Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе - Александр Иванович Волошин

и хранения информации в нервной ткани.

Магнитоэнцефалография (МЭГ)

Появившиеся в последние десятилетия современные методы отображения гемодинамических процессов, такие как, функциональная магниторезонансная томография (фМРТ) или позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), позволяют получить точную (до нескольких миллиметров) пространственную локализацию активности участков мозга. Однако их временное разрешение (единицы секунд) на несколько порядков ниже скорости реально протекающих нейронных процессов. В отличие от метода фМРТ, в котором активность нейронов оценивается опосредованно, т. е. по изменению локального кровотока за счёт определения разницы в насыщении крови кислородом (так называемого Blood Oxygen Level Dependent, или BOLD signal), МЭГ способна почти мгновенно обнаруживать источники, связанные с изменением суммарной постсинаптической активности нейронов.

Лишь технологии ЭЭГ и МЭГ, обладающие возможностью непосредственной регистрации электрической нейронной активности, могут обеспечить получение точной временной информации о мозговых процессах неинвазивным путём. ЭЭГ и МЭГ фиксируют, соответственно, электрические и магнитные поля, порождаемые согласованной активностью групп нейронов мозга.

МЭГ – одна из современных технологий нейроимиджинга. Данный метод обладает уникальными характеристиками, позволяющими с высокой точностью локализовать источники активности нейронных популяций коры головного мозга человека в пространстве и времени.

История

Отцом МЭГ общепризнан канадский учёный Дэвид Коэн и, хотя изначально до 1965 года, он был физиком-ускорителем в Аргоннской лаборатории, специализируясь на сильных магнитных полях и использовании мощной ядерной защиты именно он сделал многие из первых новаторских измерений в области магнитных полей, создаваемых органами человека: сердцем, лёгкими и, наконец, мозгом).

На каком-то этапе своей карьеры он заинтересовался измерением очень слабых магнитных полей, которые, например, могли бы создаваться слабыми естественными токами в человеческом теле. Для исследования в качестве детектора он применил гигантскую медную индукционную катушку с миллионами витков провода.

Основной проблемой биомагнетизма оказалась слабость сигнала по сравнению с чувствительностью детекторов и конкурирующим шумом окружающей среды.

В 1963 году Коэн предложил метод использования специального помещения с магнитной защитой для исключения влияния внешних магнитных возмущений, например, магнитного поля Земли и излучений промышленных объектов.

Примерно в то же время появились сообщения о первом «биомагнитном измерении сердечных токов» (магнитокардиограммы).

Рисунок 24 Экранированная комната

В период с 1963 по 1975 год производились многочисленные измерения электрических свойств сердца человека. Существовало процветающее сообщество, изучающее электрическое поле сердца (ЭКГ), так что первые магнитные измерения (магнитокардиограммы), полученные Баулем и МакФи, считались любопытным побочным эффектом процветающей ЭКГ. Считалось что в магнитном поле сердца не может быть новой информации.

Все эти ранние биомагнитные измерения, как правило, были слишком «зашумлёнными», по причине низкой чувствительности детекторов, и неполного магнитного экранирования.

Для решения второй проблемы в 1969 году Коэн построил тщательно экранированную комнату в Массачусетском технологическом институте. Но ему все ещё требовался более чувствительный детектор.

К счастью, Джеймс Циммерман (1923—1989) только что разработал чрезвычайно чувствительный детектор, названный SQUID – сверхпроводящее устройство квантовой интерференции.

Коэн и Циммерман установили этот детектор в экранированной комнате, чтобы исследовать магнитные поля сердца (MCG). Теперь сигналы были почти такими же разборчивыми, как и сигналы ЭЭГ. Это стимулировало интерес физиков, которые искали возможности использования СКВИДов. После этого начали измеряться различные типы спонтанных и вызванных биомагнитных излучений. Так открылась новая эра в биомагнетизме.

Сам Дэвид Коэн утверждал, что ему удалось обнаружить биомагнитные излучения не только отдельных органов, но и «постоянное магнитное поле человека». Интересен и тот факт, что, заставив «тихую комнату» вибрировать с частотой 60 Гц, ему удалось значительно повысить её эффективность в защите от внешних магнитных полей.

Сначала с помощью одного СКВИД-детектора последовательно измеряли магнитные поля перемещая его вокруг головы испытуемого. Это было громоздко и неудобно, поэтому в 1980-х производители МЭГ стали объединять датчики в массивы, покрывающие большую площадь головы. Современные массивы МЭГ устанавливаются в шлемообразной форме, и обычно содержат 306 датчиков, погруженных в термос с жидким гелием при температуре около -269° С.

Сегодня большинство биомагнитных измерений применяется к человеческому мозгу. Обычные амплитуды магнитных полей, создаваемых мозгом, чрезвычайно малы, они не превышают нескольких сотен фемтотесла (10 —15 Тл). Для сравнения, магнитное поле Земли составляет от 10 -4 до 10 -5 Тл, а магнитно-резонансная томография обычно составляет 1,5—3 Тл.

Модель современного помещения с магнитным экраном состоит из трёх вложенных основных слоёв: из чистого алюминия с высокой проницаемостью, ферромагнитного слоя, близкого по составу к молибдену и пермаллоя.

МЭГ регистрирует магнитные поля, создаваемые электрическими токами в головном мозге. Электрический ток всегда связан с магнитным полем, перпендикулярен его направлению согласно правилу правой руки (о том какие токи протекают в нервных клетках мы поговорим позже).

Магнитная проницаемость биологических тканей почти такая же, как у пустого пространства, поэтому магнитное поле не искажается скальпом или черепом. Однако магнитные поля быстро уменьшаются – обратно пропорционально кубу расстояния (как 1 / r 3).

Когда нейроны активируются синхронно, они генерируют электрические токи и, следовательно, магнитные поля, которые затем регистрируются МЭГ вне головы.

Считается что, источником магнитных полей является дендритный ток пирамидных нейронов, которые срабатывают синхронно и параллельно. Аксональные и синаптические токи и их магнитные поля взаимно компенсируются.

Для генерации измеримого сигнала необходимо около 50 000 активных нейронов. Поскольку токовые диполи должны иметь одинаковую ориентацию для создания магнитных полей, усиливающих друг друга, часто это слой пирамидных клеток, которые расположены перпендикулярно поверхности коры головного мозга, что создаёт детектируемые магнитные поля. Связки этих нейронов, ориентированных тангенциально к поверхности кожи головы, проецируют достаточно сильные магнитные поля способные выходить за пределы головы.

Объяснение возникновения магнитных полей, как и электрических в случае ЭЭГ, не слишком вразумительны, но приходится радоваться тому факту, что они реально существуют.

Рисунок 25 Первое измерение МЭГ с помощью SQUID в комнате доктора Коэн

Но современное представление результатов МЭГ это визуализация зон активности групп нейронов на 3D-модели мозга.

Рисунок 26. 3D-модели мозга

При анализе данных МЭГ возникает проблема решения так называемой обратной задачи, которая состоит в восстановлении распределения активности нейронных источников на поверхности коры головного мозга на основе сигналов, принятых большим количеством датчиков. Решение этой задачи по определению некорректно, поскольку любая поверхностная запись может объясняться бесконечным числом различных конфигураций внутренних источников.

Но активно развиваются методы на основе различных вариантов, сканирующих адаптивных фокусирующих лучей, позволяющие достичь пространственного разрешения до 0,5 см. (Напомню, что Уильям Пенфилд, проверяя реакцию нервной системы на открытом мозге, выделял участки с точностью до 1 мм2, т.е. в 5 раз точнее. Но в отличие от экспериментов Пенфилда учёные впервые получили возможность наблюдать реакцию участков мозга на внешние раздражения и мысленные образы.)

Сейчас исследователи работают над совершенствованием методов обработки сигнала в поисках возможности обнаружения глубокой мозговой (то есть некортикальный) активности, однако пока нет клинически полезного результата.

Дальнейшее развитие метода, вероятно, будет направлено и на разработку новых математических алгоритмов обработки сигнала.

Последние разработки в области аппаратного совершенствования нацелены на повышение портативности сканеров MEG за счёт использования SERF-магнитометров. Магнитометры SERF достаточно малы, при этом им не нужны громоздкие системы охлаждения. В то же время их чувствительность, эквивалентна СКВИДам.

ПЭТ

Позитро́нно-эмиссио́нная томогра́фия (позитронная эмиссионная томография, она же двухфотонная эмиссионная томография) – радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного. ПЭТ также называют функциональной томографией.

Метод основан на регистрации пары γ-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов с электронами.

По сути, ПЭТ-сканер представляет собой трёхмерный детектор γ-частиц, вылетающих из тела пациента. Ключевой компонент метода – радиофармпрепарат – вещество содержащее изотоп, способный к позитронному β-распаду. Кроме того, это вещество-метаболит, должно быть способно к накоплению в исследуемой ткани.