Сегодня мы продолжаем цикл статей о функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Напоминаю, что речь идет о популярном методе изучения мозговой активности, который активно используется не только биологами, но и психологами. Благодаря фМРТ за последнюю четверть века мы получили множество инсайтов о том, как работает наше мышление, речь, память, эмоции и многие другие когнитивные процессы. Огромное преимущество этого метода - он абсолютно безопасен для здоровых испытуемых, поскольку не требует никакого хирургического вмешательства.
Функциональная магнитно-резонансная томография появилась не так давно — в 90-х годах прошлого века. До этого момента нейроученые изгалялись как могли. В этой статье мы расскажем о том, какие методы использовались до изобретения фМРТ, и как какие исторические открытия поспособствовали ее появлению.
Примерно в 1880 году итальянский физиолог Анджело Моссо изобрел “баланс человеческого кровообращения”, первое устройство, измеряющее перераспределение крови в процессе выполнение разных мыслительных задач. Само устройство напоминало платформу в виде качелей, на которую ложился испытуемый, затем она уравновешивалась с помощью грузиков. Как только испытуемый начинал выполнять задачи, кровоток в голове увеличивался, и угол наклона платформы смещался. Это изменение угла наклона и пытался измерить Моссо.
Вскоре после этого в 1890 годах Рой и Шеррингтон провели серию экспериментов по изучению мозгового кровотока на собаках, кошках и кроликах. Они установили, что кровоток головного мозга менялся в ответ на различные раздражители, такие как стимуляция чувствительных нервов, асфиксия (расстройство дыхания из-за недостатка кислорода) и фармакологическое вмешательство.
Далее вплоть до 1945 года мозговой кровоток преимущественно изучался инвазивно (на открытом мозге) на пациентах, с повреждениями черепа, чему “благоприятствовали” богатые на кровопролития мировые войны.
В 1945 году Кети и Шмидт представили новый методологический подход, для измерения скорости кровотока в сосудах головного мозга. Выглядело это следующим образом: испытуемые вдыхали газовую смесь с 15% содержанием закиси азота, после чего сравнивали ее концентрацию в артериальной крови, взятой из сонной артерии, с концентрацией в венозной крови, взятой из яремной вены. Однако у этого метода было несколько ограничений, связанных с низким временным разрешением и невозможностью измерения регионарного мозгового кровотока.
Эти ограничения были преодолены в 1960-х годах, когда было разработано транскраниальное ультразвуковое доплеровское исследование (ультразвуковая допплерография). Этот метод активно использовался до 2010 года и позволил лучше понять факторы, не зависящие от местного метаболизма, которые участвуют в регулировании мозгового кровотока во время физической нагрузки. Однако было обнаружено, что ультразвуковая допплерография показывает неточные результаты в некоторых физиологических условиях.
Мы пропустили важное открытие Чарльза Кореля и Линуса Полинга в 1936 году, которое сыграло значительную роль в последующем создании функциональной магнитно-резонансной томографии. Суть открытия заключалась в том, что богатая кислородом кровь является диамагнетиком, иными словами слабо отталкивается магнитными полями, а вот кровь с низким содержанием кислорода - это парамагнетик, она притягивается магнитными полями, хотя не так сильно как ферромагнетик, такой как, например, железо.
И наконец мы подобрались к самому значимому для нейронауки открытию 20 века - изобретению магнитно-резонансной томографии (МРТ). Здесь все не так просто. Традиционно принято считать создателями МРТ Пола Лотербура и Питера Мэнсфилд, которые в 2003 году получили за это нобелевскую премию по физиологии и медицине. В 1973 году Пол Лотербур опубликовал статью в журнале Nature под названием “Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса”, именно этот год считается годом создания МРТ. Однако нобелевская премия обошла стороной Реймона Дамадьяна, который в сущности сделал первый МРТ-сканнер. Дамадьян создал его для выявления раковых опухолей и двумя годами ранее, чем Лотербур (в 1971 году) и опубликовал свою статью под названием «Обнаружение опухоли с помощью ядерного магнитного резонанса». Конечно, Дамадьян получил множество известных наград, однако несмотря на разгоревшийся скандал, нобелевскую премию ему так и не присудили. Тем не менее, Мэнсфилд и Лотербур внедрили нововведения, основанные на открытии именно Дамадьяна. Кстати первоначально МРТ называлась ЯМРТ (ядерно-магнитная резонансная томография), но слово "ядерный" решили опустить, чтобы избежать негативных ассоциаций, связанных с Чернобыльской катастрофой.
И наконец, появлением функциональной МРТ в 1990-х годах мы обязаны Сейджи Огаве и Кену Квонгу, которые объединили два предыдущих открытия. Огава обнаружил, что изменение магнитных свойств крови в зависимости от степени насыщения кислородом можно использовать для модификации МРТ. Его эксперименты на грызунах показали, что при изменении содержания кислорода контрастность изображений постепенно изменялась. Огава доказал, что оксигемоглобин и дезоксигемоглобин являются основными составляющими этой разницы. Это значит, что можно изучать не только структуру мозга, но и изменение его активности с помощью магнитно-резонансного томографа. Квонг стал первым, кто провел эксперименты с использованием фМРТ на людях. Он не только использовал предложенный Огава зависимый от уровня кислорода сигнал (известный сейчас как BOLD), но и создал основу для использования второго популярного метода, известного как маркировка спинов артериальной крови.
Так мы подошли к сегодняшнему дню, когда количество фМРТ исследований измеряется сотнями тысяч. Насколько мы можем доверять этому методу и какие у него недостатки? Это отдельная большая тема для дискуссий, мы к ней вернемся в следующих статьях.