Премия «Вызов» за изучение активности мозга
Вчера вечером в торжественной обстановке в Манеже были награждены лауреаты второго сезона национальной премии «Вызов», которая вручается «в области будущих технологий». В этом году премия присуждается сразу в пяти номинациях – к «Ученому года», «Инженерному решению», «Прорыву» и «Перспективе» добавилась номинация «Discovery» — «Открытие», которая присуждается иностранному исследователю. В этом году три из пяти премий имеют отношение к нейронаукам и неврологии. Член научного комитета премии и главный редактор нашего портала Алексей Паевский рассказывает о нейролауреатах «Вызова-2024», и первый наш рассказ – о Никосе Логотетисе, греческом исследователе, который сейчас работает в Международном центре исследований мозга приматов (ICPBR) в Китае. Премия вручена «за основополагающий вклад в создание метода функциональной магнито-резонансной томографии и введение его в повседневную научную и клиническую практику для исследования активности мозга человека».
Фото: фонд Вызов
Понять, как работает мозг человека (да и мозг вообще), человечество пыталось давно. Мы писали о пионерских исследованиях Ричарда Катона, Адольфа Бека и Владимира Правдич-Неминского по исследованию активности мозга животных. Эти исследования в итоге привели к первым записям электроэнцефалографии человека Гансом Бергером в 1920-х годах.
Параллельно исследователи пытались увидеть мозг, не вскрывая черепа. Уже в 1900-1910 годах появились первые рентгенологические методы – такие, как весьма опасная пневмоэнцефалография, при которой рентген делался с замещением спинномозговой жидкости на воздух.
Начало МРТ
«Золотым десятилетием» прорыва неинвазивных исследований мозга стали 1970-е, в которые появились и вошли в клиническую практику все три основных метода томографии – компьютерная томография, позитронно-эмиссионная томография и магнитно-резонансная томография, основанные на совершенно разных физических принципах.
КТ основано на старом добром рентгене, ПЭТ – на распаде введенных в мозг радиоактивных ядер и аннигиляции позитрона и электрона, а МРТ – на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР), открытого физиком Исидором Айзеком Раби в 1930-х годах, который изобрел способ измерения магнитных свойств ядер натрия. ЯМР возникает, если поместить ядра атомов с собственной ненулевой магнитной полярностью (спином) в сильное магнитное поле. Там ядра с прежде хаотичными спинами ориентируют все свои магнитные моменты в одном направлении, что формирует их собственное суммарное магнитное поле. Спины могут быть как сонаправлены внешнему магнитному полю, так и разнонаправлены с ним. При изменении ориентации спина вещество начинает поглощать или излучать электромагнитную энергию. Этот эффект фиксируют специальные физические приборы.
В 1940-х годах физики Феликс Блох и Эдвард Перселл, работая независимо друг от друга, изучали атомные и молекулярные магнитно-резонансные свойства твердых тел и жидкостей. Их исследования впоследствии позволили сканерам МРТ использовать воду в организме для получения магнитно-резонансных изображений. Вода есть во всех тканях человеческого тела. К тому же она химический диполь и содержит атомы водорода, также с ненулевым спином. Поэтому современные МРТ-аппараты в основном ориентируются на электромагнитные изменения атомов водорода. В 1952 году Блох и Перселл удостоились Нобелевской премии за свое открытие.
В 1969 году доктор Рэймонд Дамадьян выдвинул гипотезу, что по магнитному резонансу можно различать типы тканей в организме. На практике он подтвердил, что разные типы тканей излучают сигнал разной длительности после магнитного воздействия и, пользуясь этим, можно построить электромагнитное изображение. В 1972 году Дамадьян подал патент на применение технологии МРТ в медицине, а в 1974-м спроектировал первый МРТ-аппарат для всего тела. 3 июля 1977 года ему удалось правильно обработать сигнал магнитного резонанса и получить первое ЯМР-изображение человеческого тела — поперечное сечение грудной клетки его аспиранта-ассистента Ларри Минкоффа. Однако Нобелевскую премию за изобретение метода магнитно-резонансной томографии в 2003 году получил не Дамадьян, а Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур, так как их подход применения градиентного поля в МРТ оказался более эффективен на практике.
А вот дальше в игру вступил наш герой. Но сначала – еще несколько исторических фактов.
BOLD
Еще в 1890 году Чарльз Рой и Чарльз Шеррингтон экспериментально выявили, что при активации мыслительных процессов в задействованных частях мозга усиливается кровоток. А в 1936 году Лайнус Полинг и Чарльз Кориелл нашли связь между насыщением крови кислородом и ее магнитными свойствами.
Примерно через две секунды после того, как группа нейронов начинает проводить потенциал действия, к этому участку мозга приливает кровь, богатая кислородом (оксигенированная), вытесняя обедненную (дезоксигенированную). Через 4–6 секунд это событие достигает пика и идет на спад. Локализуется приток крови в 2–3 миллиметрах от возбужденной группы нейронов.
Кислород в крови переносит молекула железосодержащего белка гемоглобина в красных кровяных клетках — эритроцитах. В одной молекуле гемоглобина расположено четыре атома железа. Благодаря ему гемоглобин переносит на себе четыре молекулы кислорода. Когда этот кислород уходит в ткани головного мозга, оксигенированный гемоглобин теряет молекулу кислорода и превращается в дезоксигемоглобин. При этом на каждом атоме железа образуется неспаренный электрон, за счет чего молекула деоксигенированного гемоглобина становится парамагнитной, то есть начинает намагничиваться по направлению внешнего магнитного поля.
Оксигемоглобин и дезоксигемоглобин. Источник: https://mriquestions.com/bold-contrast
Намагничиваясь, парамагнитный дезоксигемоглобин создает локальные искажения магнитного поля внутри и вокруг сосуда. Он также влияет на протоны в молекулах воды в сосудах и вокруг них. Близлежащие неподвижные или медленно движущиеся спины оказываются с разными резонансными частотами и фазовыми сдвигами. Локальные времена релаксации возбужденных протонов уменьшаются. Дезоксигемоглобин — парамагнетик, и он создает возмущения и неоднородности в магнитном поле. Эти возмущения выглядят как ослабление резонансного сигнала и потемнение области, где расположены сосуды с накопившимся дезоксигемоглобином. В итоге сигнал областей мозга с большим количеством оксигемоглобина ярче, чем те, что содержат дезоксигемоглобин, — они темнее.
Парамагнитный дезоксигемоглобин в эритроцитах вызывает локальное искажение поля внутри и вокруг сосуда. Источник: https://mriquestions.com/bold-contrast
Сложить факты воедино удалось японскому ученому Сэйдзи Огаве в 1990 году. Так на свет появилась технология функциональной МРТ (фМРТ). Огава и его коллеги хотели показать, что изменения кровотока связаны с функциональной активностью мозга. Для этого ученые сканировали крыс в МРТ с сильным магнитным полем до 7 тесла и параллельно отслеживали активность их мозга на ЭЭГ. Исследователи меняли состав воздуха, которым дышат грызуны. По мере того как концентрация кислорода в воздухе падала, на МРТ проявлялась карта мозгового кровотока. Темные контрастные полосы у крыс с гипоксией свидетельствовали о сосудах с накопившимся дезоксигемоглобином. Метод назвали BOLD (Blood Oxygen Level Dependent, или BOLD-сигнал). На людях эту технику впервые опробовал Кеннет Квонг с коллегами в 1992 году.
Таким образом, метод позволил опосредованно отслеживать локальную активность нейронов в головном мозге, основываясь на их потребности в кислороде. Изменение сигнала магнитного резонанса от нейронной активности называется гемодинамическим ответом (HR). Он отстает от нейронных событий на пару секунд, так как сосудистой системе требуется время, чтобы отреагировать на потребность нейронов в кислороде и глюкозе. В сигнале выделяют пространственное разрешение, которое выражается в вокселях — трехмерных прямоугольных кубоидах, в которых хорошо различается положение сигнала ближайших ядер. А под временным разрешением понимают наименьший период нейронной активности, надежно фиксируемый фМРТ.
Вклад Никоса Логотетиса
Детали связи BOLD-сигнала с когнитивной активностью мозга установил ученый из Международного центра исследований мозга приматов в Шанхае Никос Логотетис. В широко цитируемой работе 2001 года в журнале Nature Логотетис описал свое исследование зрительной коры мозга обезьян. Ученый первым объединил методику фМРТ с функциональной электрофизиологией, которая записывает электрические потенциалы в мозге обезьяны во время его работы. Запись велась с помощью специальных платино-иридиевых микроэлектродов со стеклянным покрытием. Исследование включало 29 комбинированных экспериментальных сеансов электрофизиологической фМРТ на десяти здоровых макаках.
Чтобы вызвать зрительные ответы коры головного мозга обезьяны, ученые использовали шахматные узоры. Картинки вращались со скоростью 60–180 градусов в секунду. Направление меняли каждую секунду, чтобы животные не успевали адаптироваться к зрительному возбуждению. Детектировали возбуждение электродами, параллельно просматривая информацию BOLD-сигнала в МРТ-срезе участка мозга, куда был имплантирован конкретный электрод. Ученый с коллегами подобрал режим МРТ-сканирования, который нивелировал помехи от градиентного магнитного поля.
Данные сравнивали с показателями контрольных животных в состоянии покоя, чей мозг не возбуждали визуальными стимулами, чтобы четко локализовать зоны, ответственные за восприятие и обработку зрительной информации. Другая контрольная группа была под наркозом, но все равно получала зрительную стимуляцию через открытые веки. Таким образом ученые смогли понять, в чем состоит особенность ответов нейронов в зрительной области, когда животное сознательно воспринимает и обрабатывает стимул.
Логотетис записывал возбуждение нейронных кластеров, суммарное возбуждение нескольких популяций нейронов, а также электрические спайки отдельных нейронов. Затем пытался соотнести показания фМРТ с фактической нейрональной активностью. Показания BOLD-сигнала в основном коррелировали с градуальными изменениями потенциалов нейронов (локальных потенциалов), а не с нейрональными спайками.
Ученый и его коллеги также разработали специальные контрастные растворы, которые позволяют отслеживать с помощью МРТ внеклеточные перемещения ионов кальция в мозге. Для этого они связали хелатированные атомы металла гадолиния (стандартного контраста) с модифицированным фрагментом ЭГТА — молекулы, связывающей бивалентные ионы кальция. Ведь нейроны общаются с сосудами мозга через нейромедиатор глутамат. Тот влияет на ближайшие поддерживающие клетки — астроциты, вызывая в них изменение концентрации ионов кальция. Кальций помогает высвободить монооксид азота в точке контакта астроцита и кровеносных сосудов среднего размера — артериол. Монооксид азота является сосудорасширяющим агентом, который заставляет артериолы расширяться и подавать больше крови, богатой кислородом и глюкозой.
Дальнейшие работы Логотетиса посвящены созданию мультимодального метода фМРТ с вызванными фМРТ-ответами (Neural-Event-Triggered (NET) fMRI). Метод позволяет детальнее изучать активность в мозге. Например, нейрональные сети, вовлеченные в консолидацию памяти — процесс запоминания памятийных слепков и образов и их перевод в долговременную память.
Никос Логотетис (Nikos Logothetis) родился в 1950 году, учился в Афинском университете и Университете Салоник. Защитил диссертацию по человеческой нейробиологии в Мюнхенском университете имени Людвига-Максимилиана. Занимался исследовательской работой на кафедре мозга и когнитивных наук в Массачусетском технологическом институте, в Колледже медицины Бэйлор. Сейчас — директор Международного центра исследований мозга приматов в Шанхае (Китай), почетный директор Института биологической кибернетики Общества Макса Планка в Тюбингене (Германия). Лауреат премии Alden Spencer Award (2008), Лауреат Zülch-Prize for Neuroscience (2007), Лауреат премии Луи Жанте по медицине (2003).
Текст: Алексей Паевский, фонд «Вызов»