Нейробиологи из США описали, что дает функциональная МРТ на томографах с очень сильным магнитом (7 Тесла и выше). Она позволяет у живого человека различать работу отдельных слоев и колонок коры мозга размером в доли миллиметра, а значит, изучать без вмешательства, как информация «движется» внутри коры. Авторы разобрали и главную проблему метода, ведь фМРТ измеряет не активность нейронов напрямую, а изменения кровотока, и потому расшифровка таких снимков остается трудной. Обзор опубликован в журнале Neuron.
МРТ и фМРТ человека на 7 Тесла. Анатомический снимок всего мозга (разрешение 0,63 мм), функциональный снимок (0,6 мм), активация в зрительной коре и анатомический снимок через сенсомоторную кору (0,39 мм), на вставке видны вены, пронизывающие кору. Credit: Goense and Nothnagel / Neuron 2026
Исследования на томографах с магнитом 7 Тесла и выше быстро растут. Они стали доступнее, а одобрение FDA и маркировка CE расширили их применение в клиниках. Главным обещанием авторы называют неинвазивное изучение внутрикорковых цепей и механизмов обработки информации в мозге человека. Однако богатая информация таких снимков бросает вызов привычным инструментам анализа, а фМРТ остается косвенной гемодинамической мерой активности нейронов. Поэтому авторы считают необходимым учитывать нейроваскулярное сопряжение, то есть связь активности нейронов с реакцией сосудов, и в обзоре разбирают применения МРТ 7 Тесла, трудности получения и обработки данных и открытые вопросы, делая упор на слои коры.
На 3 Тесла разрешение фМРТ составляет 2-3 мм, а толщина коры 2-4 мм. Повышение поля повышает отношение сигнала к шуму, и выигрыш обычно тратят на разрешение, поэтому на 7 Тесла анатомическое разрешение составляет около 0,5 мм против 0,75-1 мм на 3 Тесла. Сильное поле повышает и избирательность сигнала, зависящего от кислорода в крови. Разрешение функциональных снимков достигает около 1 мм, а лучшие методы дают 0,35 мм.
Кроме обычного сигнала, зависящего от кислорода в крови, авторы рассматривают сигнал спинового эха и измерение объема крови, кровотока и потребления кислорода. Спиновое эхо, объем крови и кровоток чувствительнее к мелким сосудам, а три последних показателя допускают количественную оценку.
В первых работах на 7 Тесла показали карты пальцев в соматосенсорной коре, ориентационные колонки и колонки глазного доминирования в зрительной коре и карты звуковых частот в слуховой коре. Колонки в первичных сенсорных областях имеют ширину 0,5-1 мм. В зрительной коре данные людей и макак хорошо совпадают, а участки, избирательные к лицам, описаны и у людей и у макак.
Колончатые структуры в коре. (A) Колонки глазного доминирования в первичной зрительной коре макаки. (B) Ответ на стимуляцию одного уса в «бочонках» коры мыши, красные и синие точки показывают артерии и вены. (C) Ориентационные колонки в зрительной области коры кошки по объему крови. (D) Ответы на лица (красный) и предметы (зеленый и желтый) в височной доле макаки при оптическом картировании. (E) Ответ на лица в височной доле макаки на 7 Тесла. Credit: Goense and Nothnagel / Neuron 2026
Усреднение по людям размывает признаки, так как вариабельность в основном связана с различиями в анатомии. Авторы ожидают, что «точная» фМРТ покоя, теперь применяемая и на 7 Тесла, станет важным направлением, но спор об индивидуальных исследованиях и очень больших группах остается.
Субмиллиметровая или мезоскопическая фМРТ переводит вопросы от функции областей к механизмам обработки информации внутри области. Так как вход, выход и связи разнесены по слоям, с ее помощью обещают установить направления потока информации. В обобщенной схеме вход приходит в четвертый слой, затем в поверхностные, оттуда в глубокие, а те возвращают сигнал в четвертый. Прямые связи идут из поверхностных и в меньшей степени глубоких слоев в четвертый, обратные из тех и других в поверхностные и глубокие. Но схема обобщенная, и картина зависит от области и вида.
Схема связей коры. (A) Обобщенная схема связей между слоями и областями коры. (B) Послойные связи прямого (восходящего), бокового и обратного (нисходящего) направления. Credit: Goense and Nothnagel / Neuron 2026
Авторы уточняют, что «слоистая фМРТ» у человека на практике измеряет зависимость сигнала от глубины, которая напрямую не совпадает с анатомическими слоями, особенно при 500-900 мкм. В первичной зрительной коре прямая передача довольно надежно отражается активацией средних глубин, а задачи с обратными связями, например внимание, дают рост в поверхностных или глубоких слоях, но однозначной подписи обратной связи нет. Разброс, по мнению авторов, может отражать разницу стимулов и заданий, но показывает, что метод остается сложным из-за малых сигналов, и подчеркивает значение повторяющихся работ и отрицательных результатов.
Сильное поле усложняет съемку, так как растут радиочастотный нагрев, неоднородность поля, артефакты и чувствительность к движению. Воздух в ушных каналах и пазухах вызывает пропадание сигнала и искажения, которые исправляют картами поля, обратным направлением кодирования или картированием функции рассеяния точки. Физиологический шум от дыхания и пульса растет на сильном поле и противодействует выигрышу в сигнале, поэтому наибольшая польза 7 Тесла проявляется при высоком разрешении, где преобладает тепловой шум. Единых программ обработки для 7 Тесла пока нет, а большинство существующих рассчитано на 3 Тесла.
Но основная трудность, как считают авторы, лежит в природе сигнала. Разные методы фМРТ различаются по чувствительности к артериям, капиллярам и венам, причем обычный метод чувствителен к крупным венам. Избирательность зависит от последовательности, силы поля и параметров, поэтому сравнивать результаты между томографами сложно.
Сосуды коры макаки. (A) Слепок сосудов зрительной коры: крупные артерии (красные) и вены (синие) на поверхности и пронизывающие кору артерии и вены. (B) Снимок высокого разрешения, на котором видны пронизывающие вены и четвертый слой. Credit: Goense and Nothnagel / Neuron 2026
Разные методы дают разные слоистые профили. Обычный сигнал максимален на поверхности коры, где лежат крупные вены, а остальные методы дают прирост сигнала в середине коры. Кроме того, кровь проходит через поверхностные слои, прежде чем попасть в глубокие, и слои зависят друг от друга.
Профили активности по глубине первичной зрительной коры макак при разных видах фМРТ на 7 Тесла. Обычный сигнал (вверху) максимален у поверхности коры, остальные методы в основном в ее середине. Credit: Goense and Nothnagel / Neuron 2026
Нейронная основа сигнала до конца не ясна. У кошек отдельные сосуды избирательно реагируют на ориентацию, но шире, чем нейроны, что задает предел для гемодинамических методов. Энергопотребление и сосудистая сеть максимальны в четвертом слое, но отражает ли слоистая фМРТ энергопотребление, нейронную активность или нейропередачу, остается нерешенным. Считать рост сигнала в середине коры прямым входом, а в поверхностных или глубоких слоях обратной связью можно лишь примерно, ведь внутри области связей больше по числу синапсов. Золотым стандартом авторы называют доказательство причинности через избирательное отключение элементов цепи, возможное у животных с помощью оптогенетики.
Эффективное разрешение 0,5 мм и выше авторы называют целью и переломным шагом для слоистой и колончатой фМРТ у человека, а недавние достижения приближают его. Авторы делают вывод, что оборудование, программы и применения заметно продвинулись, а решения для «сильного» поля улучшили и 3 Тесла, где теперь тоже делают слоистую фМРТ. Рост разрешения, по их мнению, имеет большой потенциал, но самой большой проблемой остается интерпретация сигналов высокого разрешения. Решить ее, как они надеются, помогут системная биология животных и больше междисциплинарной работы на людях и животных, что позволит отвечать на механистические вопросы неинвазивно.
Текст: Анна Хоружая
fMRI at ultra-high field: From acquisition to interpretation by Goense and Nothnagel. Neuron. Published September 2026
