Новый подход к МРТ картирует метаболизм мозга, выявляя признаки заболеваний
Новая технология, которая использует клинические аппараты МРТ для визуализации метаболической активности в мозге, может дать исследователям и врачам уникальное представление о функциях и заболеваниях мозга, сообщают исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне. Неинвазивная, высокоразрешающая метаболическая визуализация всего мозга выявила различия в метаболической активности и уровнях нейротрансмиттеров в разных областях мозга; обнаружила метаболические изменения в опухолях мозга; и картировала и характеризовала очаги рассеянного склероза — при этом пациенты проводили в сканере МРТ всего несколько минут.
Под руководством Чжи-Пэя Ляна, профессора электротехники и вычислительной техники, члена Института передовой науки и технологий Бекмана при Университете Иллинойса, группа опубликовала результаты своих исследований в журнале Nature Biomedical Engineering .
«Понимание мозга, того, как он работает и что идет не так, когда он травмирован или болен, считается одним из самых захватывающих и сложных научных начинаний нашего времени», — сказал Лян. «МРТ сыграла важную роль в раскрытии тайн мозга за последние четыре десятилетия. Наша новая технология добавляет еще одно измерение к возможностям МРТ для визуализации мозга: визуализация метаболизма мозга и обнаружение метаболических изменений, связанных с заболеваниями мозга».
Обычная МРТ обеспечивает высокое разрешение и детальное изображение структур мозга. Функциональная МРТ картирует активность мозга , выявляя изменения в кровотоке и уровне оксигенации крови, которые тесно связаны с нейронной активностью. Однако они не могут предоставить информацию о метаболической активности в мозге, которая важна для понимания функции и болезни, сказал постдокторант Ибо Чжао, первый автор статьи.
«Метаболические и физиологические изменения часто происходят до того, как структурные и функциональные аномалии становятся видны на обычных снимках МРТ и фМРТ», — сказал Чжао. «Таким образом, метаболическая визуализация может привести к ранней диагностике и вмешательству в заболевания мозга».
Оба метода МРТ и фМРТ основаны на магнитно-резонансных сигналах от молекул воды. Новая технология измеряет сигналы от мозговых метаболитов и нейротрансмиттеров, а также молекул воды, метод, известный как магнитно-резонансная спектроскопическая визуализация. Эти изображения MRSI могут предоставить значительное новое понимание функций мозга и процессов заболеваний, а также могут улучшить чувствительность и специфичность для обнаружения и диагностики заболеваний мозга, сказал Чжао.
Другие попытки MRSI были остановлены из-за длительных временных затрат на захват изображений и высокого уровня шума, скрывающего сигналы от нейротрансмиттеров. Новая техника решает обе проблемы.
«Наша технология преодолевает несколько давних технических барьеров для быстрой метаболической визуализации высокого разрешения путем синергетической интеграции сверхбыстрого сбора данных с физическими методами машинного обучения для обработки данных», — сказал Лян. С новой технологией MRSI команда из Иллинойса сократила время, необходимое для сканирования всего мозга, до 12 с половиной минут.
Исследователи протестировали свою технику MRSI на нескольких популяциях. У здоровых людей исследователи обнаружили и сопоставили различную метаболическую и нейротрансмиттерную активность в разных областях мозга , что указывает на то, что такая активность не является универсальной.
У пациентов с опухолями головного мозга исследователи обнаружили метаболические изменения, такие как повышенный уровень холина и лактата, в опухолях разной степени злокачественности — даже когда опухоли выглядели идентичными на клинических снимках МРТ.
Исследователи сообщают, что у пациентов с рассеянным склерозом этот метод выявил молекулярные изменения, связанные с нейровоспалительной реакцией и снижением нейронной активности, за 70 дней до того, как изменения стали видны на клинических изображениях МРТ.
Исследователи предвидят потенциал для широкого клинического использования своей методики: отслеживая метаболические изменения с течением времени, врачи могут оценивать эффективность лечения неврологических заболеваний, сказал Лян. Метаболическая информация также может использоваться для адаптации лечения к отдельным пациентам на основе их уникальных метаболических профилей.
«Высокоразрешающая визуализация метаболизма всего мозга имеет значительный клинический потенциал», — сказал Лян, начавший свою карьеру в лаборатории покойного профессора из Иллинойса Пола Лотербура, лауреата Нобелевской премии за разработку технологии МРТ. «Пол предвидел эту захватывающую возможность и общий подход, но было очень трудно осуществить его мечту о быстрой высокоразрешающей визуализации метаболизма в клинических условиях.
«Поскольку здравоохранение движется в сторону персонализированной, предиктивной и точной медицины, эта высокоскоростная технология с высоким разрешением может стать своевременным и эффективным инструментом для удовлетворения острой неудовлетворенной потребности в неинвазивной метаболической визуализации в клинических приложениях».