Временное разрешение магнитной нейровизуализации увеличили до сотни миллисекунд

Американские радиологи предложили использовать для визуализации активности мозга магнитно-резонансную эластографию, которая показывает изменения в плотности мягких тканей. С помощью этого метода им удалось добиться визуализации активности мозга мышей в высоком временном разрешении (до 100 миллисекунд), что на несколько порядков превышает временное разрешение функциональной МРТ. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) — один из самых продвинутых методов нейровизуализации. Он основан на визуализации насыщенных оксигемоглобином отделов мозга, которые становятся видимыми при обработке за счет взаимодействия с магнитным полем сканера. Его основное достоинство — высокое пространственное разрешение: фМРТ позволяет визуализировать активные участки размером до одного кубического миллиметра, точно показывая, где именно происходит активность. При этом временное разрешение такого метода очень низкое, так как насыщение участков мозга оксигенированной кровью относительно активации их нейронов происходит достаточно медленно. Таким образом, фМРТ не дает точно визуализировать активность мозга, происходящую в течение нескольких миллисекунд; также визуализация с помощью этого метода требует повторения заданий по несколько десятков раз.

Способы увеличение временного разрешения фМРТ ученые ищут уже очень давно. Команда радиологов под руководством Сэмюэла Патца (Samuel Patz) из Гарвардской медицинской школы решила использовать для нейровизуализации не томографию, а эластографию — измерение механических свойств мягких тканей под воздействием магнитного поля. Магнитно-резонансная эластография в медицине применяется достаточно давно: пораженные некоторыми заболеваниями (например, злокачественными опухолями) ткани гораздо плотнее, чем ткани здоровые, и именно это и выдает их при обработке МРЭ-изображений.

Исследователи предположили, что изменение плотности тканей головного мозга также может отражать и активность соответствующих участков, причем делать это в гораздо большем временном разрешении относительно магнитного поля сканера, чем насыщение этих тканей оксигенированной кровью. Для того, чтобы это проверить, они провели эксперимент на мышах: животных под анестезией положили в миниатюрный сканер и стимулировали их лапки электричеством через иглы, вызывая ответное движение. Задача, таким образом, заключалась в том, чтобы визуализировать активность моторной коры, характерную для мышечной активности.

Использовав стимуляцию частотой 0,1 Герц, ученые заметили, что плотность тканей головного мозга заметно падает по сравнению с контрольным условием, в котором стимуляция не применялась: активность мозга, таким образом, в действительности отражается изменением механических свойств участков. Изменение плотности (оно было небольшим — около 10 процентов — но все равно заметным) ученые отметили в поясной и ретроспленальной коре — участках, которые примыкают к моторной коре и, по-видимому, также реагируют на внешний раздражитель. То же самое наблюдалось и при стимуляции в 1 Герц, а при стимуляции в 10 Герц ученые также заметили изменение плотности в области таламуса, который регулирует моторные и сенсорные ответы на ранних этапах. Относительно колебаний в секунду такая стимуляция показывает изменения, которые происходят в головном мозге за сто миллисекунд.

Пока что ученые не дают точного ответа на вопрос о том, почему происходит изменение плотности активных участков мозга вообще: одним из механизмов может быть изменение давления из-за притока калия из околоклеточных областей — процесс, который сопровождает изменение потенциала электрической активности нейронов. При этом получение такого высокого разрешения в дополнение к высокому пространственному разрешению, которое обеспечивает магнитная нейровизуализация, позволит значительно улучшить исследования с его использованием, а в скором времени авторы работы также надеются провести эксперименты с участием людей.

Другой метод нейровизуализации с большим пространственным и временным разрешением — магнитоэнцефалография, основанная на визуализации магнитных полей, возникающих вследствие электрической активности мозга. Год назад ученые представили прототип носимого магнитоэнцефалографа, который позволяет участнику эксперимента двигаться во время выполнения задания.

Елизавета Ивтушок