კომპასის აღმოჩენასავით მნიშვნელოვანი: მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფია და ფუნქციური MRI

როგორც დედამიწის მაგნიტური ველის გამომყენებელი კომპასის 12. საუკუნეში აღმოჩენამ ახალი კონტინენტების პოვნა შესაძლებელი გახადა და მსოფლიო ისტორია შეცვალა, ისე მაგნიტურ-რეზონანსულმა ტომოგრაფიამ, რომელიც წყლის მოლეკულაში წყალბადის ატომის მაგნიტურ ველზე პასუხს ზომავს, ორგანოების დეტალური აგებულებისა და მუშაობის შესწავლაში დიდი წვლილით მედიცინის ისტორია შეცვალა.

მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფიის (MRI) მოკლე ისტორია

ნიკოლა ტესლამ (1856 – 1943) მბრუნავი მაგნიტური ველი აღმოაჩინა. ეს ფიზიკის ერთ-ერთი ფუნდამენტური აღმოჩენაა.

1956 წელს ტესლას ერთეული მიუნხენის Rathaus-ში საერთაშორისო ელექტროტექნიკური კომისიის მოქმედების კომიტეტმა გამოაცხადა. ყველა MRI აპარატი „ტესლას ერთეულებშია“ დაკალიბრებული. მაგნიტური ველის ძალა ტესლაში ან გაუსში იზომება. რაც ძლიერია ველი, ანუ მაგნიტი, მით ძლიერია სხეულის ატომებიდან მიღებული რადიოსიგნალი და მაღალია გამოსახულების ხარისხი; გადაღებაც ჩქარდება და დრო მნიშვნელოვნად მცირდება. ბევრს გვსმენია 1.5 ტესლა, 3 ტესლა MRI — ეს აპარატის მაგნიტურ ძალას გამოხატავს. 

• დაბალი ველის MRI = 0.2 ტესლაზე ნაკლები
• საშუალო ველის MRI = 0.2-დან 0.6 ტესლამდე
• მაღალი ველის MRI = 1.0-დან 1.5 ტესლამდე
• ძალიან მაღალი ველის MRI = 3 და 7 ტესლა

შენიშვნა: 12 ოქტომბერს 2017 წელს FDA-მ პირველად 7 ტესლა MRI-ის გამოყენება დაამტკიცა. ქვემოთ შეგიძლიათ 3 და 7 ტესლას გარჩევადობის განსხვავება ნახოთ.

ნიუ-იორკის კოლუმბიის უნივერსიტეტის პროფესორმა Isidor I. Rabi-მ 1937 წელს კვანტური მოვლენა — ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი (NMR) დააკვირდა. მან გაიგო, რომ საკმარისად ძლიერ ველში ატომის ბირთვი არსებობას რადიოტალღების შთანთქმით ან გამოსხივებით ავლენს. ამ ნაშრომებისთვის პროფესორმა ნობელის პრემია მიიღო.

ბრუკლინის Downstate სამედიცინო ცენტრის ექიმმა Raymond Damadian-მა აღმოაჩინა, რომ კიბოს ქსოვილის წყალბადის სიგნალი ჯანმრთელისგან განსხვავდება, რადგან სიმსივნე მეტ წყალს შეიცავს. მეტი წყალი მეტ წყალბადის ატომს ნიშნავს. MRI აპარატის გამორთვისას კიბოს ქსოვილი ჯანმრთელზე უფრო დიდხანს ასხივებს რადიოტალღას. სწორედ ამიტომ გამოიყურება კიბოსა და ნორმალური ქსოვილი განსხვავებულად.

ნიუ-იორკის სახელმწიფო უნივერსიტეტის ქიმიკოსმა Paul Lauterbur-მა 1973 წელს პირველი მაგნიტურ-რეზონანსული გამოსახულება შექმნა. ადამიანის პირველი MRI კი 3 ივლისს 1977 წელს ჩატარდა.

როგორ მუშაობს MRI?

მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფია (MRI) სამედიცინო დიაგნოსტიკური ტექნიკაა, რომელიც ბირთვული მაგნიტური რეზონანსის პრინციპით სხეულის გამოსახულებას ქმნის. ნებისმიერი ნაწილის თხელი შრეების გადაღება ნებისმიერი კუთხითა და მიმართულებით შეუძლია, სხეულის ძლიერ ელექტრომაგნიტურ ველში მოთავსებით.

როგორც კომპასის პატარა მაგნიტური ისრები დედამიწის ველის მიხედვით მიმართულებას იცვლის, ისე ჩვენი უჯრედების უხვი წყლის მოლეკულების წყალბადის პროტონები ძლიერი ველის გავლენით პატარა ბიოლოგიურ მაგნიტურ ისრებივით იქცევა. პროტონს ფუნდამენტური მაგნიტური თვისებები აქვს.

MRI გამოსახულება 4 ეტაპად მიიღება:

1. სხეულს მუდმივ მაგნიტურ ველში ათავსებენ, რაც სტაბილურ მაგნიტურ მდგომარეობას ქმნის.
2. პროტონების მიმართულების განსაზღვრული წესით შესაცვლელად აპარატი სხეულში რადიოტალღებს აგზავნის.
3. აპარატი რადიოტალღებს აჩერებს და სხეულის ელექტრომაგნიტურ გადაცემას იწერს. 4. გადაცემული სიგნალი კომპიუტერული ტომოგრაფიით სხეულის შიდა გამოსახულებების შესაქმნელად გამოიყენება.

ქვემოთ შეგიძლიათ ერთი ადამიანის წელის კლასიკური რენტგენის, კომპიუტერული ტომოგრაფიისა და MRI-ის გამოსახულებები შეადაროთ.

MRI ფოტოსურათი არ არის. სინამდვილეში სხეულის მიერ გამოყოფილი რადიოსიგნალების კომპიუტერული რუკა ან გამოსახულებაა. კლასიკური კომპიუტერული ტომოგრაფია რადიაციას იყენებს, MRI კი — უვნებელ რადიოტალღებს. უმნიშვნელოვანესი სიფრთხილეა მეტალის საგნების სკანირების ზონის გარეთ დატოვება, რადგან გიგანტურ მაგნიტში შედიხართ. საკრედიტო ბარათებიც შეიძლება დაზიანდეს, რადგან მაგნიტი მათ კოდებზე მოქმედებს.

მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფია ძლიერი დიაგნოსტიკური ინსტრუმენტია და რბილი ქსოვილების — განსაკუთრებით ტვინის, ზურგის ტვინის, მუცლის ორგანოებისა და კუნთის — გამოსახვის სასურველი მეთოდია. MRI ინდუსტრია წელიწადში 2.000-ზე მეტ აპარატს აწარმოებს.

ნევროლოგია ცენტრალური ნერვული სისტემის — ტვინისა და ზურგის ტვინის — დაავადებების სწორი დიაგნოსტიკისთვის MRI-ზე ძლიერ დამოკიდებული სპეციალობაა. ასევე მას ეყრდნობიან ნეიროქირურგები და ორთოპედები. ონკოლოგიაშიც, განსაკუთრებით ტვინის, ღვიძლისა და ძვლის სიმსივნეებისა თუ მეტასტაზების ვიზუალიზაციაში MRI სხვა მეთოდებს სჯობს.

MRI ვიზუალიზაციის მწვერვალი: ფუნქციური MRI (fMRI)

80-იანი წლების ბოლოს MRI საავადმყოფოებსა და ლაბორატორიებში კუნთიდან ტვინამდე სხვადასხვა ქსოვილის ანატომიური ვიზუალიზაციის სტანდარტი გახდა. თუმცა მხოლოდ კარგ ანატომიურ სურათს იძლეოდა და ფუნქციას არ გვიჩვენებდა. პოზიტრონულ-ემისიური ტომოგრაფიის (PET) მსგავსი, ქსოვილთა ფუნქციის შესახებ ინფორმაციის მომცემი აპარატები კი სისხლში ნივთიერების შეყვანას მოითხოვდა.

90-იან წლებში Seiji Ogawa -მ და კოლეგებმა აღმოჩენების სერია გამოაქვეყნეს, რომელმაც MRI ტვინის ფიზიოლოგიური აქტივობის მაჩვენებელ შედარებით იაფ მეთოდად აქცია და ტვინისა და ქცევის შესწავლაში რევოლუცია დაიწყო.

Ogawa-მ და კოლეგებმა ძველ დაკვირვებებზე დაფუძნებული 2 ფიზიოლოგიური მოვლენა გამოიყენეს. თავდაპირველად Charles Roy-მ და Charles Sherrington-მა 1890 წელს ივარაუდეს, რომ ტვინის მეტაბოლური აქტივობა მის სისხლის მიმოქცევას შეიძლება უკავშირდებოდეს. შემდგომმა კვლევებმა უფრო ზუსტი წარმოდგენა ჩამოაყალიბა: სისხლძარღვთა სისტემა უფრო ზუსტად რეაგირებს გაზრდილი ნერვული აქტივობის უბნებში ჟანგბადიანი სისხლის მისატანად. ანუ აქტიურ უბანში მეტი ჟანგბადის მისაწოდებლად ტვინის სისხლძარღვები იცვლება. მეორე, Linus Pauling-მა და Charles Coryell-მა 1936 წელს განაცხადეს, რომ ჰემოგლობინის ჟანგბადიან და უჟანგბადო ფორმებს განსხვავებული მაგნიტური თვისებები აქვს. ამ ორი იდეით Ogawa-მ და კოლეგებმა 90-იან წლებში გამოქვეყნებულ სამ სტატიაში აჩვენეს, როგორ შეიძლება ფუნქციური რეზონანსით ორგანოთა აქტივობის დადგენა.

მთელ სხეულში ორგანოებს ჟანგბადი ერითროციტებში, წითელ სისხლის უჯრედებში არსებული ჰემოგლობინით მიეწოდება. სუფთა სისხლში ჰემოგლობინი ჟანგბადიანია, ბინძურში კი მის მიერ გადატანილი ჟანგბადი მცირეა და სისხლის უჯრედების ჟანგბადის დონის მიხედვით ფუნქციურ MRI-ზე განსხვავებული სურათი მიიღება. ამ ეფექტს blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) კონტრასტი ეწოდება. Ogawa-ს გუნდი ფიქრობდა, რომ გაზომვით ტვინის აქტივობას დააკვირდებოდა; თაგვებში აჩვენეს, რომ აქტიურ უბნებში წყლის მოლეკულების პროტონული სიგნალი იცვლებოდა და ამის გამოსახვა შეიძლებოდა.

ამ პრინციპის გარღვევის მომტანი დადასტურებიდან 2 წლის შემდეგ 3 დამოუკიდებელმა ჯგუფმა, Ogawa-ს გუნდის ჩათვლით, თითქმის ერთდროულად ადამიანის ტვინში BOLD კონტრასტის ცვლილებები აჩვენა.

fMRI-ისას ფოტოს ნახვის დროს ტვინის კეფის (უკანა) უბანი აქტიურია, ხოლო თითის მოძრაობისას — შუბლისა და თხემის წილების საზღვარზე მდებარე მოტორული ქერქი (გვერდითი-ზედა უბანი).

fMRI-ის მსოფლიოს ერთ-ერთი წამყვანი მკვლევარია იზმირის ტირეში დაბადებული პროფესორი, ექიმი Kâmil Uğurbil. 27 წლის ასაკში პროფესორად აღიარებული Kamil Uğurbil დღესაც აშშ-ის მინესოტის უნივერსიტეტში დაახლოებით 30 წლის წინ შექმნილ განყოფილებას ხელმძღვანელობს. ჩვენს ქვეყანაში ნეირომეცნიერების შეხვედრებში მონაწილე და ლექციების წამკითხველმა ერთ გამოსვლაში fMRI-ის დღევანდელ მიღწევებზე თქვა: „MRI აპარატში ადამიანს ხმას ასმენინებენ, მაგალითად ფრინველისას. გარეთ არ ვიცით, რა ხმაა. ჩვენი ტექნოლოგიით ტვინში გაზომილი ცვლილებებიდან შეგვიძლია, ზუსტად თუ არა, დიდწილად გავიგოთ, რას ისმენს ადამიანი. მსგავსად, აზრით მართული რობოტული ხელით პარალიზებულ ადამიანებს ძირითადი საჭიროებების დაკმაყოფილების საშუალებას ვაძლევთ“.

Seiji Ogawa და Kamil Uğurbil fMRI-ის ნაშრომებით მომავალში ნობელის პრემიის შესაძლო კანდიდატებად სახელდებიან.

BOLD კონტრასტული ვიზუალიზაცია, ფართოდ ცნობილი როგორც ფუნქციური MRI, კოგნიტური ნეირომეცნიერების საფუძველი გახდა. ტვინის აქტივობის მაღალი გარჩევადობით გაზომვა ხელმისაწვდომი გახდა. გარჩევადობა გაუმჯობესდა აპარატურით, ტექნიკებითა და ანალიზის მეთოდებითაც. ვიზუალური ტვინის ფუნქციების დეტალური აღწერიდან სახის ამოცნობის, ემპათიისა და თვითცნობიერების მსგავსი მაღალი კოგნიტური ფუნქციების შესწავლამდე fMRI-ის შესაძლებლობები ნეირომეცნიერების სამყაროს კვლავ აღაფრთოვანებს.