Современные методы нейровизуализации: от академической науки в клиническую практику

Радиогеномика – новая область клинической радиологии

     Математические методы, активно используемые в разнообразных областях естественных и гуманитарных наук для обработки больших объемов данных, в последнее десятилетие получили принципиально новое развитие. Прежде всего, это относится к применению количественных методов анализа больших объемов данных, получаемых при изучении взаимосвязи различных структур головного мозга и его разнообразнейших функций в норме и при патологии центральной нервной системы (ЦНС).

Достижения методов нейровизуализации, казавшиеся еще два десятилетия назад фантастическими, основаны на результатах, полученных при изучении природы структурно-функциональных связей, возникающих в головном мозге в процессе развития, а также при старении. Благодаря совершенствованию приборов, и, как следствие, развитию методов получения и обработки структурных и функциональных данных, в последнее десятилетие мы получили набор разнообразных инструментов, возможности которых значительно превосходят визуализацию анатомических особенностей головного мозга в норме и при патологии. Новые приборы, с помощью которых можно получать МР-изображения за более короткое время и с лучшим пространственным и временным разрешением, в свою очередь, способствовали внедрению в практику количественных методов анализа как макроскопической структуры, так и микроструктурной организации, а также функциональной связанности, перфузии и метаболизма мозга. В результате внедрения количественных методов анализа данных нейровизуализации в практику клинических исследований, открылись принципиально новые возможности для понимания множества неврологических, нейрохирургических, и психиатрических заболеваний, которые проявляются в виде разнообразных нарушений функций ЦНС. Более того, МРТ является методом, для обработки данных которого используются статистические методы анализа, основанные на теории больших чисел. Это позволяет объединить данные МРТ, например, с результатами генетических исследований. Квантификация результатов МРТ вывела данный метод из области чисто академической науки в клиническую практику, благодаря чему достигается основная цель - получение объективной, основанной на количественных данных, оценки состояния пациента.

neurovizual1

Рис. 1 Результаты новой области радиологии – радиогеномики, объединяющей МР-фенотип внутримозговых опухолей с генотипом. Комбинация этих двух областей науки повышает чувствительность и специфичность метода МРТ в приложении к нейроонкологии, а также позволяет прогнозировать эффективность терапии

Количественные методы нейровизуализации

       Применение количественных методов анализа данных нейровизуализации выдвинуло МРТ на ведущие позиции среди методов исследования мозга как в области клинической диагностики, так и при разнообразных клинических исследованиях. Количественный подход к оценке состояния ткани головного мозга и его функций с одной стороны открыл принципиально новые возможности для понимания взаимосвязи между структурой и функциями, что не удавалось проводить ранее, с помощью обычной качественной, визуальной оценки МР-изображений, а с другой стороны, позволил проводить сравнение результатов исследований, проводимых на протяжении длительного времени, например направленных на изучение эффективности определенного класса препаратов. Количественные методы являются составной частью клинических исследований, проводимых рядом специализированных сообществ.

neurovizual2

Рис. 2 Современные методики нейровизуализации и возможности их применения в клинической практике. Т1-взвешенные МР-изображения активно используются для волюметрических исследований, диффузионно тензорные МР-изображения – для визуализации структурной связанности, а для изучения разнообразных функций головного мозга – изображения, основанные на BOLD-эффекте

       В частности, количественные методы активно используются в деятельности Ассоциации по изучению болезни Альцгеймера (БА) (Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI)) для выявления потенциальных предикторов БА, основанных на комплексном анализе данных, полученных при МРТ- и ПЭТ-исследованиях, с результатами генетических, а также лабораторных тестов (исследование ликвора, и крови), и их корреляция с данными нейропсихологического тестирования. Первоначально в практике клинических исследований для характеристики прогрессивного когнитивного снижения (от синдрома умеренных когнитивных нарушений до БА) использовались данные волюметрического анализа, основанные на сравнении объемов гиппокампа и больших полушарий головного мозга. В дальнейшем, волюметрический анализ стал одной из рутинных опций, и в практику клинических исследований были внедрены методы анализа данных функциональной МРТ (фМРТ). В настоящее время количественные методы анализа МР-изображений являются неотъемлемой частью всех клинических исследований, направленных на оценку эффективности препаратов. На основе количественного анализа МР-изображений выбираются один или несколько биомаркеров, изменение которых во времени используется, например, для оценки эффективности терапии таких заболеваний, как рассеянный склероз, инсульт, а также внутри- и внемозговые опухоли. Например, для оценки эффективности терапии при инсульте, таким биомаркером является объем очага поражения. При рассеянном склерозе изменение за время наблюдения количества очагов демиелинизации в белом веществе головного мозга и их объема используется в качестве биомаркера для оценки прогресса заболевания и эффективности проводимой терапии. В нейроонкологии в качестве биомаркера прогресса заболевания и эффективности терапии выбирают отношение объема опухоли, реагирующей на введение контрастного вещества, к суммарному объему головного мозга.  

Картирование головного мозга: возможности для применения в клинической практике

     Введение в практику научных и клинических исследований методов, позволяющих визуализировать процессы функционирования мозга, объединенных термином картирование, явилось революционным открытием в понимании сложнейших связей, существующих между различными структурами головного мозга. Речь идет в буквальном смысле о физической связанности различных структурных единиц, таких, как аксоны и нейропроводящие пути. Структурная связанность визуализируется на уровне индивидуальных синапсов (микросвязанность) или на уровне нейропроводящих путей, соединяющих различные участки головного мозга (макросвязанность). Из анализа МР-изображений, например диффузионно тензорных изображений (ДТИ), можно получить информацию о связанности различных структур головного мозга (о макросвязанности). Методы функциональной МРТ (фМРТ) основаны на эффекте гемодинамического отклика (Blood Oxygen Level Dependent). Благодаря тому, что сбор данных, на основании которых строится МР-изображение, проводится в состоянии покоя, а получения изображений используется парадигма чередования активации и покоя, можно получить информацию о функциональной связанности различных структур головного мозга. Изучение функциональной связанности можно проводить путем измерения магнитной или электрической активности, в основе которой лежит эффект нейрональной деполяризации, используя метод магнетоэнцефалографии или электроэнцефалографии, соответственно. Исследование структурной и функциональной связанности, подобно тому, как это проводится в различных генетических исследованиях, в дальнейшем будет направлено на классификацию пациентов по различным группам, в соответствии установленными биомаркерами патологии. Благодаря этому можно будет не только проводить диагностику заболеваний, но и прогнозировать их дальнейшее течение, подбирать патогенетически значимую тактику лечения, а также оценивать результат терапии с применением выбранных, в соответствии с данной классификацией, препаратов и методов лечения. Основываясь на результатах фМРТ, можно на раннем, доклиническом этапе обнаружить заболевание, и избежать, или преодолеть множество осложнений. Это объясняется, прежде всего, тем, что патологические изменения в ЦНС являются результатом тончайших, зачастую почти незаметных отличий в функциональной и структурной связанности, наблюдаемых в головном мозге здоровых людей. Кроме того, патологические процессы в головном мозге могут проявляться в изменении функционирования одного из огромного множества индивидуальных для данного человека, фрагментов различных нейронных сетей, или даже изменять взаимосвязь между различными нейронными сетями. Следует отметить, что методы, основанные на статистической обработке большого числа данных, полученных для больших групп пациентов, зачастую не могут быть использованы для диагностики патологии у конкретного пациента. Это означает, что чувствительность и специфичность диагностических методов в применении к отдельному пациенту должна отвечать еще более высоким требованиям, что позволит обнаружить патологические изменения функциональной связанности на раннем доклиническом этапе. Для дифференциальной диагностики любой патологии требуется обработка гигантского объема данных, подобно тому, как накопленные в Human Connectome Project и 1000 Functional Connectomes Project. Эти проекты, прежде всего, были направлены на обнаружение минимальных, тончайших отличий между функционированием головного мозга в норме и при патологии.

neurovizual3

Рис. 3   Визуализация нейропроводящих путей в белом веществе головного мозга

     Для более глубокого понимания разнообразных функций, и, соответственно, нарушения нормального функционирования головного мозга была разработана методика, объединяющая между собой возможности позитронной электронной томографии и МРТ (ПЭТМРТ).

neurovizual4

Рис. 4 Изображения головного мозга, полученные методом ПЭТ-МРТ

     Применение современных методик для исследования разнообразных процессов, протекающих в головном мозге, позволяет in-vivo регистрировать изменение церебральной гемодинамики, церебрального кровотока, объема циркулирующей крови и уровня оксигенации, а также устанавливать взаимосвязь между церебральным метаболизмом и особенностями регионарного кровоснабжения. Все эти характеристики являются биомаркерами нейропсихологичеких процессов. Кроме того, эти методики позволяют визуализировать воспалительные процессы, изменения в состоянии глии, малейшие изменения метаболизма нейронов, вызванные гипоксией, а также характеризующие некротические процессы в головном мозге и процессы, связанные с апоптозом клеток. Наиболее перспективными являются исследования, с помощью которых можно визуализировать изменение поведенческих функций, такие, как проявляемые при депрессии, деменции, шизофрении, и обсессивно-конвульсивных расстройствах. В этих исследованиях одновременно получаются данные о анатомических, метаболических и функциональных особенностях ЦНС.

     В настоящее время невозможно говорить о внедрении инновационных методов визуализации в клиническую практику без оценки их экономической эффективности. Очевидно, что радиология, как и другие разделы медицины, ориентирована на конечный результат – улучшение качества жизни каждого пациента и общества в целом за счет повышения эффективности терапии. В применении к радиологии эта задача формулируется следующим образом: какой из методов исследования должен быть выбран, исходя из потребностей каждого из пациентов, причем с учетом как максимальной диагностической целесообразности, способствующей достижению эффективности терапии, так и таких параметров, как безопасность для пациента, минимальная длительность исследования, и, немаловажно, его стоимость. Именно поэтому, к разработке руководств по применению диагностических методов, привлекаются не только радиологи, но и врачи других медицинских специальностей, а также экономисты, социологи, фармацевты, и инженеры-разработчики медицинского оборудования.

к.физ.-мат.н.,
радиолог клиники Борис
Рожкова З.З.