Нейровизуализация: слоеный пирог в черном ящике

Долгое время живой человеческий мозг оставался скрытым от глаз исследователя: о его состоянии приходилось судить по косвенным признакам (клинические проявления заболевания, электрическая активность). Исследовать мозг «наглядно» можно было только в результате посмертного вскрытия или на операционном столе после трепанации черепа. Такие условия значительно ограничивали изучение живого головного мозга, особенно всего, что было скрыто под извилинами коры больших полушарий. В решении этой проблемы на помощь пришли достижения физики и химии XX века.

Нейровизуализация —

совокупность методов, позволяющих бесконтактно получать детальные изображения структуры и картировать функции живых элементов нервной системы.

Первые атаки рентгеновскими лучами и ультразвуком отражены черепом

В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген на две недели заперся в своей лаборатории, чтобы описать свойства случайно обнаруженных им X-лучей, названных впоследствии рентгеновскими. Излучение сильно поглощалось костной тканью, и уже год спустя врачи использовали рентгенографию черепа для диагностики переломов, смещений и инородных тел. В 1901 году В. Рентген был удостоен Нобелевской премии по физике, а в 1918 — в России создана первая рентгенологическая клиника. Однако небольшая доля рентгеновских лучей, проходящих через кости черепа, плохо поглощается цереброспинальной жидкостью и мозговыми тканями (рис. 17А). Чтобы хоть что-то рассмотреть внутри черепа, необходимо было придать мозговым структурам контраст. В 1918–19 гг. американский нейрохирург Уолтер Денди предложил для этого воздушное контрастирование. Через иглу-проводник воздух вводили в пространство с цереброспинальной жидкостью, омывающей спинной и головной мозг (туда несложно и безопасно попасть с помощью прокола в поясничной области — эта процедура называется люмбальной пункцией). Воздух контрастировал мозговые желудочки (вентрикулография) и субарахноидальные пространства вокруг мозга (пневмоэнцефалография). Однако процедура неизбежно сопровождалась сильной головной болью, поэтому требовала выдержки не только от врача, но и от пациента. Тем не менее, десятилетиями только эти методы позволяли приблизиться к визуализации мозга — к счастью, сейчас они не используются.

Вентрикулография —

рентгенологический метод визуализации желудочков мозга путем их прямого заполнения контрастным веществом (воздухом или йодсодержащим препаратом) через прокол в черепе.

Пневмоэнцефалография —

рентгенологический метод визуализации всех ликворных пространств мозга (желудочков и субарахноидального пространства) с помощью введения воздуха через поясничный прокол (люмбальную пункцию).

Одни из первых рентгеновских снимков головы. Головной мозг не визуализируется из-за окружающих костных структур и цереброспинальной жидкости.

Американский нейрохирург Уолтер Денди (слева) предложил модифицировать рентгенографию головного мозга с помощью воздушного контрастирования. Воздух вводили в пространство с цереброспинальной жидкостью, омывающей спинной и головной мозг. Изменяя положение тела пациента, рентгенологи «перемещали» воздух внутри черепа, чтобы он контрастировал разные отделы мозговых желудочков (вентрикулография — в центре) и наружных субарахноидальных пространств вокруг головного мозга (пневмоэнцефалография — справа). Эти методы позволяли отследить блок движения цереброспинальной жидкости, крупные сдавления и смещения мозговых структур.

Метод церебральной ангиографии, разработанный португальским неврологом А. Э. Монишем (слева), основан на введении йодсодержащего контраста в артерии через катетер с последующим выполнением рентгеновского снимка. Современные снимки (справа) обладают повышенной точностью, в сравнении с первыми (в центре) из-за дополнительного цифрового вычитания бесконтрастного «фона». Сосудистые хирурги используют данный метод для диагностики сосудистых аневризм, мальформаций и тромбозов.

В 1927 году португальский невролог Антониу Эгаш Мониш предложил вводить йодсодержащее рентгеноконтрастное вещество в мозговые сосуды и разработал метод церебральной ангиографии, который до сих пор активно используют сосудистые нейрохирурги. Однако Нобелевскую премию Мониш получил не за этот метод, а за разработку лоботомии — запрещенного в настоящий момент метода отсечения трактов лобных долей от остальных частей мозга у душевнобольных пациентов, о котором мы еще поговорим в следующей главе.

Церебральная ангиография —

рентгенологический метод визуализации просвета сосудов головного мозга высокого разрешения путем введения в артерии контрастного вещества (йодсодержащего препарата). Почитайте также о создателе метода и его противоположных по пользе изобретениях: «Эгаш Мониш: премия за убийство Макмерфи».

Лоботомия —

запрещенный в настоящее время метод нейрохирургического вмешательства, при котором разрываются связи лобных долей больших полушарий с остальной частью головного мозга.

В 1942 году австрийский невролог Карл Теодор Дуссик предложил использовать ультразвук для диагностики заболеваний головного мозга — метод гиперфонографии (см. рис. 18А и врезку). На практике оказалось, что кости черепа плохо проницаемы для ультразвуковой волны, а потому метод не прижился.

Ультразвук в современной клинической практике

Удивительным образом, ультразвук вошел в практику в диагностике заболеваний мозга у новорожденных (нейросонография) начиная с 1980-х годов, когда появились компактные УЗИ-датчики — одновременно и источники, и приемники отраженного ультразвука. У младенцев в черепе есть естественное «окно» в виде родничка, через которое можно «подглядывать» за желудочками и основной тканью мозга, выявлять кровоизлияния, гидроцефалию, пороки развития коры, инсульты и менингиты.

Второе дыхание УЗИ-диагностике подарил эффект Доплера: по изменению частоты ультразвука, отраженного от движущегося объекта, можно определить его скорость и направление движения. В 1982 году норвежский исследователь Руне Ааслид предложил транскраниальную доплерографию (ТКД) — метод, который через относительно тонкие участки височных костей («акустические окна») измеряет скорость и направление кровотока в крупных внутричерепных артериях по доплеровскому сдвигу от движущихся эритроцитов. Этот метод стал незаменим в диагностике болезней сосудов головы и шеи, питающих головной мозг (спазм и расслоение стенок, закупорка просвета и перегибы).

Первые (и неудачные) попытки визуализировать головной мозг ультразвуком. Метод гиперфонографии К.Т. Дуссика (слева) был очень громоздким и неточным. На картинке в центре видно, как неудобно расположен пациент во время исследования. Источник ультразвука располагался с одной стороны головы, а приемник — с другой, чтобы по характеру прохождения и поглощения ультразвука аппарат формировал изображение. И в итоге можно было увидеть только нечеткие контуры мозга и мозговых желудочков (справа).

Ультразвуковая нейровизуализация нашла активное применение у самых маленьких пациентов — через роднички в черепе врачи могут безопасно и в динамике визуализировать состояние основных мозговых структур. Нейросонография дает ответ за считанные минуты, когда каждый час промедления грозит необратимым повреждением незрелого мозга.

Если у пациента есть истонченные участки височных костей (акустические окна), то на них можно приложить ультразвуковой датчик и оценить характер кровотока по мозговым сосудам с помощью эффекта Доплера: по изменению частоты отраженного ультразвука определяется скорость и направление тока крови.

Прорыв черепной обороны силами компьютерной и магнитно-резонансной томографии

Когда с момента открытия рентгеновских лучей прошло почти сто лет, кости черепа так и не позволяли ученым получить изображение живого головного мозга: приходилось по-прежнему рассчитывать на анатомические атласы, топическую диагностику и собственный клинический опыт. В 1967 году один из неврологов, удрученный таким положением дел, пожаловался в отпуске своему знакомому Годфри Хаунсфилду, инженеру британской звукозаписывающей компании. А тот придумал, что можно объединить сотни рентгеновских снимков в один объемный срез!

Компьютерная томография (КТ)

В 1972 году был получен первый цифровой срез живого головного мозга методом компьютерной томографии (КТ). Этот метод воплотился в реальность благодаря совместным усилиям Годфри Хаунсфилда и физика Аллана Кормака, которые учли при разработке прибора все предыдущие попытки ученых математически обосновать и экспериментально доказать возможность послойного построения трехмерного изображения тела и подсчета плотности тканей с помощью множества рентгеновских снимков, полученных под разными углами при вращении рентгеновской трубки вокруг тела пациента. Первые компьютерные томографы имели разрешение лишь 80⨉80 3-миллиметровых пикселей, а реконструкция одного изображения занимала 15 минут. Сейчас КТ-сканирование головного мозга с разрешением 512⨉512 пикселей занимает секунды. В 1979 году Хаунсфилд и Кормак стали нобелевскими лауреатами. Их разработка произвела фурор в медицинском сообществе.

Компьютерная томография —

метод бесконтактного послойного исследования любой области тела с использованием рентгеновского излучения и компьютерной обработки данных с формированием трехмерного изображения.

Разработка альтернативных проектов по формированию цифровых изображений продолжалась. Дело в том, что компьютерная томография, основанная на рентгене, дает потенциально вредную лучевую нагрузку, а КТ-изображения мягких тканей, в том числе мозговых, неконтрастны, а потому мелкие структуры (например, подкорковые ядра, элементы ствола головного мозга, микроинсульты, очаги рассеянного склероза и т.д.) изучать сложно.

Проект Г. Хаунсфилда (слева) по разработке КТ-прибора (справа) финансировался звукозаписывающей компанией EMI, которая много зарабатывала на пластинках группы «Битлз». Первый снимок КТ был получен 1 октября 1971 года у пациентки с подозрением на опухоль головного мозга (в центре). Прибору потребовалось 30 мин на сканирование и несколько часов на обработку изображения. На картинке справа можно заметить, что прибор изначально был разработан для сканирования головы — «экспансия» на другие части тела произошла позднее.

Современная компьютерная томография используется для сканирования любых участков тела. Сканирование головного мозга занимает секунды — это очень удобно использовать в экстренных ситуациях, чтобы увидеть скопления крови в черепе и своевременно эвакуировать их нейрохирургическим путем (слева). Высокая скорость КТ-сканирования достигается за счет мультиспиральной технологии (МСКТ), при которой рентгеновская трубка непрерывно вращается вокруг тела пациента (в центре), а множество детекторов одновременно фиксирует данные (справа).

Магнитно-резонансная томография (МРТ)

Очень скоро в визуализацию мозга вмешались химики. В 1973 году американский химик Пол Лотербур предложил использовать явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), активно применяемого в расшифровке химической структуры молекул, для построения цифровых изображений. Ряд ученых, в том числе отечественных, уже высказывали эту идею ранее, но по иронии судьбы им всем, включая Лютербура, не выделяли государственного финансирования на разработку прибора, настолько фантастически-невозможным казалось воплощение идеи. Однако Лотербуру удалось впервые получить на своем приборе ЯМР-изображения. Далее английский физик Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы преобразования ЯМР-спектров в цифровое изображение. Мэнсфилд «не пощадил живота своего» — за полчаса он просканировал на приборе свою брюшную полость, чтобы убедить всех, что его метод эффективен и безопасен. С 1982 г. началось коммерческое производство ЯМР-томографов. После аварии на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 г. ЯМР-томографы стали называть просто магнитно-резонансными томографами или МРТ, чтобы не пугать людей — ведь метод не дает лучевой нагрузки, в отличие от КТ. В 2003 году П. Лотербуру и П. Мэнсфилду была присуждена Нобелевская премия.

Ядерный-магнитный резонанс (ЯМР) —

физическое явление, при котором ядра атомов в сильном магнитном поле поглощают и излучают энергию на определенных частотах. Помимо нейровизуализации, ЯМР активно применяют для определения структуры биомолекул — подробнее об этом можно прочесть в статье «Структурная биология»  цикла «12 методов в картинках» и в заметке «Ядерный магнитный резонанс, или волшебная палочка для химиков и биологов». Также мы писали и о российских достижениях в этой области: «Сверхпроводящие магниты и рецепторы биомембран: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН».

Магнитно-резонансная томография (МРТ) —

метод бесконтактного послойного исследования любой области тела, основанный на регистрации электромагнитного сигнала от ядер водорода при их возбуждении радиочастотными импульсами в мощном постоянном магнитном поле.

Пол Лотербур (слева) — ученый, который, несмотря на все «житейские трудности», смог довести свой проект до практической реализации. У него были трудности с финансированием, ему приходилось работать по ночам, обработку ЯМР-изображений он проводил вручную, а его статью о ЯМР-изображении моллюска не приняли в журнал Nature с первого раза. Но в конечном итоге он получил Нобелевскую премию за разработку МРТ.

Благодаря Питеру Мэнсфилду (сверху справа) началось массовое производство МР-томографов — уже в 1980-х годах они появились в клиниках по всему миру. Одно из первых МР-изображений головного мозга представлено сверху слева. Мэнсфилд смог усовершенствовать идею Лотербура, сделав магнитное поле МР-томографа переменным — это повысило точность изображений и позволило сканировать сразу крупное человеческое тело целиком, да еще в трех проекциях (снизу).

С чистого энтузиазма нескольких людей начался новый виток развития нейротехнологий. МРТ как метод обеспечил не только качественную визуализацию живого головного мозга, но и оказался более многофункциональным, чем КТ. Картинка мягких тканей головного мозга получается невероятно четкой — мы видим структуру каждой извилины. Современные приборы позволяют получать тонкие цифровые срезы толщиной менее миллиметра на десятках специфических режимов, по уровню разрешающей способности приближающиеся к световой микроскопии! В совокупности с возможностью оценки химического состава среза по ЯМР-спектрам это позволяет оценивать микроструктуру мозговых тканей на самых ранних этапах заболеваний или в результате нейромодуляции и обучения, приближая современную нейровизуализацию к цифровой гистологии.

Тем не менее, компьютерная томография тоже не потеряла актуальности — она остается более быстрым (десятикратно) и доступным методом визуализации, позволяющим экстренно выявлять свежие очаги кровоизлияний, отложения кальция, эффективно оценивать плотность костных структур для планирования нейрохирургических операций, а также лучше визуализировать сеть мозговых сосудов с помощью йод-содержащего контраста из-за меньшей зависимости от артефактов (таких как движения пациента и турбулентный ток крови), по сравнению с МРТ.

Что могут нейротехнологии сегодня и как мы вообще дошли до этого дошли — в нашей новой статье!