Мозг является, наверное, наиболее занимательным органом для людей, интересующихся наукой на любительски-бытовом уровне. Белые пятна, до сих пор существующие в понимании того, как функционируют различные его отделы, как формируется сознание, самоосознание и абстрактное мышление, как синхронизируются и управляются информационные потоки, притягательны для обывателя. Пока эти пробелы есть, возможны фантастические визионерские концепции вроде «использования мозга на все 100%», «загрузки сознания в компьютер», а вкупе с современным уровнем развития науки и технологий нейронауки выглядят фантастическим миром, переносящим нас в будущее. Однако реальность несколько прозаичнее. Именно расположение и сложность строения головного мозга является причиной того, что изучать его непросто – помимо колоссального количества нейронов и наличия у них разветвленных связей между собой и очень длинных,

по сравнению с размером клеток, проекций (аксонов), возможности различных методов ограничены, и мы не можем применить их все одновременно. Чтобы понять эти возможности и ограничения, давайте рассмотрим их поподробнее.

Простой способ: порезать и картировать

Нет, я понимаю, что речь должна пойти о неинвазивных методах визуализации. Однако об этом основополагающем способе стоит упомянуть, поскольку с него начинается вся наука о мозге. Итак, простая гистология. Хотя нет, непростая: серийные гистологические срезы цельного крупного органа с четкой привязкой к координатам и без особого права на ошибку – именно так мозг был первоначально изучен, описан, картирован для различных животных. Мозги наиболее интересующих человека видов, включая человека, были особенно качественно препарированы и затем каталогизированы в виде атласов.

George Paxinos держит особь Rattus norvegicus. Джордж – автор атласов мозга животных, описавший 94 отдела (ядра) в мозгу крыс и человека. Научные работы с его первым авторством процитированы более 80 000 раз. Справа – страница из его атласа «Мозг крысы в стереотаксических координатах», занимающего 14-е место в списке наиболее цитируемых книг в мире. Каждая аббревиатура означает тот или иной отдел мозга, например, стрелка указывает на субталамическое ядро.

Именно в эту эпоху, в середине ХХ века, при помощи обычной гистологии были подробно  описаны множество функциональных единиц мозга животных и человека: ганглии и ядра (скопления тел нейронов), тракты и пути (пучки аксонов, исходящих от определенных ганглиев до промежуточных интернейронов или других тканей, или же от рецепторных нейронов обратно в головной мозг). Сейчас эти данные доступны уже не просто в виде бумажных атласов, а онлайн.

Развитие в дальнейшем методов иммуногистохимии позволило вначале классифицировать нейроны по используемым ими нейромедиаторам (химическим веществам, осуществляющим перенос сигнала между аксоном одного и дендритом другого нейрона), а потом и множеству интересующих исследователей веществ и ферментов. Да, все эти красивые картинки из новостей и научных журналов – это иммуногистохимия:

Иммунохимическое окрашивание нейронов в культуре. Красный цвет – окрашивание антителами к синаптобревину – белку синаптических везикул. Зеленый – окрашивание на белок микротрубочек MAP2. Синий – DAPI, стандартный краситель для клеточных ядер.

Но все это неприменимо для человека, который хочет жить. Поэтому обратим наш взгляд в сторону современных неинвазивных клинических методов.

Увидеть мозг и не умереть

Компьютерная томография головного мозга. Серийные послойные снимки дают гораздо больше информации, нежели один «сквозной» рентгеновский снимок.

Основных способов сделать это всего два: компьютерная томография и магнитно-резонансная томография.

Компьютерная томография – довольно неточный термин, вводящий в заблуждение. Фактически это – продвинутая рентгеновская съемка. Специальная кольцевая форма блока излучателя-детекторов позволяет вращать всю конструкцию вокруг пациента и вести последовательную послойную съемку. КТ в исследовании мозга годится в основном для определения черепно-мозговых травм и кровотечений, а также ангиографии с контрастным веществом, так как ткани мозга слишком однородны и проницаемы для рентгеновских лучей по сравнению, к примеру, с костной тканью.

Слева: КТ-ангиография с контрастом – вводимое в кровь специальное соединение, нетоксичное для человека (до 30 смертей на миллион процедур), позволяющее усилить яркость сосудов на снимке. Такое исследование может выявить аномалии строения сосудов, например, аневризмы, либо ишемизированный или деваскуляризованный участок мозга. Справа: устройство детектора прибора КТ. Рентгеновские лучи идут от излучателя (Т) в направлении красных стрелок. Под стрелкой D расположен блок детекторов.

Компьютерную обработку КТ-изображений можно применить для получения объемной реконструкции той или иной части тела. Такая объемная визуализация может быть очень полезной для разработки тактики лечения или хирургического вмешательства. Вместе с реконструкцией черепа в 3D может быть также представлена ангиографическая картина, положение протезируемых участков кости и т.д.

Тест-пилот Формулы-1 Мария де Вильотта и КТ-3D-визуализация травмы, полученной ей в результате аварии (болид команды Marussia под ее управлением въехал под технический грузовик в паддоке из-за системы, предотвращающей глушение двигателя).

Метод МРТ основан на явлении так называемого ядерного магнитного резонанса. Очень кратко и грубо можно объяснить это явление следующим образом. Существуют атомы, ядра которых обладают спином, кратным ½. Подобные ядра имеют магнитный дипольный момент, и могут взаимодействовать с внешним магнитным полем (правда, поле должно быть достаточно сильным, чтобы это взаимодействие можно было детектировать). При наложении внешнего магнитного поля на образец вещества происходит расщепление на два энергетических уровня, соответствующих состояниям +1/2 и -1/2 с различными энергиями (разность энергий зависит от силы приложенного поля):

Слева: расщепление энергетических уровней с ростом приложенного извне магнитного поля. Справа: тонкая структура водородного ЯМР-спектра эталона. Протон, принадлежащий гидроксигруппе, экранирован от спин-спиновых взаимодействий, и дает синглетный сигнал (красный), в то время как протоны двух углеводородных групп взаимодействуют между собой, давая триплетный и квадруплетный сигналы.

Дальше – дело техники: в квантовом мире все устроено так, что разности энергий должна соответствовать какая-либо электромагнитная волна определенной частоты. Необходимо подобрать эту внешнюю частоту (в приборах ЯМР-анализа это радиодиапазон), либо наоборот, менять силу магнитного поля, пока разность энергий не совпадет с заданной в приборе частотой. Собственно, все – для надежности и повышения качества сигнала он записывается множество раз, улучшая соотношение сигнала к шуму.

Химики используют ядра водорода, а также специально введенные в состав молекулы изотопы углерода-13, фтора-19, чтобы изучать этим методом структуру веществ. Дело в том, что помимо собственного сигнала, ядра взаимодействуют друг с другом, давая множественный сигнал (см. рисунок). Именно благодаря этой картине ученые могут установить взаимное расположение функциональных групп атомов – так изучают структуру неизвестных молекул, или подтверждают наличие/отсутствие побочных продуктов в химической реакции.

Медики сделали проще: водород – это элемент, входящий в состав воды и длинных алифатических цепочек в составе липидов (а липиды – это основа строения клеточных мембран). Таким образом, можно сфотографировать послойно любую человеческую ткань и увидеть распределение воды (которой в теле человека в среднем 70%, но в конкретных тканях и органах содержание различается) и жиров, увидеть различные новообразования, патологии сосудов, очаги деваскуляризации или скопления жидкости. Также можно поиграться с другими ЯМР-эффектами, например, временем спин-решеточной и спин-спиновой релаксации, которые дают качественно разные изображения, более удобные для тех или иных тканей и патологий.

В результате получаются снимки, настолько до боли всем известные по медиа, что их можно даже не приводить. Но стоит привести ссылку на различные виды визуализации с помощью МРТ. МРТ также позволяет делать ангиографию, только контрастом у нее будут не рентген-поглощающие, а, как нетрудно догадаться, парамагнитные вещества. Кроме того, МРТ позволяет делать самые настоящие видео, например, работы клапанов бьющегося сердца.

МРТ на данный момент – наиболее детальный и мощный метод неинвазивного исследования человеческого тела, и мозга в частности. Однако он также имеет ряд ограничений. Основное касается наличия магнитного металла в теле – прибор работает с по-настоящему чудовищными магнитными полями, и из-за этого кохлеарные и зрительные импланты являются абсолютным противопоказанием к процедуре, равно как наличие у пациента минно-взрывных повреждений с металлическими осколками в тканях.

Да, кстати – МРТ-снимки человеческого мозга также доступны в виде онлайн-атласа.

Функциональный имаджинг

На самом деле, это еще не все возможности современной диагностики. Можно не просто различными способами просветить мозг насквозь, но и посмотреть, насколько эффективно он функционирует!

Одним из таких методов является позитронная эмиссионная томография, или ПЭТ (ПЭТ-скан). Прибор, используемый для этих целей, является по сути обыкновенным детектором радиоактивного распада, и может быть объединен с блоком КТ для гибридной визуализации.

Основой же метода является вводимый в организм пациента трейсер – синтетическое вещество, содержащее радиоизотоп. Суть исследования заключается в том, что трейсер является аналогом того или иного метаболита, который используется организмом, например, захватывается специфически определенными клетками. В качестве трейсера можно использовать изотоп кислорода-15 (повышенное потребление кислорода различными областями мозга говорит о повышении их активности); 18-фтордезоксиглюкозу – аналог глюкозы (недостаточный сигнал от захваченной глюкозы может говорить о нейродегенеративных процессах в данной области); 18-фтор-ДОФА (ДОФА является предшественником дофамина, и снижение ее сигнала в области стриатума может говорить о скрытой досимптомной стадии болезни Паркинсона).

PET-изображение трейсера фтор-ДОФА в нормальном мозгу и у больного болезнью Паркинсона. Во втором случае отсутствует красный сигнал от накопления предшественника дофамина в нигростриатной системе мозга, что говорит о серьезной степени нейродегенерации.

Все же, у данного метода есть свои недостатки. Во-первых, само по себе введение радиоактивных изотопов в организм человека является очевидно нежелательным.

Естественно, в медицине не используют дозы радиоактивных веществ, существенно вредные сами по себе, но само такое исследование в принципе проводится с учетом того, что возможный риск пропустить скрытую патологию больше, чем возможные последствия действия радиоизотопа. Одна процедура может принести пациенту дозу облучения в 15 мЗв – до трети от годовой дозы работников атомной промышленности. Второй важный минус – это дороговизна и сложность создания трейсеров. Будучи подвержены радиоактивному распаду, они не могут «ждать» на полке с реактивами, и нарабатываются индивидуально под каждого пациента. Их необходимо создавать на медицинском циклотроне и сразу же использовать на процедуре – к примеру, меченные фтором-18 трейсеры имеют время полужизни в два часа, а упомянутый кислород-15 – всего две минуты, так что пациенту его нужно вводить непосредственно из циклотрона, что очень сложно.

Существует другой схожий метод, основанный на введение радиотрейсера – однофотонная эмиссионная компьютерная томография, ОФЭКТ (SPECT). В отличие от ПЭТ, где детектор определяет позитроны, в SPECT трейсер испускает гамма-лучи. В качестве трейсера у людей используют Ceretec – органический комплекс, содержащий технеций-99.

Слева: стрелками на SPECT-изображении показаны последствия правостороннего инсульта (ниже – МРТ-снимок). Изображения B –E: если можно сделать экспозицию более длинной, то детализация SPECT-изображения возрастает (снимок крысы с введенным лигандом иода-123 через сутки (В), и через час с разными цветовыми фильтрами (С – Е)).

SPECT обладает заметно малым разрешением (около 1 см), но поскольку трейсеры для медицинского применения у человека циркулируют в кровотоке, не попадая в ткани, он пригоден для обнаружения ишемии, онкологических процессов и других аномалий, связанных с кровообращением. Все же, метод в большей степени используется для визуализации сердца, а не мозга. Его основное преимущество – он существенно более доступен, чем ПЭТ, при этом обладая хорошим функционально-диагностическим потенциалом.

Как видно, методы визуализации мозга в наше время развиты, но не являются всесильными, упираясь в фундаментальные и технические ограничения. Но визуализация и диагностика мозга – это только половина интересных задач, стоящих перед исследователями. Есть еще коннектом мозга – картирование нейронных связей, и к этому также есть свои исследовательские и методические подходы.

Автор: @Vsevo10d
Источник: https://habr.com/