Открытие, сравнимое с компасом: магнитно-резонансная и функциональная МРТ

Как изобретённый в 12-м веке компас, использующий магнитное поле Земли, изменил историю мира, открыв путь к новым континентам, так магнитно-резонансная томография, измеряющая реакцию атомов водорода в молекулах воды на магнитное поле, изменила историю медицины своим огромным вкладом в изучение подробного строения и работы органов.

Краткая история магнитно-резонансной томографии (МРТ)

Никола Тесла (1856 – 1943) открыл вращающееся магнитное поле. Это одно из фундаментальных открытий физики.

В 1956 году единица «тесла»была объявлена Международной электротехнической комиссией — её комитетом действий — в мюнхенской ратуше. Все аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ) калибруют в единицах тесла. Напряжённость магнитного поля измеряют в теслах или гауссах. Чем сильнее магнитное поле, то есть магнит, тем сильнее радиосигналы от атомов тела и тем выше качество МР-изображений; также растёт скорость сканирования и значительно сокращается его длительность. Многие слышали выражения «МРТ 1.5 тесла» или «3 тесла». Эти единицы показывают магнитную мощность аппарата. 

• Низкопольная МРТ = менее 0.2 тесла
• Среднепольная МРТ = от 0.2 до 0.6 тесла
• Высокопольная МРТ = от 1.0 до 1.5 тесла
• Сверхвысокопольная МРТ = 3 и 7 тесла

Примечание: 12 октября 2017 года FDAвпервые одобрило применение МРТ 7 тесла. На изображении ниже показана разница разрешения МРТ 3 и 7 тесла.

Профессор Исидор И. Раби из Колумбийского университета в Нью-Йорке в 1937 году наблюдал квантовое явление, названное ядерным магнитным резонансом (NMR). Он понял, что ядро атома проявляет своё присутствие, поглощая или излучая радиоволны при воздействии достаточно сильного магнитного поля. За свои работы профессор Исидор И. Раби получил Нобелевскую премию.

Доктор Реймонд Дамадьян, работавший в медицинском центре Downstate в Бруклине, обнаружил, что сигнал водорода в раковой ткани отличается от сигнала здоровой ткани, поскольку опухоли содержат больше воды. Больше воды означает больше атомов водорода. После выключения аппарата МРТ раковая ткань излучает радиоволны дольше здоровой. Именно этот механизм объясняет, почему раковая и нормальная ткани выглядят на МРТ по-разному.

Химик Пол Лотербур из Университета штата Нью-Йорк получил первое магнитно-резонансное изображение в 1973 году. Первое МР-сканирование человека проведено 3 июля 1977 года.

Как работает МРТ?

Магнитно-резонансная томография (МРТ) — медицинский диагностический метод получения изображений тела на основе ядерного магнитного резонанса. Он может создавать тонкие срезы любой части тела под любым углом и в любом направлении. Для этого тело подвергают воздействию сильного электромагнитного поля.

Подобно маленьким магнитным стрелкам компаса, меняющим направление в магнитном поле Земли, протоны атомов водорода в молекулах воды, в изобилии содержащихся в каждой клетке, под действием сильного магнитного поля ведут себя как маленькие биологические магнитные стержни. Протон обладает фундаментальными магнитными свойствами.

МР-изображение получают в 4 этапа:

1. Тело помещают в постоянное магнитное поле, создавая в нём устойчивое магнитное состояние.
2. Аппарат МРТ направляет в тело радиоволны, чтобы определённым образом изменить ориентацию протонов.
3. Аппарат прекращает радиоволновое воздействие и регистрирует электромагнитное излучение тела. 4. Переданный сигнал используют для создания внутренних изображений тела с помощью компьютерной томографии.

Ниже можно сравнить обычную рентгенограмму, компьютерную и магнитно-резонансную томограммы поясничной области одного человека.

МР-изображение — не фотография. По сути это компьютерная карта или изображение радиосигналов, испускаемых телом. При обычной компьютерной томографии используют излучение, тогда как МРТ использует безвредные радиоволны. Главное правило предосторожности при МРТ — оставить металлические предметы вне зоны сканирования, поскольку человек входит в огромный магнит. Кредитные карты и подобные предметы также могут повредиться: магнит МРТ способен воздействовать на магнитные коды.

Магнитно-резонансная томография — мощный диагностический инструмент на рынке медицинской визуализации и предпочтительный метод исследования мягких тканей, особенно мозга, спинного мозга, органов живота и мышц. Индустрия МРТ производит более 2.000 аппаратов в год.

Неврологи — специалисты, в значительной мере зависящие от МРТ при точной диагностике заболеваний центральной нервной системы, мозга и спинного мозга. Технологию также широко используют нейрохирурги и ортопеды. В онкологии при визуализации опухолей или метастазов , особенно в мозге, печени и костях, МРТ превосходит другие методы визуализации.

Передовой рубеж МР-визуализации: функциональная МРТ (фМРТ)

К концу 80-х годов МРТ стала стандартом анатомической визуализации различных тканей, от мышц до мозга, в больницах и лабораториях. Однако она давала лишь очень хорошее анатомическое изображение органов, без информации об их функции. Позитронно-эмиссионная томография (PET) и другие аппараты, способные давать сведения о функции тканей, требовали введения вещества в кровоток.

В 90-х годах Сэйдзи Огава и коллеги опубликовали ряд открытий, превративших МРТ в относительно недорогой метод выявления физиологической активности мозга и положивших начало революции в изучении мозга и поведения.

Огава и коллеги воспользовались 2 физиологическими явлениями, основанными на более ранних наблюдениях. Во-первых, Чарльз Рой и Чарльз Шеррингтон ещё в 1890 году предположили связь метаболической активности мозга с его кровообращением. Последующие исследования уточнили эту идею: сосудистая система точнее регулирует доставку насыщенной кислородом крови в области повышенной нервной активности. Иными словами, сосуды мозга изменяются для доставки большего количества кислорода к работающему участку. Во-вторых, Лайнус Полинг и Чарльз Кориелл в 1936 году сообщили, что насыщенная и ненасыщенная кислородом формы гемоглобина имеют разные магнитные свойства. Основываясь на этих двух идеях, Огава и коллеги в трёх статьях, опубликованных в 90-х годах, показали, как функциональная магнитно-резонансная томография выявляет активность органов.

Во всём организме кислород доставляется органам белком гемоглобином внутри красных кровяных клеток — эритроцитов. В чистой крови гемоглобин насыщен кислородом, а в загрязнённой крови переносит его меньше. Поэтому в зависимости от уровня кислорода в клетках крови при функциональной МРТ формируются разные изображения. Этот эффект называется blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) контрастом — контрастом, зависящим от уровня насыщения крови кислородом. Огава и его команда предполагали, что измерение этого контраста позволит отслеживать активность мозга. В опытах на мышах они показали изменение протонного сигнала молекул воды в активных областях мозга и возможность его визуализации.

Через 2 года после этого революционного подтверждения принципа 3 независимые группы, включая команду Огавы, почти одновременно продемонстрировали изменения BOLD-контраста в человеческом мозге.

При фМРТ у человека, которому показывают фотографию, активна затылочная — задняя — область мозга; когда его просят пошевелить пальцем, активируется моторная кора на стыке лобной и теменной долей, в боковой верхней области.

Один из ведущих мировых исследователей фМРТ — профессор доктор Кямиль Угурбиль, родившийся в Тире, Измир. Получив звание профессора в 27 лет, он до сих пор возглавляет отделение, основанное им примерно 30 лет назад в Университете Миннесоты в США. Угурбиль также выступает на нейронаучных конференциях в Турции. В одном из выступлений о современном уровне фМРТ он сказал: «Человеку в аппарате МРТ дают послушать звук, например пение птицы. Снаружи мы не знаем, что это за звук. Благодаря нашей технологии по измеряемым изменениям мозга мы можем понять, что он слышит, пусть и не точно, но в очень большой степени. Аналогичным образом с помощью роботизированной руки, управляемой силой мысли, мы даём парализованным людям возможность удовлетворять основные потребности».

Сэйдзи Огава и Кямиль Угурбиль благодаря своим работам по фМРТ называются среди возможных будущих лауреатов Нобелевской премии.

BOLD-контрастная визуализация, более известная как функциональная МРТ, стала основой когнитивной нейронауки. Измерение активности мозга с довольно высоким разрешением стало доступным. Разрешение также улучшалось благодаря современному оборудованию, методикам и анализу МРТ. Возможности фМРТ — от подробного описания зрительных функций мозга до вклада в изучение распознавания лиц, эмпатии и самосознания — продолжают восхищать мир нейронауки.