Магнитоэнцефалография — метод, дополняющий ЭЭГ
Слева схематично представлена кора извилин мозга с помощью двух электрических диполей, изображенных стрелками. Кровеносные сосуды вокруг нейронных генераторов помечены темно-серым цветом. Три типа датчиков схематически приведены справа посередине: металлический электрод для регистрации ЭЭГ, СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерферометр) для регистрации МЭГ и фотоумножитель для ПЭТ, предназначенный для детекции вспышки света, излучаемой сцинтиллятором при достижении датчика гамма-фотоном. Изменения данных ЭЭГ, МЭГ и ПЭТ в ответ на кратковременное повышение нейронной активности показаны для тангенциального диполя (справа внизу) и для радиального диполя (справа вверху). ЭЭГ оценивает радиально ориентированный диполь, в то время как МЭГ — тангенциально ориентированный диполь. Задержка сигнала между событиями на уровне нейрона по данным ЭЭГ и МЭГ почти отсутствует. При использовании радиоактивной воды сигнал ПЭТ позволяет оценить медленные изменения локального кровотока, сопутствующие событиям на уровне нейрона с длительной (около 6 с) задержкой.
ЭЭГ как метод отражения активности мозга человека была открыта немецким ученым Гансом Бергером около 80 лет назад. С тех пор периоды процветания этого метода и энтузиазма в отношение его чередовались с периодами его упадка и забвения. Периоды процветания были связаны с появлением новых технологий регистрации и анализа данных ЭЭГ, в то время как периоды забвения были обусловлены появлением альтернативных методов нейрокартирования. В настоящее время известно, что ЭЭГ в основной своей части представляет результат суммации микродиполей, образованных пирамидными клетками, ориентированными перпендикулярно к поверхности головы. Такая ориентация электрических диполей означает, что ЭЭГ наиболее чувствительна к радиально расположенным источникам. Помимо электрических полей нейроны генерируют магнитные поля.
Магнитоэнцефалография (МЭГ) — неинвазивный метод исследования электрической активности мозга путем регистрации магнитных полей, связанных с мозговой активностью. Поскольку мозг излучает крайне слабые магнитные поля, для регистрации сигнала используются чрезвычайно чувствительные датчики магнитного поля, работающие при очень низких температурах, обеспечивающих сверхпроводимость. МЭГ возникла в 1970-х, и ее становление было в значительной степени поддержано недавними достижениями в сфере компьютерного анализа и технических разработок. По сравнению с ЭЭГ для МЭГ характерно относительно низкое пространственное и чрезвычайно высокое временное разрешение (около 1 мс). Однако высокая стоимость оборудования для МЭГ и низкое отношение «сигнал/шум» сужает возможности клинического ее использования. В настоящее время применение МЭГ в клинике ограничено локализацией спайковой эпилептиформной активности.
МЭГ — это сумма магнитных полей, возникающих в сети электрических диполей. Эти диполи соответствуют электрическим потенциалам групп пирамидных нейронов, расположенных параллельно поверхности головы, т.е. в извилинах коры. Таким образом, МЭГ и ЭЭГ могут рассматриваться как дополняющие друг друга методы: максимальный эффект в МЭГ вызывается тангенциальными токами, т.е. токами в извилинах, в то время как максимальный эффект в ЭЭГ обусловлен радиальными токами, в частности токами в бороздах, расположенных близко к поверхности. В отличие от электрических сигналов ЭЭГ магнитные поля не искажаются при прохождении через оболочки мозга, кости черепа и мягкие ткани головы.
Магнитно-резонансная томография
Магнитно-резонансная томография (МРТ) — метод измерения плотности распределения некоторых элементарных магнитов (таких как атомы водорода), помещенных в магнитное поле, с помощью регистрации ответа этих магнитов на радиосигналы. Этот ответ называется магнитным резонансом.
Метод МРТ базируется на физическом феномене, известном как магнитный резонанс. Многие химические элементы, например такие как атом водорода, являются своеобразными элементарными магнитами. В обычном состоянии ориентация этих крошечных магнитов случайна. Однако если приложить внешнее магнитное поле, эти магнитики выстроятся вдоль поля, как стрелка компаса ориентируется вдоль магнитного поля Земли. Внешние магнитные волны в радиодиапазоне, проходя через намагниченные таким образом области, заставляют эти элементарные магниты вращаться в определенном направлении. После прекращения потока радиоволн атомы возвращаются в исходное положение и излучают волны отдачи, которые регистрируются магнитными детекторами томографа. Амплитуды последних радиоволн являются исходными данными для МРТ При этом мощность сигнала определяется плотностью и магнитными свойствами элементарных магнитов. Для того чтобы восстановить плотность распределения этих магнитов в трехмерном пространстве, используются специальные математические методы реконструкции изображения.
Позитронно-эмиссионная томография
ПЭТ основывается на использовании физических свойств изотопов — радиоактивных форм простых атомов (таких как водород, кислород, фтор), которые, распадаясь, испускают позитроны. Радиоактивные атомы объединяются в более сложные молекулы, такие как кислород, вода или глюкоза. При проведении ПЭТ-исследования радиоактивные вещества вводятся в кровь пациентов и по сосудам достигают мозга. Эти вещества потребляются клетками определенных областей мозга. Радиоактивное вещество испускает позитроны. Позитроны, сталкиваясь с электронами, аннигилируют с излучением двух гамма-квантов на каждое столкновение. Эти гамма-кванты регистрируются специальными датчиками, расположенными вокруг головы испытуемого, причем число столкновений прямо пропорционально метаболической активности соответствующего участка мозга. Иными словами, чем более активна область мозга, тем больше радиоизотопов она поглощает и тем больший уровень гамма-излучения будет зарегистрирован из этой области. Для того чтобы восстановить распределение плотности радиоактивного вещества в трехмерном пространстве, используются специальные математические методы реконструкции, подобные тем, которые применяются в магнитно-резонансной томографии (МРТ). Однако пространственная разрешающая способность у ПЭТ значительно ниже, чем у МРТ, что не позволяет на снимках ПЭТ различать малые структуры мозга, например ядра таламуса и мамиллярные тела.
Функциональная МРТ
Функциональная МРТ — разновидность магнитно-резонансной томографии, позволяющая изучать изменение локального кровотока и метаболических реакций мозга, связанных с выполнением какой-либо деятельности. Метод основан на измерении неоднородности атомов кислорода, обусловленных сложными биохимическими процессами оксигенации крови, потребления кислорода и активации нервных клеток.
Недавно была разработана модификация МРТ, так называемая функциональная МРТ, направленная на изучение изменений кровотока/метаболизма в тканях мозга при функциональных нагрузках. Этот метод основан на том факте, что любая локальная активность нейронов мозга вызывает изменение гемодинамики в этой области мозга. Сигнал на основе BOLD-контраста (bloodoxygenation-level-dependent contrast — контраст, зависящий от степени насыщения крови кислородом) в функциональной МРТ поступает от атомов водорода, входящих в состав молекул воды, в изобилии присутствующей в тканях мозга. Сигнал, регистрируемый в радиодиапазоне, с течением времени ослабевает под влиянием различных факторов, включая наличие неоднородностей в магнитном поле. Неоднородность отчасти связана с изменениями в насыщении крови кислородом. Диокси- и оксигемоглобин обладают различными магнитными свойствами, причем большая неоднородность присуща диоксигемоглобину. В связи с этим повышение концентрации диоксигемоглобина приводит к снижению интенсивности изображения.
Полиграфический метод исследования оксигенации мозга
Вверху—спонтанные колебания рО2 в хвостатом ядре и в двух ядрах таламуса. зарегистрированные с помощью полярографического метода у пациентов с болезнью Паркинсона, которым с диагностической и терапевтической целью были имплантированы золотые электроды. Внизу — импульсная активность нейронной популяции, усредненная для 10 одновременно зарегистрированных проб (слева) и рО2 (справа) в вентральном таламусе мозга человека. Импульсная активность нейронов и рО, измерялись одними и теми же электродами. Каждая проба состояла в арифметической операции (сложение или вычитание) с двумя числами, предъявленными в начале пробы.
Полярографический метод измерения уровня концентрации кислорода основан на том факте, что напряжение —0,63 V, подаваемое на поляризующий электрод (например, золотой проволочный электрод, помещенный в ткань мозга), вызывает ток, пропорциональный по величине концентрации кислорода в ткани мозга.
Взаимосвязь между тремя процессами: 1) импульсной активностью нейронов, 2) потреблением кислорода и глюкозы нервными клетками и 3) локальным кровотоком довольно сложна и недостаточно изучена. Любое быстрое изменение импульсной активности нейрона ведет к медленным (с задержкой приблизительно на 6—10 секунд) изменениям локального кровотока и содержания кислорода во внеклеточной жидкости. В 1970-х в нашей лаборатории мы совместно с В.Б. Гречиным использовали полярографический метод для изучения уровня концентрации внеклеточного кислорода у неврологических пациентов. Полярографический метод измерения уровня концентрации кислорода основан на том факте, что напряжение —0,63 V, подаваемое на поляризующий электрод (например, золотой проволочный электрод, помещенный в ткань мозга), вызывает ток, прямо пропорциональный по величине концентрации кислорода в местной ткани. В наших исследованиях мы показали, что локальный уровень концентрации кислорода в мозговой ткани непостоянен и колеблется с очень низкой периодичностью — приблизительно 6—10 циклов в минуту. Эти колебания отражают комплексные метаболические процессы в мозге, связанные с потреблением кислорода в нейронных сетях и регуляцией локального кровотока. Наиболее поразительным свойством этих колебаний оказалось то, что они согласовывались с медленными колебаниями электрических потенциалов коры, регистрируемых со скальпа. Эти десятисекундные колебания могли появляться при определенных заданиях, например при движениях руки или выполнении арифметических действий. Пример такой реакции локального уровня концентрации кислорода в глубокой структуре мозга показан на рис. Резкое повышение региональной импульсной активности вызывает медленные изменения напряжения внеклеточного кислорода длительностью приблизительно 12 секунд, таким образом, первый максимум ответа возникает с задержкой 6 секунд. Этот пример ясно показывает, что для исследования процессов обработки информации в нейронных сетях и изменений метаболической активности необходимы разные временные шкалы.
Около 30 лет спустя подобные десятисекундные спонтанные колебания электрической активности мозга наблюдались в blood oxygen level dependent сигнале при проведении функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Эти колебания отражают последовательное вовлечение различных регионов, входящих в состав определенных систем, таких как соматосенсорная, зрительная или слуховая системы. Функциональное значение этих колебаний не установлено. В одном из наших исследований (Кропотов, Гречин, 1979) мы показали, что фазы убывания уровня кислорода могут быть связаны с консолидацией памяти при переводе кратковременных электрических сигналов в нейронных сетях в долговременные метаболические изменения.