Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 242: фМРТ высокого временного разрешения

Можно ли добиться от функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) миллисекундного временного разрешения? Если бы подобный вопрос задали специалистам в этой области еще несколько лет назад, они бы сказали, что это невозможно. Но сейчас эта мечта ученых стала реальностью благодаря корейским исследователям, которым впервые удалось продемонстрировать изменение работы нейронов в столь короткие промежутки времени. Разработанный подход представляет собой двумерное быстрое линейное сканирование, которое позволяет напрямую визуализировать активность нейронов. Подробности работы изложены в журнале Science.

Иллюстрация эксперимента DIANA по отображению контралатеральных зон S1BF и таламуса с помощью электрической стимуляции левой подушечки усов у обезболиваемой мыши на 9,4-тесловом сканере (справа) и визуализация коронального среза мозга, на котором находятся области таламуса и S1BF (слева). Внизу представлены карты активности мозга во время раздражения. Credit: Phan Tan Toi et al / Science 2022

С каждым годом исследователи стремятся все более точно расшифровать функции мозга и разглядеть сигнальные характеристики и группы нейронов, которые эти функции обеспечивают. Для этого у науки есть несколько основных методов визуализации работы мозга, но ни один из них нельзя назвать в полной мере оптимальным.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ) – неинвазивные методики, которые считывают сигналы нейронов с поверхности черепа, обладают отличным временным разрешением, то есть позволяют регистрировать очень быстрые изменения в работе мозга. Но их пространственное разрешение (то есть способность устанавливать расположение групп нейронов) оставляет желать лучшего и ограничивается сантиметрами, в которых могут находиться миллиарды нервных клеток одновременно. ФМРТ, наоборот, обладает высоким пространственным разрешением. Но поскольку она позволяет «ловить» работу нейронов лишь опосредованно по изменению гемодинамики (пока сосуд расширится, пока ток крови увеличится), то временное разрешение ограничивается лишь секундами, что с точки зрения работы мозга очень медленно.

Но корейские ученые нашли способ это временное разрешение повысить. Свой метод они назвали прямой визуализацией активности нейронов для функциональной МРТ (Direct Imaging of Neuronal Activity for functional MRI, DIANA-fMRI). Этот подход позволяет подобрать такие импульсные характеристики в сочетании с линейным двухмерным ускоренным сканированием, которые способны напрямую визуализировать быстрые нейронные реакции в виде отдельных электрических импульсов.

Опыты на грызунах в сочетании с инвазивной ЭЭГ при помощи электродов и оптогенетикой показали, что метод реально работает. Ученые раздражали усы крыс и получали картинку активности мозга на МРТ в таламокортикальных и кортикоталамических путях, очень близкую к той, которая регистрировалась электродами. Временное пространственное разрешение получилось очень высокое (5 мс), при этом пространственное также оставалось существенным (0,22 мм).

Кроме того, 2D-быстрое линейное сканирование DIANA также помогло отследить динамику временной нейронной сети множества функционально связанных областей мозга – таламуса, S1BF и S2 — на уровне субталамического ядра и кортикального слоя.

Исследователи считают, что это достижение поможет гораздо больше узнать о работе человеческого мозга. Осталось лишь проверить, сработает ли методика у человека. Поскольку все-таки томограф для животных, на котором проводилось исследование (9,4 Тесла) сильно отличается от человеческого томографа, максимально разрешенная индукция магнитного поля которого составляет 7 Тесла. Тем не менее приблизительные плотности нейронов известны, и теперь лишь дело практики – подтвердить пригодность метода для изучения их активации.

Текст: Анна Хоружая

In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporospatial resolution by Phan Tan Toi et al in Science. Published October 2022. DOI: 10.1126/science.abh4340