ЛАУРЕАТ В НОМИНАЦИИ «DISCOVERY/ОТКРЫТИЕ»

Мозг человека содержит более 80 миллиардов нейронов, объединенных в функциональные кластеры. Чтобы понимать, как мозг обрабатывает информацию, необходимо знать, какие кластеры активизируются, а какие подавляются при решении тех или иных задач. Заглянуть в мозг можно инвазивно, внедрив электроды прямо в мозг, и неинвазивно — например, с помощью электроэнцефалографа, который считывает электрические потенциалы мозга датчиками, расположенными на коже головы.

Инвазивные методы обеспечивают более точную картину активности, но они требуют хирургического вмешательства, которое нельзя провести без медицинских показаний. Кроме того, у врачей и ученых пока нет стопроцентно биосовместимых материалов, и внедренные электроды постепенно теряют функциональность и перестают работать.

Неинвазивные методы, в том числе электроэнцефалография, обладают довольно низким пространственным разрешением. Они считывают сигнал лишь с поверхностных областей коры головного мозга и не позволяют определить источник сигнала в его глубинных структурах.

Поэтому ученые задумались, можно ли решить обе проблемы с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). В одном из режимов МРТ может измерять колебания уровня кислорода в крови (Blood Oxygen Level Dependent, или BOLD-сигнал), который отражает уровень кровотока в различных областях мозга. Активным нейронам нужно больше энергии, поэтому у них возрастает потребность в глюкозе и кислороде, которые поступают через кровеносные сосуды и влияют на концентрацию парамагнитного дезоксигемоглобина. Он, в свою очередь, изменяет локальное магнитное поле, и это фиксирует томограф.

Впервые BOLD-сигнал описал в 1990 году Сэйдзи Огава. Однако оставалось неочевидным, что изменения BOLD-сигнала связаны именно с нейрональной активностью.

Никос Логотетис и его коллеги в одной из своих наиболее цитируемых работ в журнале Nature в 2001 году впервые систематически описали связь между сигналом BOLD и различными формами нейронной активности.

Логотетис показал, что сигнал BOLD фиксирует не конкретные электрические импульсы нейронов — спайки (от слова spike — «всплеск»), а совокупную нейронную активность по обработке поступающей в них информации. При этом повышение кровоснабжения и доставка кислорода в активную область мозга может косвенно влиять на способность нейронов генерировать спайки. Раскрытие этой связи улучшило интерпретацию нейрофизиологических процессов, диагностику заболеваний и проектирование интерфейсов «мозг — компьютер».

В целом фМРТ обладает высоким пространственным разрешением и позволяет точно локализовать активность в определенных областях мозга. Метод применяется при исследовании когнитивных функций, для диагностики нейродегенеративных заболеваний, картирования мозга. Но и этот метод имеет ограничения — довольно сильное зашумление и задержку показаний, так как нейронная активность изменяется значительно быстрее, чем скорость кровотока. Поэтому современные исследователи часто комбинируют фМРТ с другими неинвазивными методами.

Логотетис разработал и внедрил методы, которые позволяют сочетать довольно «неповоротливые» данные фМРТ с высоким временным разрешением электрофизиологических и нейрохимических записей. В своих исследованиях он соединил фМРТ с электроэнцефалографией, разработал комбинированный метод NET-фМРТ (Neural Event-Triggered fMRI) для количественного описания механизмов, связывающих нейронные процессы и гемодинамические отклики. Применение комбинированных методов создает «мост» между экспериментальными данными, полученными на животных, и клиническими исследованиями мозга человека.

Также Логотетис улучшил пространственное разрешение фМРТ, объединив ее с микроскопической эндоскопической кальциевой визуализацией, чтобы регистрировать активность больших популяций нейронов на уровне клеток. 

Таким образом с фМРТ можно изучать сложные когнитивные процессы, включая многозначное восприятие и нейронные механизмы памяти. Ученый первым представил доказательства того, что нейроны височной зрительной коры демонстрируют объектную специфичность, то есть избирательно реагируют на определенные визуальные объекты. Эти нейроны участвуют в процессе распознавания объектов, связывая визуальные стимулы с их значением или категорией.

Заглянуть в мозг

Премия «Вызов» в номинации «Открытие» присуждена Никосу Логотетису из Международного центра по изучению мозга приматов (Китай) за основополагающий вклад в создание метода функциональной магнитно-резонансной томографии и введение его в повседневную научную и клиническую практику для исследования активности мозга человека.

Нервная система, включающая головной мозг, спинной мозг и периферию, активно использует электричество для передачи и обработки информации. Нейроны создают разницы потенциалов между внешней и внутренней сторонами клеточных мембран, и эти потенциалы также меняются под действием синаптических входов. Мембранный потенциал создается и меняется за счет прохождения положительных и отрицательных ионов через ионные каналы, встроенные в мембрану. Когда мембранный потенциал нейрона достигает критической отметки, нейрон генерирует потенциал действия, который затем бежит по аксону — отростку нейрона. Потенциал действия в нейроне и аксоне срабатывает по принципу «всё или ничего», то есть либо есть разряд, либо его нет, но могут быть градуальные изменения потенциала до того, как потенциал действия возник. Сообщение между нейронами осуществляется веществами-нейромедиаторами, которые выделяются в синаптической щели — контакте между двумя нейрональными клетками. Нейромедиаторы могут быть как «тормозящими», так и «возбуждающими», что позволяет нервной системе регулировать уровень своей активности и осуществлять нейрональные вычисления.

Тысячи таких электрических импульсов возникают и гаснут в разных частях головного мозга — сверхсложной биологической структуре из миллиардов нейронов, формирующих кластеры. Но вот вопрос: какие из них вовлекаются в те или иные процессы? Чем отличается работа здорового мозга от патологии? Какова нейробиологическая природа мышления? Как происходит обучение и запоминание информации на нейрональном уровне?

Одной из первых попыток ответить на эти вопросы стало создание электроэнцефалографии (ЭЭГ), которая впервые была применена к человеку немецким психиатром Гансом Бергером в 1923 году. На голову человека надевают сетку из множества электродов и записывают изменения электрических потенциалов. Снимаемые сигналы выглядят как всплески вспыхивающей и быстро гаснущей электрической активности. На энцефалограмме они видны в виде множества ритмов, которые по-разному локализованы в зависимости от выполняемых функций в каждый момент времени. Характеристики ЭЭГ-ритмов зависят от типа мозговой деятельности.

ЭЭГ неинвазивна, но электрическая активность считывается лишь с поверхности коры головного мозга, а ученым хотелось бы заглянуть гораздо глубже. Поэтому иногда черепную коробку вскрывают и имплантируют электроды прямо в мозг. Конечно, так делают в основном в исследованиях на животных и иногда при нейрохирургических вмешательствах у пациентов. Электроды записывают сигналы с высоким временным разрешением, но, как правило, с какой-то очень локальной области мозга. Да и сами электроды рано или поздно теряют электрический контакт с мозгом и поэтому служат недолго. Более биосовместимые имплантируемые электроды или нейроинтерфейсы пока тестируются учеными на животных либо только начинают испытываться на парализованных людях.

Изобретение МРТ

В поисках неинвазивных методов, позволяющих смотреть глубже коры головного мозга, а в идеале — визуализировать активность мозга целиком, ученые обратились к МРТ — магнитно-резонансной томографии. Ее история началась с открытия в 1930-х годах ядерного магнитного резонанса (ЯМР) физиком Исидором Айзеком Раби, 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.

МРТ-сканирование мозга использует сильное, постоянное и статическое магнитное поле, которое ориентирует магнитные моменты ядер в соответствии с этим полем. Затем применяется другое магнитное поле, которое динамически (градиентно) изменяется и создает магнитные возмущения. Действие градиентного поля позволяет выборочно возбуждать протоны в определенных срезах тканей. Дополнительно подключается радиочастотное излучение, подаваемое на специфической для протона при данном магнитном поле резонансной частоте. Затем внешнее воздействие отключается, и атомы переходят в состояние релаксации, возвращая спины в исходное положение и выделяя электромагнитную энергию. Считывание прибором ответного сигнала позволяет локализовать его в исследуемой ткани, соотнести данные и вывести на экран изображение. Исследуя таким образом мозг слой за слоем, мы получаем статические 3D-изображения мозговой структуры.

Новацией в МРТ стало использование контрастов — специальных веществ, содержащих комплексные соединения парамагнитного гадолиния. Эти вещества вводятся в кровоток человека и селективно распределяются внутри определенных тканей, например раковых опухолей. Ион гадолиния сильнее подвергается магнитному резонансу и позволяют четче визуализировать нужные ткани и получить более контрастную картинку.

От МРТ до фМРТ

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 2 секунды после того, как группа нейронов начинает передавать электрохимические сигналы, к ней 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.

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.

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 в развитие метода фМРТ

Связь BOLD-сигнала с когнитивной активностью исследует 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.

Никосу Логотетису была присуждена премия «Вызов» в области будущих технологий в номинации Discovery («Открытие») за основополагающий вклад в создание метода функциональной магнитно-резонансной томографии и введение его в повседневную научную и клиническую практику для исследования активности мозга человека.

Сергей Козловский