Изнак_Современные методы нейровизуализации

Современные методы
нейровизуализации
профессор А.Ф. Изнак
Заведующий лабораторией нейрофизиологии
ФГБУ «Научный центр психического здоровья» РАМН
Нейровизуализация ─ это
комплекс современных методов
исследования головного мозга,
позволяющих в наглядной
графической форме отобразить
особенности его прижизненной
структуры и функционирования
Картирование локализации функций
в коре головного мозга
Френологическая
“карта мозга”
(Ф.Галль,1738)
Цитоархитектонические
поля коры
(Бродманн, 1954)
Структура синапсов на нейронах
коры головного мозга
Схема создана на основе изображений, получаемых
методом сканирующей электронной микроскопии
Рентгеновская компьютерная
томография (КТ)
Компьютерная томография (КТ) является методом структурной
нейровизуализации, то есть предоставляет детальную информацию
об особенностях (в том числе, нарушениях) структуры головного
мозга.
Метод КТ головного мозга основан на компьютерной реконструкции
изображения, получаемого при круговом просвечивании объекта
узким пучком рентгеновского излучения. При КТ используется
специальное рентгеновское оборудование для получения
изображений продольных и поперечных «срезов» головного
мозга ─ томограмм (толщиной 3–10 мм).
В некоторых случаях для улучшения визуализации поражений
головного мозга, связанных с нарушением гематоэнцефалического
барьера (недавний инсульт, растущие опухоли, инфекционные и
воспалительные процессы) при КТ применяют вводимые
внутривенно йод-содержащие рентгеноконтрастные препараты.
Рентгеновская компьютерная
томография (КТ)
Рентгеновский томограф «Siemens SOMATOM»
Рентгеновская компьютерная
томография (КТ)
Горизонтальные КТ- «срезы» головного мозга
(видно расширение боковых желудочков)
(данные НЦПЗ РАМН)
Рентгеновская компьютерная
томография (КТ)
Горизонтальные КТ- «срезы» головного мозга
(видна обширная менингиома левой височной доли)
(данные НЦПЗ РАМН)
Рентгеновская компьютерная
томография (КТ)
В психиатрической клинике наряду с визуализацией
атрофических
поражений
головного
мозга
при
«органических» психических расстройствах метод КТ
позволил
выявить
ряд
особенностей
структурных
нарушений
при
шизофрении
и
ряде
других
«функциональных» расстройств.
Например, у больных шизофренией часто выявляется
расширение боковых и третьего мозговых желудочков (что
сочетается с наличием «негативной» симптоматики и более
низкой
эффективностью
терапии
антипсихотиками),
наличие атрофии мозжечка, увеличение объёма или
частичная атрофия мозолистого тела, морфологическая
асимметрия головного мозга.
Магнитно-резонансная томография
(МРТ или ЯМР)
Магнитно-резонансная томография (МРТ) или ядерно-магнитнорезонансная (ЯМР) томография в настоящее время является
ведущим неинвазивным методом прижизненной визуализации
структуры головного мозга с использованием физического явления
ядерного магнитного резонанса.
Метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер ряда
атомов на их возбуждение внешним радиочастотным импульсным
магнитным полем с параметрами, вызывающими магнитный
резонанс. Ядра многих атомов, в частности, ядро атома водорода
(протон), обладают магнитным моментом — спином. При воздействии внешнего магнитного поля суммарное магнитное поле объекта,
создаваемое элементарными магнитами — протонами, изменяется, а
затем затухает вследствие переориентации спинов. Эти изменения
регистрируются специальными датчиками.
С помощью компьютерной обработки и графики картина распределения соответствующих ядер воспроизводится на «срезах» или в
объёме (3-D) головного мозга.
Магнитно-резонансная томография
(МРТ или ЯМР)
Наибольшая концентрация протонов
связана с водой (межклеточной
жидкостью) и с липидами, образующими миелиновые оболочки нервных
волокон. Поэтому метод МРТ чётко
разграничивает серое и белое
вещество головного мозга,
визуализирует пространства,
заполненные жидкостью (желудочки
головного мозга, отёки, кистозные
образования), позволяет диагностировать атрофические и демиелинизирующие процессы, новообразования.
Пространственное разрешение метода МРТ составляет 1–2 мм,
его можно повысить путём контрастирования внутривенным
введением препаратов гадолиния.
Магнитно-резонансная
спектроскопия
При использовании магнитов, создающих высокие
уровни напряжённости магнитного поля, ответный
сигнал можно подвергнуть спектральному анализу с
выделением составляющих, связанных с атомами не
только водорода, но и фосфора (например, для
изучения распределения метаболизма АТФ), углерода
и фтора.
Такая модификация метода МРТ позволяет
визуализировать не только морфологическую
структуру, но и получать картину распределения ряда
биологически активных соединений (холина, лактата,
глутамата, ГАМК и др.) в объёме мозга, то есть
осуществлять функциональную нейровизуализацию.
Протонная МР-спектроскопия
(ВОКСЕЛЬ ПОМЕЩЕН В ДЛПФК)
МРТ-изображение
МРТ-спектр
NAA - N-ацетиласпартат, Cr = Сr+PСr - креатин/фосфокреатин,
Cho = PСho+Cho - холинсодержащие соединения,
GLx = Gln+Glu - глутамин/глутамат
Синие столбики – данные, усредненные по группе больных шизофренией в ремиссии (n=16),
красные столбики – данные, усредненные по группе здоровых испытуемых (n=16)/
В данных выборках межгрупповые различия не достигли уровня статистической
значимости (совместное исследование НЦПЗ РАМН и НИИ НДХиТ, 2011).
Функциональная магни́тнорезонансная томография (фМРТ)
МРТ-изображение
Коэффициенты корреляции ЭЭГ и кровотока
Больные шизофренией (6 мужчин, 18-26 лет), обследованы на этапе
становления ремиссии и в ремиссии.
Активация головного мозга в ситуации направленного внимания (акцент по
правому полушарию) отражается в усилении мозгового кровотока и в
угнетении спектральной мощности альфа-ритма в центрально-теменных зонах
(с правополушарным акцентом)
(совместное исследование НЦПЗ РАМН и НИИ НДХиТ, 2010)
МРТ-ангиография
Метод основан на отличии МР-сигнала от крови (как подвижной
ткани) от сигналов окружающих неподвижных тканей,
что позволяет получать изображения сосудов
Диффузионная тензорная
визуализация (ДТВ)
ДТВ это вариант метода магнитно-резонансной
томографии, позволяющий оценить диффузию молекул
воды вдоль миелиновой оболочки аксонов нервных
клеток головного мозга и, таким образом, получить
информацию о сохранности структур белого вещества.
ДТВ как трехмерная волоконная трактография
представляет собой новую перспективную методику,
позволяющую визуализировать пучки нервных волокон,
соединяющие различные зоны головного мозга.
МР-трактография позволяет более точно локализовать
поражения функционально значимых проводящих путей
головного мозга.
Диффузионная тензорная
визуализация (ДТВ)
Методом ДТВ отображаются только проводящие пути
головного мозга
Позитронно-эмиссионная томография
(ПЭТ)
Позитронно-эмиссионая томография (или двухфотонная эмиссионая
томография) является высокотехнологичным методом функциональной
нейровизуализации.
Метод основан на детекции гамма-квантов (фотонов), возникающих при
аннигиляции позитрона. Позитроны образуются при бета-распаде
радиоактивного элемента, входящего в состав препарата (например,
фтор-дезоксиглюкозы) который вводится в организм человека перед
исследованием.
ПЭТ измеряет такие важные функции мозга как локальный кровоток,
насыщение кислородом и метаболизм глюкозы.
«Меченая» глюкоза поглощается клетками и накапливается в тех областях
головного мозга, где отмечается наибольшая активация нейронов и
усиление локального мозгового кровотока.
Пример ПЭТ-визуализации головного
мозга здорового человека
Позитронно-эмиссионная томография
(ПЭТ)
В психиатрии помимо F-18 фтор-дезоксиглюкозы
используются меченые C-11 или F-18
радиолиганды к рецепторам дофамина (D1 и D2),
к белку-транспортеру обратного захвата
дофамина, к рецепторам серотонина (5HT1A и
5HT2A) и транспортеру обратного захвата
серотонина, к опиоидным мю-рецепторам и к
ряду других биологически активных веществ.
С помощью ПЭТ-технологии выполнены
исследования на пациентах с шизофренией,
расстройствами настроения, наркоманиями и
другими психическими расстройствами.
A
C
B
D
Зоны повышенной активации метаболизма глюкозы (A,C,D) и
снижения локального мозгового кровотока (B) при большой
депрессии по сравнению с нормой
(по W.C.Drevets, 2000)
В настоящее время в наиболее оснащенных зарубежных
медицинских центрах большую часть ПЭТ исследований
выполняют на приборах, в которых в одном модуле
объединены ПЭТ и КТ или МРТ сканеры и оба вида
исследований выполняются одновременно. Комбинация
ПЭТ/КТ/МРТ сканеров позволяет получать изображения, на
которые точно определяется местоположение нарушений
метаболизма в организме.
ПЭТ/КТ/МРТ ─ гибридная технология, сочетающая функциональную и структурную нейровизуализацию. При этом КТ и
МРТ сканирования дают точное представление об
анатомических особенностях головного мозга, а ПЭТсканирование
обеспечивает
информацию
о
его
функционировании.
Комбинация
нескольких
методов
нейровизулизации
обеспечивает возможность более точной диагностики, чем
КТ, МРТ или ПЭТ исследования по отдельности.
Комбинация КТ, МРТ и ПЭТ
нейровизуализации
КТ
МРТ
ПЭТ
Компьютерная
электроэнцефалография
Метод основан на регистрации биоэлектрической активности
головного мозга с поверхности головы. Он является неинвазивным
и обладает очень высоким разрешением по времени (порядка десятка
миллисекунд), что позволяет отслеживать тонкие изменения
функционального состояния человека.
В настоящее время компьютерная ЭЭГ («картирование мозга»)
является наиболее доступным и широко распространенным
методом функциональной нейровизуализации.
Устройства для многоканальной
регистрации ЭЭГ
Характерная для нормы (правши с правым ведущим глазом) локализация
фокуса затылочного альфа-ритма в правом полушарии
Амплитудно-частотная и пространственная организация
фоновой ЭЭГ, характерная для одного из вариантов
депрессии
Пространственная организация
амплитудно-частотной структуры ЭЭГ,
типичная для неглубокой депрессии
Относительно большая активация правого полушария отражается
в смещении фокуса затылочного альфа-ритма в левое полушарие
Оценка внутримозговых
функциональных связей
Трехмерная (3-D) локализация
эквивалентных дипольных
источников
ЭЭГ-активности
Эпилептиформный разряд типа: пик-волна
Трехмерная локализация
эквивалентного дипольного источника разряда:
пик-волна
Ортогональные проекции
Фрагмент
ЭЭГ
Совмещение с МРТ изображением
Дипольная модель источника волны Р300
Трехмерная (3-D) локализация
эквивалентного дипольного источника волны Р300
Сравнение индивидуальных ЭЭГ
с нормативными базами данных
Сравнение усредненных
групповых ЭЭГ- данных
Топографические карты спектральной плотности ЭЭГ
у больных затяжной реактивной депрессией («реакция
тяжелой утраты») с разной синдромальной структурой
фокус затылочного альфа-ритма смещен в левое полушарие
Топографические карты спектральной мощности ЭЭГ, усредненные
по группам возрастной нормы и больных сенильной деменцией
Статистические различия спектральной мощности ЭЭГ
между подгруппами больных БА с преимущественным
нарушением функций лобных или других зон
головного мозга
Топографические карты статистических различий спектральной
мощности ЭЭГ между группами здоровых пожилых испытуемых и
больных с “мягкой” (MMSE=22-26) сенильной деменцией
Особенности ЭЭГ у детей
с синдромом Мартина-Белл
(умственная отсталость с ломкой Х-хромосомой)
по сравнению с нормой
t-критерий
Стьюдента
(со знаком)
Дельта
Тета
Бета-1
Бета-2
Альфа
При нарушении трансляции гена белка FMR1 достоверно (p<0.05)
снижена спектральная мощность альфа-активности
и увеличена спектральная мощность тета- и бета-2 активности
ЭЭГ-мониторинг
и прогноз эффективности
фармакотерапии
Фармакодинамика ЭЭГ под влиянием курсовой терапии
Глиатилином пациентов с“мягкой”и“умеренной”деменцией
(по Жигульская С.Е., КолыхаловИ.В., Пивоварова Н.В., 1999)
Изменения спектральной мощности ЭЭГ
у пожилых пациентов с эндогенной депрессией
в процессе терапии
мкВ2
2-4 Гц
4-6 Гц
6-8 Гц
8-9 Гц
2-4 Гц
4-6 Гц
6-8 Гц
8-9 Гц
9-11 Гц
11-13 Гц
13-18 Гц
18-30 Гц
9-11 Гц
11-13 Гц
13-18 Гц
18-30 Гц
в начале курса терапии
(ср. HDRS-17 = 24.1 балла,
ср. MMSE = 26.7 балла)
на 28-й день терапии
(ср. HDRS-17 = 7.1 балла,
ср. MMSE = 28.2 балла)
(по Изнак А.Ф. и др., 2011)
пиковая
латентность
Ранние (коротколатентные) компоненты Р1 и N1 отражают обработку
физических параметров стимула.
Поздние (длиннолатентные) компоненты Р2, N2 и Р3 связаны с когнитивными
процессами памяти, внимания, принятия решения.
Уменьшение пиковой латентности длиннолатентных компонентов
соответствует улучшению и ускорению когнитивных процессов.
Изменение пиковых латентных периодов
«поздних» компонентов
слуховых когнитивных вызванных потенциалов
в динамике терапии
Параметры
вызванных
потенциалов
мс
500
ЛП P2
уменьшение
на 15 мс p<0.05
ЛП N2
уменьшение
на 32 мс p<0.01
ЛП P3
уменьшение
на 42 мс p<0.01
390
400
348
304
300
232
271
217
200
100
0
Изменение ЛП
на 28-й день терапии
До начала
терапии
На 28-й день
терапии
ЛП P2 (p < 0.05)
ЛП N2 (p < 0.01)
ЛП P3 (p < 0.01)
Достоверность различий средних
оценивалась по W-критерию Уилкоксона
(по Изнак А.Ф. и др., 2011)
Появление в ЭЭГ затылочного альфа-ритма
после курса терапии луцетамом
(б-ная Л. 18 лет, с положительным эффектом терапии)
Увеличение спектральной мощности
затылочного альфа-ритма
после курса терапии церебролизином
(б-ной Н. 17 лет, с положительным эффектом терапии)
Краткосрочный прогноз эффективности
терапии
На картах приведены значения коэффициентов корреляции между
спектральной мощностью ЭЭГ до начала терапии и тяжестью
депрессии (по шкале Гамильтона) через 28 дней терапии
Магнитоэнцефалография (МЭГ)
Магнитоэнцефалография (МЭГ) — регистрация магнитной
составляющей электромагнитного поля головного мозга.
Метод возник в связи с успехами физики низких температур и
сверхчувствительной магнитометрии. МЭГ — не только
неинвазивный, но даже бесконтактный метод исследования
функционального состояния мозга. Его физическая сущность
заключается в регистрации сверхслабых магнитных полей,
возникающих в результате протекания в головном мозге
электрических токов.
Основной датчик — индукционная катушка, помещённая в сосуд с
жидким гелием для придания ей сверхпроводящих свойств. Её
располагают параллельно поверхности головы на расстоянии до
1 см. Датчик регистрирует слабые индукционные токи, возникающие
в катушке под влиянием магнитных полей, силовые линии которых
выходят радиально (перпендикулярно поверхности головы),
обусловленных протеканием внеклеточных токов параллельно
поверхности головы.
Магнитоэнцефалография (МЭГ)
Сигнал МЭГ
магнитные силовые
линии
Сверхпроводящая
катушка
поверхность
головы
Магнитоэнцефалография (МЭГ)
Принципиальное отличие магнитного поля головного мозга
от электрического поля состоит в том, что череп и мозговые
оболочки практически не оказывают влияния на его величину.
Это позволяет регистрировать активность не только наиболее
поверхностно расположенных корковых структур (как в
случае ЭЭГ), но и глубоких отделов головного мозга с
достаточно высоким отношением сигнал/шум.
По этой причине МЭГ особенно эффективна для точного
определения внутримозговой локализации эпилептических
очагов, а также генераторов различных компонентов
вызванных потенциалов и ритмов ЭЭГ.
Визуализация
нейропсихологических
данных
Другие методы нейровизуализации
Реоэнцефалография
Электро-импедансная томография
Эхоэнцефалография (ультразвуковая)
Термоэнцефалоскопия (инфракрасная)
Люминесцентная нейровизуализация
(в том числе, экспрессии генов)