах мозга связаны с определённым поведением. Например, с медитацией или изучением второго языка. Но они не показывают, что на самом деле делает мозг.

«МРТ, которую мы обычно делаем для диагностики человека, – это просто изображение вашей анатомии», – говорит Элейн Бирер.

Нейробиологи также используют технику, называемую функциональной МРТ, которая измеряет мозговой кровоток, основываясь на идее о том, что высокоактивные области мозга используют больше кислорода. Однако сигнал, зависящий от уровня кислорода в крови (BOLD), слабее, требует вычислительного анализа, и он не видит разницы между сосудистой и нервной активностями, смешивая их. Поэтому «то, что вы обнаруживаете с помощью BOLD, – заключает исследователь – доверенность для нейронной активности».

И довольно долго нейробиологи довольствовались такими вот косвенными свидетельствами, но теперь усиление марганца позволяет получить небывалые по своей точности данные. Что называется – из первых уст.

При доставке с помощью стереотаксической внутримозговой инъекции контраст проникает в активные нейроны в самом месте инъекции, а затем, по аксонам, преодолевает большие расстояния, отслеживая по пути анатомию проекций нейронов. Кстати, скорости этого так называемого аксонального транспорта в головном мозге впервые были измерены с помощью этой технологии с применением интервальной съёмкой.

При системной доставке картина несколько другая: марганец проникает в активные нейроны по всему мозгу через уже упомянутые чувствительные к напряжению кальциевые каналы и медленно выводится. Таким образом, происходящее (и всю реакцию мозга) можно отслеживать в процессе поглощения контраста и вызванной этим поглощением гиперинтенсивнности сигналов, фиксируемых ретроспективно, по факту. Это позволяет впервые совместить поведение с картами нейронной активности.

Такое проекционное картирование посредством MEMRI даёт нам возможность изучить важную информацию о нейропсихологических расстройствах человека. Например, результаты картирования нейронной активности, визуализированные в продольном направлении, помогли лучше понять развитие тонотопической карты – организации частотной чувствительности в отделе мозга, участвующем в обработке слуховой информации. Также удалось лучше осветить реакции всего мозга на внезапные резкие пронзительные угрожающие и пугающие звуки и то, как эти реакции развиваются и распространяются с течением времени.

Технология магнитно-резонансной томографии с усилением марганца обладает исключительными перспективами для доклинических исследований физиологии мозга. Однако она поставила перед анализом данных изображений некоторые вызовы, но проблемы были решены. Бирер и её партнёры Гарри Грей из Калифорнийского технологического института и Рассел Джейкобс из Университета Южной Калифорнии уже некоторое время изучают потенциал MEMRI. В 2020 году вместе с Усельманом и докторантом Даниэлем Барто они сообщили об использовании метода для демонстрации того, каким образом воздействие пугающего стимула превращается в хроническую тревогу.

«Главное, что позволило извлечь уроки из этой технологии, – это вычислительный анализ, который я провела со своими студентами, – заключает Бирер. – Этот обзор станет справочным материалом для всех исследователей, особенно при использовании этой новой технологии. Мы предсказываем светлое будущее MEMRI в поисках решения загадки поведения мозга».

АРМК, по материалам Университета Нью-Мексико.