Александрова Е.В.

НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко РАМН, Москва

Баталов А.И.

ФГБНУ «НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко» , Москва, Россия

Погосбекян Э.Л.

ФГБНУ «НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко», Москва

Захарова Н.Е.

НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко РАМН, Москва

Фадеева Л.М.

НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко РАМН, Москва

Кравчук А.Д.

НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко РАМН, Москва

Пронин И.Н.

НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко РАМН, Москва

Потапов А.А.

НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко РАМН, Москва

Новые возможности магнитно-резонансной томографии: алгоритм CSD-HARDI трактографии в построении волокон ретикулярной формации ствола

Журнал: Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2018;82(1): 5-12

Просмотров : 30

Загрузок : 2

Как цитировать

Александрова Е. В., Баталов А. И., Погосбекян Э. Л., Захарова Н. Е., Фадеева Л. М., Кравчук А. Д., Пронин И. Н., Потапов А. А. Новые возможности магнитно-резонансной томографии: алгоритм CSD-HARDI трактографии в построении волокон ретикулярной формации ствола. Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2018;82(1):5-12. https://doi.org/10.17116/oftalma201813415-12

Авторы:

Александрова Е.В.

НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко РАМН, Москва

Все авторы (8)

Результаты многолетних исследований мозга показали, что скорость и степень восстановления сознания, когнитивных функций и эмоционального реагирования определяется наличием и выражен-ностью дисфункции соответствующих структур мозга, как вследствие прямого структурного повреждения в результате травмы, ишемии, гипоксии, так и вследствие нейрохимических и метаболических расстройств. Известно, что поддержание уровня сознания обеспечивается восходящей ретикулярной активирующей системой (ВРАС) ствола мозга, в составе которой выделяют вентральный путь, который проходит через гипоталамус и базальные отделы переднего мозга (проекции гистамин-, холин-, дофамин-, глутаматергической систем), и дорзальный путь, активирующий кору через таламус (преимущественно дофамин-, серотонин-, норадреналин-, холинергические системы) (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение ядер и проекций ВРАС, наложенное на Т1-МР-изображение головного мозга в сагиттальной плоскости (24).
ВРАС представляет собой не только часть ретикулярной формации ствола от моста до таламуса, но и совокупность ядер разных нейромедиаторных систем [1]. При повреждении ВРАС уменьшается число афферентных проекций многих нейромедиаторных систем к коре головного мозга, в том числе активирующих ее и обеспечивающих пробуждение и поддержание уровня бодрствования.

В современной нейронауке определяющий вклад в изучение механизмов восстановления функций мозга вносят постоянно совершенствующиеся методы нейровизуализации, позволяющие прижизненно выявлять очаговые и диффузные повреждения мозга, изменения кровотока в отдельных структурах, качественно и количественно оценить сохранность проводящих путей с помощью их трехмерной реконструкции, провести анализ локальных или диффузных биохимических изменений (МР-спектроскопия) [2—6]. Особое внимание в последние годы уделяется возможностям МР-трактогра-фии, позволяющей проводить трехмерную реконструкцию различных проводящих путей мозга, создавая так называемый коннектом. Об актуальности исследований проводящих путей мозга человека в норме и патологии свидетельствуют стартовавшие беспрецедентные по масштабу высокотехнологического обеспечения и объему финансирования проекты «Human Вrain Сonnectom» в США и «Human Brain Project» в странах Евросоюза [7, 8].

На модели диффузного аксонального повреждения ранее были показаны закономерности многомерного расщепления мозга с нарастающей дегенерацией комиссуральных (межполушарных), ассоциативных (внутриполушарных) и проекционнных (кортикоспинальных) проводящих путей [9, 10]. В то же время МР-трактографии волокон ретикулярной формации уделяется сравнительно мало внимания главным образом ввиду сложности визуализации тонких пересекающихся волокон сетчатой структуры. Первые работы по визуализации волокон и ядер ретикулярной формации начали проводиться недавно [11—14]. Предшествующие публикации основаны на посмертном исследовании мозга трех пациентов с тяжелым повреждением мозга и нескольких здоровых добровольцев. В этих работах авторами использован детерминистический метод трактографии с применением модели диффузии с высоким угловым разрешением и использованием алгоритма разложения по сферическим функциям (Constrained Spherical Deconvolution-High Angular Resolution Diffusion Imaging — CSD-HARDI) на МР-томографе с напряженностью магнитного поля 3 Тл. Преимуществом данного метода является возможность визуализации двух и более аксональных пучков, пересекающихся в различных направлениях.

В настоящее время лечение тяжелой черепно-мозговой травмы (ЧМТ) и прогнозирование ее исходов приобрело особую актуальность в связи с социально-экономической значимостью проблемы, так как травма является лидирующей причиной инвалидизации населения трудоспособного возраста. Определение вероятности и пределов восстановления психической деятельности является ключевым для оценки реабилитационного потенциала. Однако существующие у нас и за рубежом клинические критерии диагностики бессознательных состояний не всегда позволяют верно трактовать состояние сознания пациента. Недавние исследования показали, что около 40% пациентов, состояние которых клинически соответствует вегетативному статусу, на самом деле проявляют признаки более высокого уровня сознания — состояния минимальных проявлений сознания [15].

В настоящее время основные методы коррекции нарушений сознания и других психических функций направлены на изменение функций нейромедиаторных систем. Недавно министерство обороны США опубликовало обзор о 12 наиболее перспективных фармакологических агентах для лечения пациентов с ЧМТ: 5 имеют прямое действие на нейротрансмиттерные системы, еще 5 косвенно модулируют их активность [16]. Важно, что до сих пор нет объективных ориентиров для выявления нейротрансмиттерных нарушений. Выделены клинические синдромы дисфункции нейромедиаторных систем — глутаматергической, дофаминергической, холинергической [17], однако не приведено их подтверждения инструментальными методами, позволяющими прижизненно оценить состояние нейромедиаторных систем мозга, такими как МР-спектроскопия и МР-трактография.

Цель настоящего исследования — получение нормативных значений показателей МР-тракто-графии волокон ретикулярной формации (фракционная анизотропия — ФА, измеряемый коэффициент диффузии — ИКД, плотность и длина волокон, показатели аксиальной и радиальной диффузии), их сравнительный анализ у мужчин и женщин для последующего сопоставления с аналогичными исследованиями у пациентов, перенесших тяжелое повреждение головного мозга, сопровождающееся первичным или вторичным повреждением ствола.

Материал и методы

В исследование включен 21 здоровый доброволец (13 мужчин и 8 женщин) в возрасте от 21 года до 62 лет (в среднем 31,3±9,6 года). Все обследованные имели высшее образование, у одного отмечено левшество по руке. От каждого добровольца получено информированное согласие на участие в исследовании.

CSD-HARDI МР-трактография. Сканирование проводили на 3,0 Тл МРТ-томографе General Electric Signa HD (GE Healthcare) с 8-канальной головной катушкой. В исследовании использовались: T1 FSPGR BRАVO с изотропным вокселом 1×1×1 мм и нулевым зазором, аксиальная T2 с толщиной среза 5 мм и зазором между срезами 1,5 мм, аксиальная T2-FLAR с толщиной среза 5 мм и зазором между срезами 1 мм, DWI ASSET с толщиной среза 5 мм и зазором между срезами 1 мм, спектроскопия (single voxel, 2D CSI и 3D MRS), а также протокол HARDI. Данные HARDI были получены с помощью SE DWI EPI-последовательности со следующими параметрами: TR=12 000 мс, TE — min, pixel bandwidth 3906,25 Гц, матрица 256×256 или 128×128, количество срезов равно 30, 32, 34 или 36. Между срезами был установлен нулевой зазор, толщина среза 2,5 мм, FOV=22×22, 24×24, 25×25 или 26×26 см2, b-фактор равен 2000, 3000 или 4000 с/мм2, количество направлений диффузионного градиента — 120 или 110 с соответствующим количеством недиффузионных объемов (b=0 с/мм2): 1 или 11. Во втором случае сканирование недиффузионных объемов выполнялось через каждые 10 направлений диффузионных градиентов. Общее время сканирования для HARDI-последовательности равнялось 24 мин 25 с. Далее выполнялась интерполяция полученных диффузионных изображений до размера вокселя 1×1×2,5 мм.

Предобработка диффузионных изображений выполнялась с помощью программ FSL 5.0 (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/) и ExploreDTI (http://www.exploredti.com/). Тракты строились в программе ExploreDTI.

Для идентификации зоны интереса (области локализации холинергических ядер ствола мозга — педункулопонтийного и латеродорзального покрышечного) использовался атлас Paxinos and Huang [18]. Изображение зоны интереса площадью 28 мм2 представлено на рис. 2.

Рис. 2. Выбор области интереса (ROI) при трехмерной визуализации холинергических волокон ретикулярной формации на двухмерной цветовой карте DTI. ROI в области моста на уровне, где педункулопонтийное и латеродорзальное покрышечные ядра имеют максимальный размер (срез на 35 мм выше задвижки (obex) продолговатого мозга) площадью 28 мм2.
Были измерены все количественные параметры: средние значения ФА и ИКД на протяжении всей длины волокон, количество и длина волокон, показатели аксиальной и радиальной диффузии.

Статистическая обработка данных проводилась с использованием пакета программ Statistica 8.0 («Statsoft», США). Во всех случаях были использованы непараметрические критерии. Для оценки зависимостей применялся коэффициент ранговой корреляции Спирмена, для сравнения двух независимых наблюдений — критерий Манна—Уитни. Результаты считались статистически значимыми при р<0,05.

Результаты

В результате проделанной работы была разработана и освоена методика визуализации и количественной оценки тонких пересекающихся волокон сетчатой структуры ствола головного мозга (восходящей ретикулярной формации) с помощью МРТ-алгоритма CSD-HARDI (рис. 3).

Рис. 3. Пример трехмерного построения восходящих и нисходящих волокон холинергических ядер моста у здорового добровольца (женщина, 31 год). а — изображение в сагиттальной плоскости; б — изображение в коронарной плоскости; в — изображение в аксиальной плоскости. ВТТ — вентральный покрышечный тракт, ДТТ — дорсальный покрышечный тракт.
Для этой цели была отобрана и проанализирована группа здоровых добровольцев преимущественно среднего возраста.

Для каждого здорового добровольца в трех проекциях построены двусторонние восходящие тракты, исходящие из дорзолатерального отдела моста на уровне двух близко расположенных холинергических ядер (педункулопонтийного и латеродорзального тегментарного) (рис. 4).

Рис. 4. Трехмерные изображения восходящих и нисходящих трактов ретикулярной формации от области моста в проекции холинергических ядер у 20 здоровых добровольцев.
Видно, что у всех обследованных людей волокна представляют собой два основных пучка, которые, поднимаясь, проходят через средний мозг, затем разветвляются на более мелкие пучки, уходящие к ядрам таламуса (дорсальный покрышечный тракт), гипоталамуса и базальным отделам лобных долей мозга (вентральный покрышечный тракт) (см. рис. 3, в).

Получены количественные характеристики: ФА, ИКД, длина и количество волокон, показатели аксиальной (L1) и радиальной (L2) диффузии для левого (табл. 1)

Таблица 1. Количественные характеристики левых трактов ретикулярной формации, построенных от холинергических ядер моста Примечание. Здесь и в табл. 2: ФА — фракционная анизотропия; ИКД — измеряемый коэффициент диффузии; L1 — показатель аксиальной диффузии; L2 — показатель радиальной диффузии.
и правого (табл. 2)
Таблица 2. Количественные характеристики правых трактов ретикулярной формации, построенных от холинергических ядер моста
трактов. Показано, что все данные показатели не зависят от стороны тракта (левой или правой) и пола человека.

Таким образом, в результате работы были получены контрольные нормальные количественные характеристики для оценки двусторонних трактов ретикулярной формации моста, исходящих из зоны расположения холинергических ядер, у мужчин и женщин в молодой, трудоспособной возрастной категории.

Обсуждение

В настоящей работе впервые на группе здоровых добровольцев была разработана методика построения тонких пересекающихся волокон сетчатой структуры ствола мозга — восходящей активирующей ретикулярной формации. Нами получены усредненные количественные данные по волокнам ретикулярной формации из области моста, в которой локализованы холинергические проекции (ФА, ИКД, плотность и длина волокон, показатели аксиальной и радиальной диффузии), что позволит проводить в дальнейшем сравнительный анализ состояния ретикулярной формации у пациентов с повреждением головного мозга с применением статистической обработки количественных данных. Впервые возможность визуализации волокон ВРАС с помощью CSD-HARDI и детерминистического метода обработки была показана на двух патологоанатомических случаях и одном здоровом добровольце [11]. Также проводились попытки визуализировать волокна ретикулярной формации в целом с помощью построения через две точки цели (в стволе и таламусе/гипоталамусе) у здоровых добровольцев [19, 20], однако в этих исследованиях не использовался алгоритм CSD-HARDI, исследования проводились на томографе с напряженностью магнитного поля 1,5 Тл, а в зону интереса входила вся область ретикулярной формации, а не отдельные ядра. В результате данных исследований было показано, что волокна ретикулярной формации преимущественно проецируются на определенные области префронтальной коры (латеральная и вентромедиальная), количественные параметры волокон ретикулярной формации не отличаются в левом и правом полушариях и у пациентов мужского и женского пола [19, 20].

В настоящее время появляется все больше работ [21—25], указывающих на связь нарушения сознания и других психических функций, включая эмоции, с повреждением той или иной нейротрансмиттерной системы ствола мозга. Известно, что холинергическая система участвует в реализации кратковременной памяти, внимания, регуляции эмоций, уровня бодрствования.

В головном мозге ацетилхолин вырабатывается: в ядрах ретикулярной формации моста (педункулопонтийное (PPN), латеродорзальное (LDT) покрышечные ядра, в интернейронах неостриатума и в базальных отделах переднего мозга (ядре Мейнерта, медиальном ядре перегородки и диагональной полоске Брока, которые вместе формируют substantia innominata). Волокна PPN и LDT, являясь частью парамедианной ретикулярной формации моста, посылают проекции к вестибулярным ядрам, голубоватому месту (locus coeruleus), мозжечку, таламусу и гигантоклеточному преоптическому ядру [26].

Холинергические ядра базальных отделов переднего мозга более активны в состоянии бодрствования, чем во сне, в то время как холинергические нейроны PPN ядра активируются преимущественно во время быстрой фазы сна (REM-сна) и ответственны за появление на ЭЭГ понтийно-геникуло-окципитальных комплексов. Считается, что нейроны PPN ядра через активацию глицинергических тормозных систем обеспечивают снижение мышечного тонуса, отмечающееся во время фазы REM-сна [27].

Около 85—90% афферентов холинергических ядер ствола иннервируют различные (специфичные и неспецифичные) ядра таламуса. Наиболее богатую холинергическую иннервацию (от PPN и LDT ядер моста) получают передние интраламинарные ядра и дополнительные параламинарные области таламуса, которые играют ключевую роль в поддержании уровня бодрствования [28]. Холинергические проекции к ядрам таламуса оказывают двойное влияние на их активность. С одной стороны, они через М-холинорецепторы ингибируют ГАМКергические нейроны ретикулярного ядра таламуса, которые тормозят возбуждающие нейроны передних интраламинарных ядер, что в конечном итоге приводит к активации коры. С другой стороны, прямые холин-ергические проекции к передним интраламинарным ядрам оказывают на них активирующее влияние через никотиновые рецепторы (N-холиноре-цепторы) [28]. Стволовые холинергические волокна также активируют передневентральное ядро таламуса, которое имеет проекции к ретроспленальной коре, являющейся частью заднемедиальной коры [29]. Повышение метаболической активности последней является одним из нейровизуализационных маркеров начала восстановления сознания. Таким образом, совместная активация холинергических проекций ствола и переднего мозга, отмечающаяся во время бодрствования и REM-сна, обеспечивает поддержание интегративной функции таламуса и может являться механизмом модуляции осознаваемых процессов в состоянии бодрствования. Об этом свидетельствуют результаты ряда работ, показавших, что холинергические нейроны основания переднего мозга ответственны за формирование когнитивных вызванных потенциалов Р300 [30].

Кроме таламуса, холинергические нейроны ствола иннервируют другие структуры мозга, участвующие в обеспечении бодрствования, в частности глутаматергические (ретикулярная формация среднего мозга, оральное ядро моста), холинергические (ядра базальных отделов переднего мозга) и префронтальную кору [31]. Важно, что холинергическая система способна поддерживать активное состояние коры в отсутствие активации моноамин-ергических (катехоламинергических, серотонинергической систем) [32], но при обязательной активности глутаматергической системы [30].

Таким образом, полученные нами тракты части ретикулярной формации, исходящие из дорзально-латеральных отделов моста, где локализованы хо-линергические ядра, соответствуют представлениям об организации анатомических связей данной структуры. Дальнейшая оценка в динамике структурного состояния холинергической системы при повреждениях головного мозга может иметь важное значение для прогнозирования восстановления сознания и когнитивных функций. В целом неинвазивное выявление структурных и метаболических биомаркеров тяжелого поражения головного мозга, отражающих повреждения различных нейромедиаторных структур, может служить ключевым для оценки исхода восстановления сознания, интеллектуально-мнестических функций и эмоционально-волевых расстройств с целью разработки единой лечебно-прогностической модели, основанной на персонализированном подходе.

Следует отметить, что метод HARDI имеет свои ограничения. Для упрощения расчетов в этой методике считается, что диффузионные характеристики всех волокон в мозге идентичны [33]. Метод CSD-HARDI чувствителен к шумам на изображении [34, 35] и может давать ошибочную информацию о трактах в областях серого вещества и спинномозговой жидкости [36]. Результат реконструкции трактов зависит от множества методологических факторов: параметров сканирования, таких как b-фактор и количество направлений диффузионных градиентов [37], и постобработки данных, которая включает коррекцию шумов и артефактов движения пациента. Поскольку ВРАС представляет собой полисинаптическую структуру со множеством внутренних и внешних связей, нельзя исключить, что в построенных трактах могут содержаться как нисходящие, так и восходящие волокна.

Работа поддержана грантом РФФИ № 16−04−01472.

Благодарность: врачу-рентгенологу А.С. Тонояну за участие в подборе параметров для выполнения МР-трактографии.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Поступила 10.11.17

*e-mail: ealexandrova.nsi@gmail.com

Комментарий

В статье Е.В. Александровой и соавт. представлены принципиально новые факты об успешных результатах исследования — неинвазивной визуализации волокон ретикулярной формации ствола мозга. Ретикулярная формация (лат. reticulum — сеточка, formatio — образование) представляет собой сложную анатомическую структуру, состоящую из тонких пересекающихся нисходящих и восходящих волокон, исходящих от ядер различных нейротрансмиттерных систем (холинергической, норадренергической, серотонинергической, глутаматергической, дофаминергической). У человека выделяют 98 ядер. Впервые данную систему клеток ствола, связанных между собой пересекающимися волокнами, описал Ленгоссек в 1855 г., а Дейтерс в 1865 г. назвал ее ретикулярной формацией. При дальнейших исследованиях оказалось, что объем ретикулярной формации в процессе филогенетического развития от низших форм к высшим уменьшается. Так, у ежа она занимает 39% объема мозгового ствола, у человека — всего 9%. Поэтому неудивительно, что столь сложную и малую по размеру систему долгое время возможно было изучать только на постмортальном материале. Однако развитие современных методов нейровизуализации, в частности применение при МРТ алгоритма HARDI, как показали авторы статьи, позволяет провести оценку состояния волокон сетчатой структуры in vivo и рассчитать ряд количественных показателей для каждого человека в определенной выбранной зоне интереса. Полученные данные несомненно имеют важное значение для дальнейшего изучения состояния ретикулярной формации при различных видах патологии головного мозга, особенно сопровождающихся повреждением стволовых структур как вследствие травматических или сосудистых событий, так и при нейродегенеративных процессах.

Статья актуальна, характеризуется научной новизной и имеет большое значение для понимания структурной организации ретикулярной формации головного мозга человека при различных патологических состояниях.

И.Н. Боголепова (Москва)

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail