Можно ли добиться от функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) одновременно высокого пространственного и временного разрешения, необходимых для перехода на новый уровень визуализации активности нейронов?
Исследователи из южнокорейского НИИ отвечают на этот вопрос в опубликованной в Nature (полный текст только за деньги, но доступен препринт) статье. Они утверждают, что научились напрямую визуализировать быстрые нейронные реакции в виде отдельных электрических импульсов.
Немного о том, какие инструменты помогают нам неинвазивно изучать происходящие внутри головы процессы. У нас есть электроэнцефалография (ЭЭГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ). Они способны улавливать активность нейронов с помощью установленных на поверхности черепа датчиков. Это методы с отличным временным разрешением, позволяют регистрировать очень быстрые изменения в работе мозга. Но их пространственное разрешение (способность устанавливать точное расположение групп нейронов) измеряется сантиметрами, а это сотни миллионов нервных клеток.
У фМРТ пространственное разрешение на порядки лучше, но временное — секунды. Мозг работает заметно быстрее. Проблема в том, что с помощью фМРТ мы умеем фиксировать работу нейронов не напрямую, а опосредованно, по гемодинамике (в активной зоне мозга расширяются сосуды и увеличивается ток крови).
Метод прямой визуализации активности нейронов для функциональной МРТ (Direct Imaging of Neuronal Activity for functional MRI, DIANA-fMRI) должен эту проблему решить. Авторы напоминают, что попытки напрямую наблюдать активность нейронов уже предпринимались. Они строились на понимании того, что нейронные токи, текущие вдоль аксона, создают сверхслабое, порядка нанотесла (нТл, nT), окружное магнитное поле, тем самым локально изменяя фазу и величину МР-сигналов. Однако большого успеха добиться таким образом не удалось — даже вроде бы удачные попытки не получалось воспроизвести.
В DIANA соединяются два подхода — метод линейного сканирования и быстрая низкоугольная магнитно-резонансная томография. Благодаря ряду ухищрений (картина активности нейронов строится в несколько этапов, совмещаются данные, полученные в ходе однообразных стимуляций) получено изображение коронального среза мозга мыши толщиной около 1 мм, на котором находится тот участок коры (S1BF), который активен при стимуляции левой подушечки мышиных усов.
В ответ на электрическую стимуляцию подушечки уса наблюдалось статистически значимое (проверено на пяти животных) увеличение сигнала DIANA от контралатерального S1BF по сравнению с сигналом до стимула. У нестимулированных контрольных мышей и мышей мёртвых существенных изменений не наблюдалось.
Исследователи проверили результаты, получив схожую картину активности с помощью инвазивных методов — ЭЭГ и оптогенетики. Временное разрешение DIANA-fMRI высокое (5 мс), при этом пространственное также неплохое (0,22 мм).
Можно предположить, что метод поможет лучше изучить не только мышиный, но и человеческий мозг. Когда? Сложный вопрос. Использовался довольно мощный (9,4 Тесла) научный томограф. Для понимания его мощности — максимально разрешённая, например, в США индукция магнитного поля томографа для работы с людьми — 7 Тесла. Обычные томографы в лечебных центрах работают с магнитным полем в диапазоне 0,2—3,0 Тл. В российских национальных стандартах и СанПиНах упоминаются магнитно-резонансные томографы до 3 Тл.
