Как увидеть мысли. Неортодоксальные приложения магнитно-резонансной томографии

Магнитно-резонансная томография (МРТ) сегодня используется не только для диагностики, но и для картирования функционального состояния нейронных сетей, позволяя в прямом смысле увидеть работу мозга в масштабе реального времени. С ее появилась возможность создания технологии игрового биоуправления, базирующейся на естественных механизмах саморегуляции функций человеческого организма.

В уникальных компьютерных играх, разработанных новосибирскими специалистами, пользователь обучается «руководить» виртуальным игровым сюжетом через волевые изменения своих физиологических характеристик (пульса, температуры, электрической активности мозга и т.п.). Игры можно использовать для решения широкого класса лечебных и реабилитационных задач, в том числе для оценки актуального психофизиологического состояния человека. Подобная игровая деятельность сама по себе обладает выраженным антистрессовым эффектом, но, главное, с помощью этой технологии можно раскрыть потенциальные ресурсы организма, которыми мы в нашей обычной жизни не умеем пользоваться

До недавнего времени фундаментальные сведения о работе мозга удавалось получать лишь из косвенных источников. Речь идет о прямых экспериментах на животных; наблюдениях за больными людьми, у которых поражение того или иного участка мозга проявляется в виде параличей, нарушений речи или памяти; нейропсихологическом тестировании; операциях на открытом мозге, позволяющих нейрохирургу видеть реакцию на конкретные раздражители; наконец, регистрации электрической активности мозга. Однако на основе результатов, полученных с помощью этих подходов, нельзя описать, как работает мозг при решении той или иной конкретной задачи. Возможность непосредственно наблюдать динамику познавательной (когнитивной) деятельности мозга, иными словами, «видеть мысли» появилась лишь с внедрением в исследовательскую практику технологии функциональной магнитно-резонансной томографии.

Гипотеза о связи интенсивности кровоснабжения мозга с его активностью получила распространение еще в конце XIX в. с легкой руки выдающегося британского физиолога Ч. Шеррингтона. Спустя много лет наличие этой связи было доказано радиографическими методами, подтвердившими прямую зависимость между обменными процессами в определенных работающих участках мозга и скоростью доставки к ним кислорода.

А чуть больше двух десятилетий назад сотрудники американской исследовательской организации «AT&T Bell laboratories» описали принцип визуализации активности зон головного мозга в режиме реального времени с использованием магнитно-резонансной томографии (МРТ), при которой контрастность изображения определяется степенью насыщения крови кислородом (Ogawa et al. , 1990). Именно этот принцип лег в основу технологии функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) – динамического исследования активных зон мозговых структур в момент их деятельности, впервые опробованного на человеке спустя два года после первой публикации.

Маркер – кислород

Активация участка мозга всегда связана с потреблением энергии, поэтому она влечет за собой ускорение обмена глюкозы и трансформацию молекул гемоглобина – поставщика кислорода в нашем организме, – при которой оксигемоглобин, обратимо соединенный с кислородом, превращается в дезоксигемоглобин («восстановленный» гемоглобин).

Ключевым фактором для магнитно-резонансной томографии являются различия магнитных свойств разных форм гемоглобина. Так, оксигемоглобин является диамагнетиком , т. е. веществом, намагничивающимся против направления внешнего магнитного поля. Дезоксигемоглобин («восстановленный» гемоглобин), напротив, имеет свойства парамагнетика , намагничиваясь в направлении внешнего магнитного поля. Величина сигнала МРТ зависит от количества дезоксигемоглобина в ткани: чем выше концентрация, тем ниже сигнал. Показатель, который определяется соотношением двух форм гемоглобина и зависит от уровня кислорода в крови, называют BOLD (от анг. blood oxygenation level dependent ).

Чем активнее работает участок мозга, тем больше кислорода он потребляет. При формировании действующего нейронного ансамбля увеличение локального потребления энергии уже в первые секунды приводит к возрастанию концентрации парамагнитного дезоксигемоглобина; затем следует реакция сосудистой системы, заключающаяся в увеличении местного крово­снабжения и кровенаполнения тканей мозга из-за роста объема и скорости кровотока.

Отсюда следует, что относительная величина сигнала МРТ может служить мерой активности зон мозга. Более того, результаты, полученные под контролем электроэнцефалографии на зрительной коре открытого мозга приматов, дают основания утверждать, что сигнал МРТ является линейным откликом на электрическую активность, которую генерирует действующий нейронный ансамбль (Logothetis et al. , 2002).

Таким образом, функциональная МРТ, ориентированная на детектирование BOLD эффекта, является на сегодня оптимальным инструментом картирования нейрональной активности, точнее, функционального состояния нейронных сетей – основы визуализации наших мыслей и идей. Другими словами, именно с помощью фМРТ можно в прямом смысле увидеть, как наш мозг решает задачи в масштабе реального времени.

Сила мысли

С технологией фМРТ тесно связана нейробиологическая технология «интерфейса мозг–компьютер», своего рода «компьютерный симбиоз» (Каплан, 2005, 2012; Черникова и др., 2010). Речь идет о возможности с помощью электроэнцефалограммы получить отображение устойчивого «рисунка» биоэлектрической активности мозга, привязав этот рисунок к функции мозговых структур и образованию в них новых устойчивых нейронных ансамблей. При этом электроэнцефалограмма является не только источником информации о внутримозговых событиях: эти данные можно использовать в качестве сигнала обратной связи для контура произвольной саморегуляции функций организма.

Хотя нейробиология является самостоятельной научной областью, возникла она как «социальный продукт» для глубоких инвалидов, благодаря которому у людей, прикованных к коляске и лишенных самостоятельных двигательных навыков, появляется возможность управления искусственными конечностями, такими как механическая рука (Hochberg et al. , 2012).

Одним из практических приложений нейробиологии является нейробиоуправление, нелекарственная технология, основанная на принципах вышеупомянутой адаптивной обратной связи – феномене, обеспечивающем механизм саморегуляции. В основе этой технологии лежит идея о том, что человека можно обучить волевому управлению неосознаваемыми физиологическими характеристиками, такими как частота пульса и параметры ритмов электрической активности мозга.

Способность человека целенаправленно изменять параметры электроэнцефалограммы была впервые описана американским ученым Дж. Камия еще в 1958 г. (эту способность изучали с целью управления функциональным состоянием мозга пациента и изменения тенденции развития психики). Дальнейшие исследования доказали удивительные способности нашего мозга к внутренним перестройкам, не предусмотренным природой. Оказалось, что с помощью нейробиоуправления можно сформировать у человека ранее отсутствовавшие навыки саморегуляции, образовать новые и «пробудить» дремлющие мозговые образования. При этом фМРТ дает возможность визуализировать реальную временную и пространственную динамику работы мозга.

С практической точки зрения, особый интерес представляет технология так называемого игрового биоуправления, когда человек обучается «руководить» виртуальным игровым сюжетом через волевые изменения своих физиологических характеристик, таких как кардиограмма, пульс, температура кожи и электрическая активность мозга.

Обыграть себя

В контексте нейробиологии игра – это психологическая реальность с большим числом нестандартных ситуаций, в которых невозможно стереотипное поведение. Компьютерный игрок привыкает перемещаться из одного виртуального мира в другой, быстро адаптируясь к новым виртуальным реалиям на основе личностных предпочтений.

Во время игры мозг ведет активную деятельность, определяя вариант действий, который в данный момент представляется наиболее выигрышным. В случае использования биоуправления игрок, овладев навыками саморегуляции, может управлять этим процессом, так как адаптивная обратная связь позволяет не только увидеть и «проиграть» различные стратегии поведения, но и оценить степень их эффективности. В этом смысле эта технология представляет собой мощный механизм обучения человека новым поведенческим стереотипам.

На базе Международного томографического центра СО РАН совместно с НИИ молекулярной биологии и биофизики СО РАМН (Новосибирск) проведен эксперимент по нейровизуализации «волевого» управления виртуальным игровым сюжетом на группе молодых мужчин.

Испытуемым предлагался игровой сюжет «Вира!», посвященный поиску подводных сокровищ. Каждый испытуемый, находясь в кольцевом магните томографа, управлял одним из аквалангистов, опускавшихся на дно. Скорость игрока напрямую определялась частотой сердечных сокращений: чем медленнее пульс, тем выше скорость. На протяжении игры информация о частоте пульса передавалась в виде визуального ряда на экран монитора, доступный испытуемому. Чтобы победить в игре, требовалось научиться мысленно управлять частотой пульса, т. е. развить навыки замедления сердечного ритма.

По результатам игр у испытуемых было выявлено шесть разных вариантов поведения, и для каждого из них была определена ведущая стратегия саморегуляции.

Например, при стратегии «пробы и ошибки с выходом на результат» испытуемый сначала делал несколько неуспешных попыток, но в конце концов достигал поставленной цели. Испытуемые с такой тактикой основное внимание уделяли не регуляции собственных физиологических показателей (т. е. пульса), а контролю над непосредственным игровым действием. Стратегия «маятниковая динамика» характеризовалась чередованием успешных и неуспешных попыток, а «последовательное обучение» – улучшением результата от попытки к попытке.

Анализ результатов эксперимента свидетельствует об определенной последовательности возникновения и развития зон активности в головном мозге испытуемых. «Пик» соревновательного сюжета приходился на четвертую – шестую попытки, когда последовательно в борьбу за выигрыш вовлекалось все большее число вновь образующихся нейронных ансамблей.

Интересно, что новые зоны этой активности локализовались, в том числе и в мозжечке. Анализ динамики их образования дает основание предположить, что мозжечок выполняет в нашем головном мозге роль не только регулятора двигательных функций, но и модификатора когнитивных (познавательных) функций, регулируя скорость, силу, ритм и точность мышления. При этом происходит последовательное развертывание программы когнитивных операций в режиме, организованном адаптивной обратной связью.

Именно так в игре «Вира!» формировалась «дорожная карта» когнитивного управления игровым сюжетом, согласно стратегии «проб и ошибок», наиболее распространенному варианту саморегуляции.

Ложь отличается от правды

Виртуальная реальность, представленная в виде игрового соревновательного сюжета, управляемого через волевую регуляцию физиологической характеристики, дает человеку уникальную возможность проявить обычно блокируемые особенности поведения. И в этом смысле не только виртуальная игра, но и вообще любой игровой тренинг позволяют нам выявить скрытые способности, которые мы сможем успешно использовать в реальной жизни.

В этом контексте представляет интерес анализ данных игрового эксперимента, проведенного в МТЦ СО РАН, в котором помимо «реального» биоуправления использовалось так называемое «имитационное» (ложное) биоуправление. Другими словами, когда развитие игрового сюжета было совершенно случайным и не зависело от действий испытуемого. При этом сами испытуемые не знали, что в одной из серий виртуальных тренингов реальная обратная связь отсутствует.

По оценке эффективности результата, достигнутого в этой игре, испытуемых можно разделить на две группы. Первая из них демонстрировала более эффективные стратегии саморегуляции при наличии реальной обратной связи, чем в случае «ложного» биоуправления. При этом даже в последнем случае испытуемым удавалось после нескольких неудачных попыток добиться замедления ритма сердечных сокращений.

Вторая группа продемонстрировала менее эффективную стратегию саморегуляции: даже на «реальном» этапе этим испытуемым удалось лишь частично добиться поставленной цели. При отсутствии же обратной связи наблюдался интенсивный и «хаотичный» поиск решения, что выражалось в увеличении разброса значений пульсового интервала.

И тем не менее обе эти группы испытуемых показали более высокую эффективность саморегуляции при реальном биоуправлении, чем при имитационном: мозг достаточно успешно отличал «правду» от «лжи».

Нужно сказать, что и реальное биоуправление, и его имитация сопровождались выразительной динамической картиной работы определенных мозговых образований, выражаемой в изменении объема активации и перераспределении зон активности. В процесс фактически вовлекалась вся поверхность коры головного мозга, причем подавляющее большинство корковых зон, задействованных при имитационном и реальном тренинге, пересекались и в обоих случаях характеризовались максимальными значениями активации. И все же надо отметить, что в режиме имитационного биоуправления ряд мозговых структур активизировался значительно сильнее, чем при реальном биоуправлении: новые нейронные ансамбли появлялись в мозжечке, веретенообразной извилине и в других отделах мозга.

Специалисты Института молекулярной биологии и биофизики СО РАМН (Новосибирск) и новосибирской Научно-производственной компании «Компьютерные системы биоуправления» создают уникальный продукт – компьютерные игры, соревновательный сюжет которых управляется физиологическими характеристиками человеческого организма (температурой, пульсом, дыханием, биотоками головного мозга и мышц).


Технология «компьютерного игрового биоуправления» базируется на естественных механизмах саморегуляции функций человеческого организма. При этом благодаря соревновательному характеру устраняется монотонность процедуры обучения: увлекательный сюжет мотивирует испытуемого, вызывая у него эмоциональный интерес к результату и таким образом способствуя более эффективному обучению навыкам саморегуляции.
Поскольку достижение выигрыша требует от испытуемого принятия нетривиальных решений, подобную игру можно квалифицировать как творческую обучающую деятельность, привлекательность которой заключается в непредвиденности конечного результата. Так как каждая последующая игровая попытка базируется на результате предыдущей, игровое биоуправление становится залогом самосовершенствования испытуемого, импульсом к поиску новых эффективных стратегий саморегуляции. А поскольку игрок мотивирован желанием выиграть, он вынужден держаться в предписываемых игрою рамках и сохранять спокойствие.
Игры, созданные на основе технологии биоуправления, можно использовать для решения широкого класса лечебных и реабилитационных задач. С их помощью можно оценить актуальное психофизиологическое состояние человека, к тому же подобная игровая деятельность сама по себе обладает выраженным антистрессовым эффектом. Но главное, с помощью этой технологии можно раскрыть потенциальные ресурсы организма, которыми мы в нашей обычной жизни не умеем пользоваться

Если же попытаться описать наиболее общий «маршрут» активации мозговых структур во время игры, то можно сказать, что после старта в работу сначала вовлекаются широкие корковые поля мозга, а заканчивается такой «когнитивный маршрут» в мозжечке. Последовательное вовлечение мозговых структур в организацию новых нейронных сетей во время виртуального тренинга обеспечивает возникновение нового навыка и его последующее закрепление в мозге. И в этом смысле подобные работы лежат в русле нового тренда в развитии современного социума, который получил название «игрофикация».

Эффективно или справедливо?

Психология – одна из наиболее перспективных сфер использования технологии нейровизуализации средствами фМРТ, потому что эта научная область практически лишена представлений о локализации (в анатомическом смысле) когнитивных функций. Ведь основные сведения об их «территориальной привязке» психологи обычно черпают из общения с пациентами, у которых инструментально обнаруживается локальное поражение мозга, либо которым на длительное время вживлены внутримозговые электроды.

В одной из работ американских исследователей была сделана попытка ответить на вопрос о локализации мозговых структур, призванных классифицировать такие когнитивные категории, как равенство и эффективность (Hsu Ming et al. , 2008). Другими словами, структур, призванных решить извечную дилемму: как следует действовать – эффективно или справедливо?

В игровом эксперименте испытуемых «усаживали» за руль грузовика, везущего продукты питания в «голодный» район Южной Африки. Условия были таковы: если испытуемый будет неукоснительно следовать инструкции и раздавать продукты поровну каждому голодающему, часть груза обязательно испортится в пути. Если же пренебречь половиной нуждающихся, то потеря продуктов уменьшится в разы, но, естественно, достанется меньшему числу людей. Как же поступить? Пожертвовать потерей продуктов или же, руководствуясь «разумным» выбором, оставить половину нуждающихся без надежды на помощь?

Оказалось, что эмоциональная оценка «эффективности», «справедливости» и «общей пользы» принимаемого решения осуществляется тремя разными мозговыми структурами. Отдел мозга, называемый «скорлупа» (лат. putamen ), отвечает за эффективность, кора «островка» (лат. insula ) защищает интересы справедливости, совокупную же меру эффективности и неравенства, т. е. полезность, оценивает септальный орган (лат. septum ).

Эти результаты согласуются с уже имеющимися данными, что именно вышеперечисленные мозговые структуры являются интеграторами различных психических «переменных» в вынесении окончательных «социально-ориентированных» приговоров и оценок. Можно предположить, что окончательное решение поставленной этической проблемы принимается путем сравнения сигналов из разных источников и сличения их с ретроспективным опытом, при этом в когнитивный процесс вовлекаются и другие области мозга.

Число публикаций, посвященных различным фундаментальным и прикладным аспектам функциональной магнитно-резонансной томографии и проблемам «интерфейса мозг–компьютер», за последние годы неуклонно растет (главным образом за рубежом, отечественных работ в этом списке практически нет). Развитие соответствующих технологий открывает сразу несколько перспективных прикладных направлений. Например, появилась возможность наблюдать за особенностями циркуляции крови в мозговом сегменте, находящемся в активированном состоянии, – это можно использовать для мониторинга определенных структур мозга в случае нарушения мозгового кровообращения (инсульта) или при подборе сосудистых препаратов.

Большие перспективы открывает и развитие когнитологии – направления нейронаук, занимающегося исследованием базовых механизмов работы мозга: «ментальными стратегиями», их локализацией, динамикой, способами использования и совершенствования в повседневной жизни. Так называемая «интерактивная стимуляция» дает возможности организовать обучающую (лечебную) обратную связь непосредственно через «заинтересованную» мозговую структуру. Визуализируя, например, поясную извилину или гиппокамп, вы получаете шанс «прямого разговора» с мозгом.

Функциональная магнитно-резонансная томография – мощный инструмент, позволяющий достичь качественно нового понимания организации головного мозга и особенностей высшей нервной деятельности человека и животных. Внедрение технологий фМРТ в различные сферы человеческой деятельности – нейро­маркетинг, профессиональный кастинг, оценку эффективности образовательных программ, «детекцию» лжи и т. п., окажет огромное влияние на дальнейшее развитие не только самих нейронаук, но и всего общества в целом.

Литература

Каплан А. Я. Нейрокомпьютерный симбиоз: движение силой мысли // НАУКА из первых рук. 2012. № 6 (48).

Штарк М. Б., Коростышевская А. М., Резакова М. В., Савелов А. А. Функциональная магнитно-резонансная томография и нейронауки // Успехи физиологических наук, 2012. Т. 43, №1. С. 3-29.

В публикации использованы фото М. А. Покровского

МРТ изображение головы человека Магнитно резонансная томография (МРТ, MRT, MRI) томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса … Википедия

- (др. греч. τομή сечение) метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта посредством его многократного просвечивания в различных пересекающихся направлениях. Содержание 1 Терминологические вопросы … Википедия

- … Википедия

Наука, изучающая связь активности головного мозга и других сторон нервной системы с познавательными процессами и поведением. Особое внимание когнитивная нейробиология уделяет изучению нейронной основы мыслительных процессов. Когнитивная… … Википедия

фМРТ - функциональная магнитно резонансная томография фМРТ ФМРТ функциональная магнитно резонансная томография … Словарь сокращений и аббревиатур

1. Полушарие большого мозга (Конечный мозг) 2. Таламус (… Википедия

Электроэнцефалограф медицинский электроизмерительный прибор, с помощью которого измеряют и регистрируют разность потенциалов между точками головного мозга, располагающимися в глубине или на его поверхности. Образование и колебание… … Википедия

Эта статья должна быть полностью переписана. На странице обсуждения могут быть пояснения … Википедия

ФМРТ функциональная магнитно резонансная томография. Метод ФМРТ базируется на возможности использования магнитного резонанса не только для изучения анатомической структуры головного мозга, но и для оценки кровообращения, изменение которого… … Википедия

Показывает, какое количество крови попадает в разные участки мозга.

фМРТ позволяет определить активацию определенной области головного мозга во время нормального его функционирования под влиянием различных физических факторов (например, движение тела) и при различных патологических состояниях.

На сегодняшний день это один из самых активно развивающихся видов нейровизуализации . С начала 1990-х годов функциональная МРТ стала доминировать в области визуализации процессов головного мозга из-за своей сравнительно низкой инвазивности, отсутствия воздействия радиации и относительно широкой доступности.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Мозг функционально не предназначен для хранения глюкозы - основного источника энергии. Однако, для активации нейронов и действия ионных насосов, которые обуславливают нормальное функционирование мозга, нужна энергия, получаемая из глюкозы. Энергия из глюкозы поступает за счёт кровотока. Вместе с кровью в результате расширения кровеносных сосудов также транспортируются кислородосодержащие молекулы гемоглобина в красных кровяных клетках. Изменение кровотока локализуется в пределах 2 или в области нейронной активности. Обычно увеличение концентрации кислорода больше, чем кислорода, израсходованного на сжигание глюкозы (на данный момент не определено, окисляется ли вся глюкоза), и это приводит к общему снижению гемоглобина . При этом изменяются магнитные свойства крови, препятствуя её намагничиванию, что впоследствии ведет к созданию индуцированного МРТ процесса.

  Кровоток мозга неравномерно зависит от потребляемой глюкозы в разных областях мозга. Предварительные результаты показывают, что в некоторых областях мозга приток крови больше того уровня, который бы соответствовал потреблению. Например в таких областях, как в миндалине , базальных ганглиях , таламусе и поясной коре, которые набираются за быстрый отклик. В областях, которые имеют более совещательный характер, таких как боковая, лобной и латеральной париетальных долей, наоборот, исходя из наблюдений, следует вывод, что входящий поток меньше расхода. Это сильно влияет на чувствительность.

  Гемоглобин отличается тем, как он реагирует на магнитные поля, в зависимости от того, имеет ли он привязку к молекуле кислорода . Молекула гемоглобина лучше реагирует на действие магнитного поля. Следовательно, она искажает окружающее её магнитное поле, индуцированного магнитно-резонансного сканера, вызывая потерю намагниченности ядер быстрее через период полураспада . Таким образом, сигнал МРТ лучше в тех областях мозга, где кровь сильно насыщается кислородом и меньше, где кислорода нет. Этот эффект возрастает, как квадрат напряженности магнитного поля. У фмрт-сигнала, следовательно, проявляется необходимость в сильном магнитном поле (1.5 Т и выше) и последовательности импульсов, таких как ЭПИ, которая чувствительна к периоду полураспада.

  Физиологическая ответная реакция кровотока во многом определяет временную чувствительность, то есть насколько точно мы можем измерить период активности нейронов и в какое именно время они активны, отмечая жирным шрифтом фмрт. Основным временным параметрическим разрешением является - ТР, который диктует, как часто определенный кусочек мозга возбуждается и теряет свою намагниченность. Трс может варьироваться от очень коротких (500 мс) до очень длинных (3 сек). Для фмрт в частности, гемодинамическая реакция длится более 10 секунд, поднявшись мультипликативно с пиком на 4 до 6 секунд, а затем падает мультипликативно. Изменения в системе кровотока, сосудистая система, интеграция ответных реакций нейронной активности с течением времени. Так как данная ответная реакция представляет собой гладкую непрерывную функцию, отбора проб. Больше точек на кривой отклика можно получить путём простой линейной интерполяции в любом случае. Экспериментальные парадигмы могут улучшить временное разрешение, но уменьшат число эффективных точек данных, полученных экспериментальным путём.

  Гемодинамическая ответная реакция зависимости уровня кислорода в крови (ЗУКВ)

  Механизму, с помощью которого нервная система обеспечивает обратную связь с сосудистой системой , необходимо больше глюкозы, в том числе, частично высвобожденной из глутамата в рамках запуска нейронов. Глутамат влияет на ближайшие опорные клетки, астроциты , вызывая изменение концентрация ионов кальция . Это, в свою очередь, высвобождает оксид азота в точке контакта астроцитов и средних кровеносных сосудов, артериол . Оксид азота является вазодилататором , вызывая расширения артериол и привлечение к себе большего объема крови.

  Ответный сигнал одного вокселя в течение периода времени называется timecourse. Как правило, нежелательный сигнал, называемый шумом, со сканера, беспорядочной деятельности, помех и аналогичных элементов соизмерим с величиной полезного сигнала. Чтобы устранить данные шумы, фмрт исследования повторяют несколько раз.

  Пространственное разрешение

  Пространственное разрешение фмрт исследований определяется, как способность оборудования различать границы мозга и близлежащие места. Она измеряется размером вокселей , как в МРТ . Воксель - это трехмерный прямоугольный параллелепипед, размеры которого определяются толщиной среза, площадь среза, и сетки, наложенные на срез путём сканирования. При полном исследовании мозга используются более крупные воксели, а те, которые специализируются на конкретных регионах, представляющие интерес, как правило, используют меньшие размеры. Размеры варьируются от 4-5 мм до 1 мм. Таким образом размеры вокселей напрямую зависят от области измерения. Вместе с тем время сканирования напрямую увеличивается с увеличением количества вокселей, зависящих от среза и количества срезов. Это может привести к дискомфорту для субъекта внутри сканера и к потере намагниченности сигнала. Вокселя, как правило, содержат несколько миллионов нейронов каждый и десятки миллиардов синапсов .

  Временное разрешение

  Временное разрешение - это наименьший период времени нейронной активности который с высокой точностью можно определить с помощью фмрт.

  Временное разрешение зависит от возможностей мозга обрабатывать данные за определенное время, находясь в различных ситуациях. Например, в широком диапазоне задается визуальная система обработки. То, что глаз видит, регистрируется на фоторецепторах сетчатки в пределах миллисекунд. Данные сигналы доходят до первичной зрительной коры через таламус за десятки миллисекунд. Активность нейронов, связанных с актом видения длится чуть больше 100 мс. Быстрые реакции, такие как резкий поворот, чтобы избежать аварии, занимает около 200 мс. Реакция происходит приблизительно во вторую половину осознания и осмысления произошедшего. Вспоминание подобного события может занять несколько секунд, и эмоциональные или физиологические изменения, такие как страх, возбуждение могут длиться минуты или часы. Распознавание лиц, событий могут длиться дни, месяцы или годы. Большинство экспериментов фмрт исследований процессов мозга, длящиеся несколько секунд, с исследованием, проведенным в течение нескольких десятков минут. Изменение психо-эмоционального состояния может изменить поведение субъекта и его когнитивные процессы.

  Линейное дополнение от многократной активации

  Когда человек выполняет две задачи одновременно, ответная реакция ЗУКВ, как ожидается, добавляется линейно. Это фундаментальное предположение многих фмрт исследований. Линейное дополнение означает отдельное масштабирование каждого интересующего процесса и их последующего суммирования. Поскольку масштабирование - это просто умножение на постоянное число, это означает, что событие, которое вызывается, скажем, два раза в нейронных реакциях могут быть смоделированы, как определенное событие представленное два раза одновременно.

  Функциональная МРТ головного мозга с 1990-х годов прошлого века получила широкое распространение. Внедрение методики способствовало выявлению некоторых злокачественных образований (опухолей), которые другими методами выявить сложнее. Особенностями функциональных магнитно-резонансных исследований мозговой ткани является оценка изменений кровоснабжения вследствие изменения нейронной стимуляции спинного и головного мозга. Возможность получения качественных результатов при МР-томографии обусловлена усилением притока крови к области мозга, которая активно действует.

  Специалисты изучили нормальную активность коры головного мозга, состояние ткани при опухолях, что позволило провести дифференциальную диагностику патологии. Отличия МР-сигнала в норме и при патологических состояниях делают нейровизуализацию незаменимым диагностическим методом.

  Нейровизуализация стала разрабатываться в 1990-ом году, когда функциональная МРТ стала активно использоваться для диагностики образований головного мозга вследствие высокой достоверности, отсутствия лучевого облучения пациента. Единственным неудобством метода является необходимость длительного пребывания пациента на диагностическом столе.

  Морфологические основы функциональной МРТ головного мозга

  Глюкоза не является важным субстратом для работы головного мозга, но при ее отсутствии нарушается функционирование нейронных каналов, которые обеспечивают физиологическую работу мозговой ткани.

  Глюкоза поступает к клеткам по сосудам. Одновременно в мозг попадает кислород, связанный молекулой гемоглобина эритроцитов. Молекулы кислорода участвуют в процессах тканевого дыхания. После потребления кислорода мозговыми клетками возникает окисление глюкозы. Биохимические реакции при тканевом дыхании способствуют изменению магнетизации тканей. Индуцированный МРТ-процесс регистрируется программным обеспечением, что позволяет получить трехмерное изображение с тщательной прорисовкой каждой отдельной детали.

  Изменение магнитных свойств крови возникает практически при всех злокачественных образованиях головного мозга. Избыточный приток крови определяется программным обеспечением при сравнении с нормальными величинами. Физиологически прослеживается разный МР-сигнал от поясной коры, таламуса, базальных ганглиев.

  Низкий поток прослеживается в париетальной, латеральной, лобной доле. Изменение микроциркуляции данных областей сильно изменяет чувствительность сигнала.

  Функциональная диагностика МРТ зависит от состояния и количества гемоглобина в исследуемой области. Молекула вещества может содержать кислород или его альтернативные заменители. Под действием сильного магнитного поля происходит колебание кислорода, что искажает качество сигнала. Намагниченность канала приводит к быстрому полураспаду кислорода. Воздействие сильного магнитного поля усиливает период полураспада вещества.

  На основе информации можно сделать вывод относительно более высокого качества МР-сигнала в областях мозга, которые насыщены кислорода. Злокачественные мозговые образования имеют густую сосудистую сеть, поэтому хорошо визуализируются на томограммах. Для качественных результатов интенсивность магнитного поля должно быть выше 1,5 Тесла. Последовательность импульсов приводит к повышению полураспада.

  Активность МР-сигнала, регистрируемого от активности нейронов, носит название «гемодинамический ответ». Термин определяет скорость нейронных процессов. Физиологическое значение параметра – 1-2 секунды. Данный интервал недостаточен для качественной диагностики. Чтобы получить хорошую визуализацию при объемных образованиях мозга магнитно-резонансная диагностика проводится с дополнительным стимулированием глюкозой. После ее введения пик активности наблюдается через 5 секунд.

  Функциональная диагностика МРТ при раке мозга

  Применение МРТ в нейрорадиологии расширяется. Для диагностики опухолей головного и спинного мозга применяется не только функциональное исследование. В последнее время активное распространение получили современные способы:

  Перфузионно-взвешенная;
  Диффузионная;
  Контрастно-насыщенное исследование (BOLD).

  Контрастирование BOLD после насыщения кислородом помогает провести диагностику активности сенсорной, моторной коры, очагов речи Вернике и Брока.

  Способ базируется на регистрации сигнала после специфической стимуляции. Функциональная диагностика МРТ при сравнении с другими способами (ПЭТ, эмиссионная КТ, электроэнцефалография) Функциональное МРТ помогает получить картинку с пространственным разрешением.

  Для понятия сути графической картины мозга при магнитно-резонансной томографии проводим изображения мозговой ткани после МРТ после чтения «сырых» изображений (а), совмещения нескольких томограмм (б).

  Двигательная активность мозговой коры после использования способа корреляционных коэффициентов позволяет получить пространственное изображение результатов с визуализацией зон повышенной магнитной активности. Область Брока при функциональной МРТ определяется после обработки «сырых» томограмм. Стимуляция корреляционных коэффициентов помогает генерировать график соотношения интенсивности сигнала в определенном временном промежутке.

  На следующих томограммах прослеживается картина у пациента при апластической эпендимоме – опухолью с повышенным смещением возбудимости в зоне, которая отвечает за активность функциональной коры мозга.

  График показывает активные области, в которых локализуется злокачественное новообразование. После получения данных томограмм для иссечения патологической области была проведена субтотальная резекция.

  На следующих МР-томограммах изображена глиобластома. Функциональная диагностика позволяет качественно визуализировать данное образование. В данной области располагает зона, отвечающая за активность пальцев правой руки. На изображениях визуализируется усиление активности в областях после стимуляции глюкозой. Функциональная магнитно-резонансная диагностика при глиобластоме в данном случае позволила точно визуализировать локализацию, размеры образования. Расположение рака в моторной коре приведет к отказу движений пальцев правой руки при возникновении атипичных клеток в коре головного мозга.

  При некоторых образованиях функциональная МРТ головного мозга показывает несколько десятков разных изображений, возникающих вследствие динамического изменения МР-сигнала с искажением до 5%. При таком разнообразии сложно установить правильность расположения патологического образования. Для исключения субъективности зрительной оценки требуется программная обработка «сырых» снимков, полученная с использованием статистических способов.

  Для получения качественных результатов при функциональной диагностике МРТ в сравнении с традиционным аналогом требуется помощь пациента. При тщательной подготовке повышается метаболизм глюкозы и кислорода, что снижает количество ложноположительных результатов, артефактов.

  Высокое техническое оснащение магнитно-резонансных томографов позволяет улучшить картинку.

  Самый частый вариант применения функциональной магнитно-резонансной томографии – это визуализация основных зон активности коры головного мозга – зрительной, речевой, моторной.

  Функциональное МРТ исследование головного мозга – клинические эксперименты

  Зрительная стимуляция корковых зон с помощью функционального МРТ по методу «J.Belliveau» предполагает зрительную стимуляцию с использованием болюстного контрастирования препаратом гадолинием. Подход позволяет регистрировать падение эхо-сигнала вследствие разной чувствительности между контрастом, проходящим по сосудам и окружающим тканям.

  Клинические исследования установили, что зрительная стимуляция корковых зон на свету и в темноте сопровождается разницей активности примерно на 30%. Такие данные получены при обследовании на животных.

  Эксперименты были основаны на методику определения сигнала, полученного от дезоксигемоглобина, обладающего парамагнитными способностями. На протяжении первых 5 минут после стимулирования мозговой активности глюкозой активируется процесс анаэробного гликолиза.

  Стимуляция приводит к повышению перфузионной активности нейронов, так как микроциркуляция после поступления глюкозы существенно усиливается за счет падения концентрации дезоксигемоглобина – вещества, переносящего углекислый газ.

  На Т2-взвешенных томограммах прослеживается увеличение активности сигнала – методика получила название BOLD-контрастирование.

  Такая методика функционального контрастирования не является совершенной. При планировании нейрохирургических операций на опухолях требуется проведение обычного и функционального исследования.

  Сложности функциональной магнитно-резонансной томографии заключаются в необходимости пациента выполнять активирующие действия. Для этого через переговорное устройство оператор передает задание, которое человек должен сделать с особой тщательностью.

  Тренировку пациента необходимо проводить до функционального МРТ исследования. Заранее требуется умственный покой, подготовка двигательной активности.

  Статистическая обработка результатов при правильном выполнении позволяет тщательно обследовать «сырые» томограммы, составлять на их основе трехмерное изображение. Для грамотной оценки значений нужно проводить не только структурную, но и функциональную оценку состояния коры головного мозга. Результаты обследования оцениваются одновременно нейрохирургом и неврологом.

  Внедрению МРТ с функциональными пробами в массовую медицинскую практику не позволяют ограничения:

  1. Высокие требования к томографу;
  2. Отсутствие стандартизированных разработок относительно заданий;
  3. Появление ложных результатов, артефактов;
  4. Выполнение человеком непроизвольных движений;
  5. Наличием в теле металлических предметов;
  6. Потребность в дополнительных звуковых и визуальных стимуляторах;
  7. Высокая чувствительность металлов к эхо-планарным последовательностям.

  Перечисленные противопоказания ограничивают распространение исследования, но их можно устранить путем тщательной разработки рекомендаций к МРТ.

  Основные цели проведения функционального магнитно-резонансной томографии:

  Анализ локализации патологического очага для прогнозирования хода хирургического вмешательства при опухоли, оценки функциональной активности;
  Планирование краниотомии в областях на удалении от зон основной активности мозга (зрительная, речевая, моторная, чувствительная);
  Выбор группы людей для инвазивного картирования.

  Функциональные исследования существенно коррелируют с прямой стимуляцией корковой активности мозговой ткани специальными электродами.

  Максимальный интерес представляет функциональная МРТ для российских врачей, так как картирование в нашей стране только начинает развиваться. Для планирования оперативной активности магнитно-резонансное исследование с функциональными пробами представляет большой интерес.

  Таким образом, функциональные исследования МРТ в нашей стране находятся на уровне практических проб. Частое использование процедуры наблюдается при супратенториальных опухолях, когда МРТ исследование является необходимым дополнением предоперационного этапа.

  В заключение выделим современные аспекты развития технологии «мозг-компьютер». На основе данной технологии разрабатывается «компьютерный симбиоз». Сочетание электроэнцефалографии и МРТ позволяет создать полноценную картинку функционирования головного мозга. С помощью наложения одного исследования на другое получается качественная картинка, указывающая на соотношение анатомических и функциональных особенностей работы нейронов.