Как можно заглянуть в мозг?
На слайде изображены разные методы визуализации мозга. Первая картинка, где кости черепа вокруг мозга светятся ярко, — это компьютерная томография. Дальше идет серия изображений, которые сделаны в разных плоскостях. Эти плоскости в нашей терминологии называются аксиальная, темпоральная и кардиальная, они отражают режимы работы магнитно-резонансного томографа, которые очень необходимы врачам лучевой диагностики.
Дальше начинается интересное — у нас есть возможность использовать кровь как контраст, так можно получить ангиографию. Это исследование сосудов мозга, которое не подразумевает введение какого-либо контрастного вещества извне, контрастом выступает кровь человека. Так мы можем построить красивое изображение сосудов головного мозга, а тут визуализирован виллизиев круг — главный круг коллатерали, то есть тех сосудов, которые друг с другом сообщаются и кровоснабжают все области мозга.
Следующие три цветных изображения визуализируют структурную и функциональную томографию. А изображение в цветах радуги — магнитно-резонансная трактография, или диффузионная трактография. Она позволяет нам увидеть, как расположены тракты, нервные пути, которые следуют от каждой нервной клетки, собираются вместе и идут, например, от коры головного мозга вниз в спинной мозг и дальше к мышцам.
Предпоследние изображения с ярко-оранжевыми пятнами — это функциональная магнитно-резонансная томография. Это один из самых интересных методов МРТ, который получил узкое распространение в клинической практике, но его широко используют в научных исследованиях. Этот метод позволяет увидеть функциональную активность различных зон мозга в тот момент, когда человек что-то выполняет или находится в состоянии покоя.
Самое последнее изображение — это позитронно-эмиссионная томография, самый дорогой метод в лучевой диагностике, активно использующийся в некоторых клинических ситуациях. Здесь есть радиофармпрепарат, который вводится человеку в кровоток, дальше можно зарегистрировать области, которые будут его больше всего накапливать.
Компьютерная томография
У ученых есть огромное количество инструментов, которые позволяют заглядывать в головной мозг, просматривать все тело. Это очень полезно с точки зрения клинической медицины и постановки диагноза клиницистами.
Но что было до этого? Как клиницисты приходили к диагнозу c помощью простукиваний, прослушиваний, общения с пациентом? В 1896 году случился переворот в медицине — изобрели рентген, он получил колоссальное распространение. И тут же стал широко использоваться в клинической практике.
К сожалению, рентгеновское излучение активно накапливается костями, в том числе черепа. Через эту яркую картинку сложно увидеть внутренние структуры и то, что находится за черепно-мозговой коробкой, она не позволяет увидеть мягкие ткани мозга. Первым, кто нашел решение проблемы, был Уолтер Денди. В 1920-х годах он изобрел метод, который называется вентрикулография, примерно в это же время появилась пневмоэнцефалография.
Что это такое? Мы не можем заглянуть сквозь кости черепа внутрь мозга, но знаем, что внутри органа есть полости, которые заполнены цереброспинальной жидкостью, отличной по составу от крови, но, тем не менее, не имеющей взаимодействия с рентгеновскими лучами. Мы можем откачать эту жидкость, заменить ее на воздух или другую жидкость — и она подсказывает нам, что же находится в тканях мозга.
Процедура, где нужно откачать несколько десятков миллилитров жидкости из системы — очень сложная, замкнутая, а малейшие колебания могут вызвать фатальные последствия. Но исследователям и врачам удавалось это сделать. Этот способ был основным методом визуализации мозга вплоть до 1970-х годов. Тогда Годфри Хаунсфилд создал метод, который сейчас вышел на первый план по диагностической значимости — это компьютерная томография.
На картинке снимок, который сделали 1 октября 1971 года — снимок головного мозга живого человека. На нем мы можем увидеть кисту, заполненную жидкостью. Этот снимок был зернистым и некачественным, но даже это был колоссальный прорыв. А первый компьютерно-томографический снимок сделали примерно в 1969 году. Это снимок мозга мертвого молодого бычка, на нем Годфри Хаунсфилд настраивал методику.
Интересно, что без группы Beatles развитие компьютерной томографии было бы не таким активным. В 1960-х годах компания EMI, где работал Годфри Хаунсфилд, также занималась звукозаписью. Благодаря контракту с набирающей колоссальную популярность группой и появились средства, на которых Хаунсфилд усовершенствовал компьютеры, они и позволили обрабатывать большое количество информации, получаемой от компьютерных томографов.
Вот так выглядел первый компьютерный томограф в госпитале Аткинсона Морли в Лондоне. И это — та самая женщина, которая первая прошла эту процедуру.
В нашей стране компьютерные томографы начали развиваться почти сразу после их появления в Великобритании. Первый компьютерный томограф появился в Научном центре неврологии — это моя вторая альма-матер, место, где я проходила ординатуру. Я общалась с первым рентген-лаборантом в нашей стране, она работала на первом компьютерном томографе СССР.
Она работает там до сих пор и рассказывала потрясающие истории: раньше компьютерная томография проводилась так долго, что пациенту нужно было часами лежать неподвижно, чтобы он получил нормальные снимки мозга. Например, однажды она отвлеклась, а когда вернулась, заметила, что в комнате сканирования никого нет. Оказалось, что пациент уже лежал там два часа и ему захотелось в туалет. Его вернули и досканировали еще примерно час. Так что исследования, которые длятся несколько секунд, — это большое благо.
Позитронно-эмиссионная томография
Сразу после компьютерной томографии появилась и позитронно-эмиссионная томография. Ее родоначальником стал врач-психиатр и психоневролог Луис Соколофф. Он придумал как создать радиофармпрепарат и использовать его для визуализации активности мозга. Соколофф работал в годы войны в США и ему было очень интересно понять, что происходит в мозге солдат во время контузии и как она затем пропадает.
Но таких методов не было. Естественно, была электроэнцефалография, которая позволяла измерять электрическую активность коры головного мозга, но в более глубокие структуры она продвигаться не могла. Первую позитронно-эмиссионную томографию 16 августа 1976 года сделали на мозге.
Черные области — это кора головного мозга. Первым радиофармпрепаратом стала фтордезоксиглюкоза. Что такое глюкоза — это основной питательный компонент для нейронов, поэтому активно работающие нервные клетки, которые составляют кору, активно ее поглощали и сигнализировали о том, что в них много видоизмененной глюкозы. Поэтому мы получаем изображение ярко-черной коры головного мозга.
А это первая магнитно-резонансная томограмма. Слева ее создатели — это Реймонд Дамадьян и Лоуренс Минкофф. Ее сделали 3 июня 1977 года. Этот метод кардинально отличается от компьютерной позитронно-эмиссионной томографии. В нем нет ионизирующего излучения, он абсолютно безопасен.
Компьютерная томография
Уже по названию метода (др.-греч. τομή — «сечение») понятно, что речь идет про изображение сечения, послойное измерение плотности объекта рентгеновскими лучами с последующей математической компьютерной обработкой данных. Так можно получить трехмерную картинку без нарушения целостности тела. Информация о каждом слое собирается в единую картину, ее можно реконструировать в изображение в любой плоскости.
В этом случае есть источник рентгеновского излучения — рентгеновская трубка, исследователи просвечивают им нужный объект. В зависимости от плотности ткани рентгеновское излучение как бы зависает, остается в различных тканях тела. Самой высокой плотностью обладают кости, они задерживают в себе почти 100% излучения. Самой низкой — воздух. Данные собирает в детектор, затем они переводятся в цифру и с помощью алгоритмов строится изображение, которое мы видим на экране.
Есть несколько поколений устройств, до сих пор существует традиционная компьютерная томография, которой сейчас практически не осталось. Там трубка вместе с детектором кружится по часовой стрелке, совершает полный круг, а затем стол чуть продвигается. Трубка делает еще один оборот и так далее.
А метод МСКТ распространен довольно широко. Здесь стол не останавливается, он двигается, а трубка с детектором вращается вокруг пациента по очень плотной спирали и просвечивает необходимую область туловища за довольно короткое время. Это происходит быстро, за секунду устройства могут сделать 256 и даже 512 оборотов. Но сейчас исследователи, скорее, уходят в сторону снижения лучевой нагрузки и повышения качества исследований.
На картинке результат компьютерной томографии головы. На нем видно, что что-то не так — одно из полушарий явно больше и чуть ниже по интенсивности сигнала.
Также с помощью компьютерной томографии можно посмотреть на то, как кровоснабжаются разные области мозга, этот метод называется перфузией. И у того же пациента можно заметить сине-голубые оттенки. Это значит, что кровоснабжение нарушено, можно сделать вывод о том, что где-то застрял тромб или эмбол. Теперь с пациентом можно предпринимать какие-то клинические действия.
Кроме того, есть компьютерно-томографическая ангиография, она проводится с использованием контрастного препарата. Контрастный препарат, плотно наполняя сосуды, может формировать очень яркую картинку, которую мы можем оценивать, построив трехмерные изображения.
Магнитно-резонансная томография
Этот метод сильно расширяет возможности клинициста и врача лучевой диагностики. Это золотой стандарт для визуализации головного мозга. Он позволяет прижизненно получить изображения внутренних органов, которые основаны на ядерно-магнитном резонансе. Это явление из квантового мира, поэтому я буду упрощать некоторые вещи, чтобы не погружаться во все физические тонкости.
В комплексе формируется постоянно магнитное поле. Туда кладут пациента, где он находится некоторое время. Там формируется постоянное магнитное поле, оно в 10 тыс. раз больше, чем магнитное поле Земли, но это совершенно не страшно. Никакого излучения в магнитно-резонансной томографии нет, это один из самых безопасных методов.
Как он работает? Наш организм в основном состоит из воды — это два атома водорода и один атом кислорода. Соответственно, водород — это самый распространенный элемент в нашем организме. Водород и еще несколько элементов имеют определенные физические свойства — если упрощать, могут вращаться вокруг своей оси, то есть прецессировать. Эти оси вращения могут смотреть хаотично в совершенно разные стороны.
Просто помещения человека в сильное магнитное поле недостаточно, чтобы получить какой-то сигнал. Мы должны повлиять на протоны. Этим влиянием занимаются радиочастотные лучи, которые поставляются радиочастотными катушками.
Катушки — это дополнительные надстройки в магнитно-резонансном томографе. Когда пациент делает МРТ головы, то на него надевают дополнительный шлем. Это катушки, чаще всего они и принимающие, и передающие. Они могут как излучать радиочастотный импульс, так и ловить сигнал, то есть быть детектором для того, чтобы сигнал словить обратно.
Мы воздействуем на протоны радиочастотным излучением на той частоте, которая близка к частоте вращения протона и, таким образом, отклоняем стрелку. Мы получаем свернутую пружину, придаем ей энергию, отклонять ее можно на 90 или 180 градусов в зависимости от того, что нам нужно. И когда радиочастотный импульс прекращается, направление вращения возвращается в текущее положение. Точно так же, как и пружина, которую мы сжали, она снова разжимается до исходного состояния, при этом выделяется энергия, мы называем это релаксацией, и эта энергия фиксируется детекторами, которые расположены в катушках.
То есть основные принципы МРТ — это возбудить протоны, атомы, на которые мы влияем, затем зафиксировать релаксацию, получить энергию обратно, преобразовать цифру в изображение. Это тоже делается сложными математическими методами, например, преобразованием Фурье.
Есть несколько поколений томографов: например, низкопольные открытые. Они предыдущего поколения, магниты тут расположены сверху и снизу. Открытые аппараты используются в клиниках, потому что только в них можно сканировать пациентов с клаустрофобией. Есть высокопольные закрытые аппараты, там максимальная напряженность магнитного поля.
В МРТ есть разные режимы сбора информации — можно исключать элементы или добавить информацию — например, немного экстраполировать изображение. Первое изображение — это Т2. Здесь можно увидеть, что серое и белое вещество развернуто на 180 градусов. Такой режим нужен потому, что некоторые патологии проще увидеть на темном фоне. Второе изображение — это Т1. На нем можно увидеть анатомическое строение головного мозга, то есть серое вещество действительно серое, белое — чуть посветлее.
Есть еще один вариант изображения. Это Т2-взвешенное изображение с подавлением сигнала от свободной жидкости. Это то же самое, что первое, но мы убрали весь сигнал от свободной жидкости и получили возможность увидеть очаги патологически измененного вещества головного мозга.
С помощью МРТ также можно смотреть сосуды. Ниже ангиография — второе изображение. Мы можем смотреть гематоэнцефалический барьер — это барьер между кровью и веществом головного мозга, где он может пропускать и подтекать. Вот здесь участок ярко светящегося кусочка головного мозга — это отек, он подсказывает нам, что именно здесь находится ишемический инсульт, область острой нехватки кислорода.
Функциональная МРТ
Это основной метод, который используется в науке. Но еще он важен для клинической практики нейрохирургов — если нужно удалить определенную часть мозга, то нужно посмотреть, а не повлияет ли это на функцию? Для этого проводят функциональную МРТ — предоперационное картирование головного мозга, чтобы смотреть: как расположена зона, например, у опухоли, которую нужно удалить, и зона функционально-активного участка коры головного мозга, например, речевого центра, и не удалим ли мы, например, участок речевого центра вместе с опухолью.
С помощью ФМРТ можно фиксировать, получать слуховую активацию, то есть смотреть: какие зоны мозга активируются в ответ на звуковое воздействие. Можно получать двигательную активацию, например, можно попросить пациента пошевелить пальцем и фиксировать активность в коре, которую шевеление вызвало.
Можно посмотреть и на бездействующий мозг, потому что он тоже тратит очень много энергии на поддержание своего баланса. На картинке одна из самых интересных сетей — сеть пассивного режима работы мозга. Считается, что эта сеть частично отражает наличие у человека сознания. Научные изыскания в области сознания — одна из самых амбициозных вещей в области нейронаук.
Трактография позволяет зафиксировать движение протонов по аксонам, нервным путям. Так мы можем получать красивые изображения, здесь каждым цветом закодировано направление. По этим цветам можно получить очень важную информацию. Это нужно в клинической практике, например, во время нейрохирургической операции, чтобы не задеть стратегически важный кусочек этой магистрали. Вот так выглядит программа, в которой можно строить трактографии.
Позитронно-эмиссионный томограф
Это радионуклидный метод исследования внутренних органов человека, где образуется антивещество и происходит аннигиляция. Это сложные слова, но их можно встретить в романах Дэна Брауна. По ним мы помним, что даже небольшого количества антивещества, смешанного с веществом, достаточно, чтобы стереть город с лица Земли. Но этого метода не нужно бояться, он может принести относительно небольшое количество облучения, которое находится в рамках нормы.
В чем принцип позитронно-эмиссионной томографии? В том, что период полураспада фтора-18 составляет 110 минут, поэтому нужно успеть, во-первых, синтезировать радиофармпрепарат, во-вторых, довести его до клиники, где его введут пациенту, подождать, пока вот это вся глюкоза распространится по организму пациента, потом сделать снимки. Тем не менее, фтор распадается по бета-плюс распаду и выделяет позитрон. Он встречается с первым попавшимся электроном, взаимодействует, получается аннигиляция и два гамма кванта фиксируются детекторами. Так исследователи получают максимально яркое изображение там, где накапливается большинство радиофармпрепарата.
Так выглядят гибридные исследования, которые объединяют себе ПЭТ-КТ, ПЭТ-МРТ, это сейчас один из новых методов. При этом есть и объединение функциональной активности и структурной для получения клинической информации. Не так давно появился ПЭТ-сканер всего тела — это тоже дает много интересной и клинически значимой информации. С точки зрения инновации и технологий наука еще может развиваться вперед, причем во многих направлениях — КТ, МРТ, ПЭТ — и делать там научные, научно-технические улучшения и вносить свою лепту в создание новой технологичной и высокотехнологичной медицины.
Читать далее
Посмотрите на «бесшумный» дрон с ионным двигателем нового поколения
Самцы древних трилобитов пристегивали самок во время спаривания
У России и США есть самолеты Судного дня: как и куда они полетят в случае конца света