Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 115: магнитно-резонансная томография — игра на повышение

Куда движется отрасль современной нейровизуализации? Конечно, в сторону магнитно-резонансной томографии. Ни один другой метод диагностики не позволяет столь контрастно и детально зафиксировать как внутреннее строение мозга, так и его функциональную активность. Основной параметр мощности томографа – напряженность того постоянного магнитного поля, которое он создает, и чем она выше, тем большее разрешение доступно врачу и ученому. Тому, в каком направлении движется эта индустрия и зачем для людей создавать томографы в 10 Тесла и выше, посвящен наш рассказ по мотивам эссе, опубликованного в последнем номере журнала Nature.

МР-ангиография, сделанная на 7-тесловом томографе. Credit: Centre for Advanced Imaging, the University of Queensland

Время гигантов

Машины типа 10,5-теслового томографа еще пару лет назад использовались исключительно для наблюдений за животными. Однако, в декабре 2017 года в Исследовательском центре магнитного резонанса Университета Миннесоты (США) в таком аппарате впервые провели обследование человеку. Конечно, назвать обследованием это сложно – выбрали полностью здорового добровольца без единого намека на металл в теле. Запрещались даже зубные штифты и коронки, которые не противопоказаны при процедурах на стандартных клинических томографах.

10,5-тесловый сканер. Credit: Center for Magnetic Resonance Research

По словам директора Центра Камила Угурбила(Kamil Ugurbil), с 2013 года, когда томограф заработал, велись работы с животными. Улаживали технические погрешности, выверяли локальную напряженность поля во время дополнительных электромагнитных импульсов, возбуждающих атомы водорода, чтобы потом, релаксируя и возвращаясь к обычному состоянию, они отдавали энергию, которую зарегистрирует детектор. И вот, наконец, дошло дело до людей. В первом исследовании ученые решили посмотреть, насколько хорошо получатся снимки бедра, и когда получили изображения, то смогли увидеть даже тонкую структуру хряща, выстилающего коленную чашечку.

Сама машина из себя представляет 4-метровую трубу, окруженную 110 тоннами магнита и 600 тоннами металлического защитного кожуха, который оберегает чуткий магнит от внешнего излучения, способного повлиять на его работу. К подвижному столу подвигается лестница, по которой пациент на него забирается, полностью переодетый в больничный халат. По весу вся конструкция получается тяжелее, чем самолет Boeing 737, и стоит 14 миллионов долларов.

Этот томограф не единственный из «тяжелой артиллерии» в арсенале у исследователей и врачей-радиологов. Сейчас в мире имеется три 10,5-тесловых сканера, адаптированных для людей. Плюс к этому занимаются адаптацией машины в 11,7 Тесла в Центре NeuroSpin от CEA Saclay в Париже (предполагается МРТ всего тела) и в Национальном институте здоровья США (NIH) в Бетесде, штат Мэриленд (там собираются изучать только головной мозг). Кроме того, над возможностью создания человеческих 14-тесловых томографов активно думают Германия, Китай и Южная Корея.

Сравнение снимка мозга человека, полученного на 3-тесловом (слева) и 9,4-тесловом сканере. Credit: Rolf Pohmann/Max-Planck-Institute for Biological Cybernetics

Делается упор именно на человеческие потому, что более высокопольные машины уже давно существуют, но приспособлены они лишь под эксперименты с животными и под исследование структуры различных веществ (МР-спектрометрия). На данный момент самый сильный в мире аппарат создает магнитное поле 21,1 Тесла и находится в Национальной лаборатории высокого магнитного поля США. Диаметр его внутренней трубы всего 10,5 сантиметров и подходит лишь для мелких грызунов, которых в нем и смотрят.

Пока же по миру расходятся 7-тесловые сканеры, а его первая модель (MAGNETOM Terra от Siemens), подходящая для клинического использования, была одобрена в октябре прошлого года в США и Европе.

Глубже и четче

Казалось бы, современных 1,5- и 3-тесловых томографов, которые наиболее распространены в клинической практике, вполне хватает. Зачем все эти инженерные усилия? На самом деле разница не настолько очевидна для обывателя, но она есть. Во-первых, это разрешающая способность и соотношение сигнал/шум. Если сканер 3 Тесла легко позволяет видеть в мозге элементы до 1 мм, и более мелкие структуры уже различить не получится, то томограф в 7 Тесла способен визуализировать структуру мозговых тканей до 0,5 мм. То есть, с его помощью даже можно различить функциональные элементы коры (и все ее шесть клеточных слоев), а в идеале – увидеть отдельные аксоны, уходящие вглубь мозга, и выделить соединения между ними.

Трактография высокого разрешения. Цвета нанесены в процессе программной обработки изображения.

Ученые называют подобные масштабы мезоскопическими. С помощью высокопольной томографии любой клиницист может увидеть то, что раньше видел только нейрохирург во время операций. Более того, такое разрешение позволило даже зафиксировать относительную активность в разных корковых слоях и продемонстрировать, как информация обрабатывается и распространяется по нейронам. Конечно, исследователи вовсю начали пользоваться таким инструментом. Людей помещали в томограф и во время речевых или поведенческих тестов смотрели, как меняется активность в разных слоях и областях коры.

«Дело не только в том, что условная область A отвечает за зрение, но и в том, что ее активность модулируется вниманием, настроением, памятью. И на такие вопросы чрезвычайно сложно ответить с помощью животных моделей. Они, очевидно, не способны вербализировать свои ощущения. Теперь же (с приходом в практику 7-тесловых томографов – прим. ред.) можно проявить даже картину человеческой памяти, которая раньше была недоступна», — говорит Рави Менон (Ravi Menon), исследователи Robarts Research Institute Западного университета в Канаде.

Кроме того, 7-тесловый томограф позволяет нейрохирургам гораздо точнее позиционировать электроды при глубокой стимуляции мозга. Например, при болезни Паркинсона электроды требуется установить в субталамические ядра, находящиеся в области базальных ганглиев глубоко внутри мозговых полушарий. Как только электрод в предполагаемой целевой точке, его активируют и смотрят, попали в нужное место или не попали. Если не попали, то его вынимают и вводят заново. И даже сканер 3 Тесла не способен точно предсказать сосуды небольшого калибра в местах манипуляции, семитесловая же машина избавляет хирургов от подобных сложностей.

«Вы ясно видите свою цель и просто идете к ней: одно проникновение, и у вас есть результат», — говорит Камил Угурбил.

Семитесловые томографы, наконец, ответили на вопросы неврологов о том, почему у больных рассеянным склерозом развиваются когнитивные проблемы даже в тех случаях, когда у них не слишком много очагов пораженной ткани, они находятся на лечении и полностью компенсированы. Такие пациенты нередко имеют симптомы растормаживания нервной системы, похожие на синдром дефицита внимания и гиперактивности. При стандартном обследовании в томографе 3 Тесла небольшие изменения в структуре коры незаметны, но при сканировании в 7-тесловом аппарате видно, что есть повреждения в тех областях, которые отвечают за исполнительные функции и внимание, в том числе в дорсолатеральной префронтальной коре. То есть легче установить взаимосвязь между местом поражения и когнитивными функциями.

Даже если такое сверхразрешение и не требуется, то более высокопольные аппараты дают преимущество во времени сканирования. Те режимы, которые длились минуты, можно сделать за десятки секунд, а те, на которые требовались часы – за минуты. Это обусловливает больший комфорт для пациентов, которым иногда тяжело находиться 10-15 минут без движения.

Ложка дегтя

Но одновременно бОльшие возможности связаны и с бОльшими проблемами. Высокопольный сканер крайне чувствителен к внешним электромагнитным воздействиям, поэтому для его защиты требуется гораздо больше ресурсов. Плюс, он так же чувствителен и к минимальным движениям человека. Исследователи отмечают, что иногда помехи могут создать естественные колебания мозга в ответ на сердечную деятельность и движение цереброспинальной жидкости. Над устранением подобных сложностей в настоящее время трудятся специалисты во всех компаниях.

Помимо этого, может создаваться перегрев в отдельных точках тела, потому что все-таки имеет место принцип действия микроволновки. Поэтому создаются специальные катушки, сглаживающие дополнительные импульсы и распределяющие волны равномерно.

В целом, все методики и аппараты, которые допускаются до использования людьми, полностью безопасны для человека и не несут угрозы его здоровью и жизни. Зато обеспечивают беспрецедентное разрешение и позволяют реально заглянуть вглубь мозга, не вскрывая черепную коробку.

Текст: Анна Хоружая

The world’s strongest MRI machines are pushing human imaging to new limits by Anna Nowogrodzki in Nature. Published November 2018

doi: 10.1038/d41586-018-07182-7