Глава 2

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЦЕРЕБРАЛЬНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

Вторая половина ХХ столетия ознаменовалась появлением новых технологических возможностей для изучения деятельности мозга. Речь идет о тесном сплаве компьютерных технологий с достижениями физики, в первую очередь радиофизики. Эти методы, с одной стороны, открыли принципиально новые пути прижизненной оценки церебральных энергетических процессов, с другой, в силу их дороговизны и определенных оганичений, накладываемых применением радиоактивных изотопов, все еще не стали широкодоступными.

2.1. Неинвазивные методы исследования энергетического обмена мозга (пэт, ямр-спектроскопия и др.)

Позитронная эмиссионная томография (ПЭТ) позволяет осуществлять компьютерную визуализацию биохимических процессов в тканях организма и применяется в диагностике и биомедицинских исследованиях. ПЭТ наиболее эффективно используется при изучении биохимических процессов, происходящих с участием глюкозы и кислорода в мозге и сердце. В ПЭТ химическое вещество "метится" короткоживущими, испускающими позитроны изотопами углерода, кислорода, азота или фтора, которые вводятся в организм. В связи с тем, что используемые в ПЭТ изотопы имеют малый период полураспада, установки ПЭТ обычно расположены в непосредственной близости от циклотронов. Активность таких радиоактивных веществ количественно измеряется в органе-мишени с помощью фотоумножителей-сцинциляторов. Когда радионуклиды распадаются, позитроны аннигилируют с электронами, возбуждая гамма-лучи, т.е. поток фотонов. Внешняя детекция и локализация позитронного источника внутри мозга основаны на том, что при аннигиляции позитрона и электрона

22

два фотона возникают одновременно и движутся в противоположных направлениях. Таким образом, создаются условия для регистрации двух одинаковых сигналов от органа-мишени. При этом детектируются и участвуют в построении изображения только те сигналы, которые создаются совпадающими по времени и противоположно направленными фотонами. Это значительно увеличивает точность визуализации объекта. Построение картины распределения радиоактивного изотопа в мозге с помощью ПЭТ представляет собой многоступенчатую комьютеризованную процедуру, в результате которой концентрация радиоактивности в срезах мозга представлена разными цветами или различными оттенками серого цвета. Пространственное разрешение ПЭТ составляет приблизительно 8 мм, в некоторых случаях достигает 3 мм.

Скорость локального метаболизма мозга с помощью ПЭТ может быть оценена по глюкозе или кислороду. При измерении по кислороду испытуемый вдыхает изотоп кислорода ¹⁵О₂, пока уровень радиоактивности мозговой ткани не достигнет стабильного уровня (10-15 минут по методу устойчивого состояния). В этом случае необходимы дополнительные измерения локального мозгового кровотока. При измерении по глюкозе используются углеродозамещенные (¹¹С) и фторзамещенные (¹⁸F) производные глюкозы. Измерения с производными глюкозы продолжаются около 40 мин, что слишком долго по сравнению со временем, необходимым для выполнения большинства психологических тестов.

ПЭТ используется также для исследования локального мозгового кровотока. В качестве трассера кровотока применяется Н₂¹⁵О. Разрешающая способность около 5 мм. Показатели мозгового кровотока, получаемые с помощью этого метода, характеризуются большой вариабельностью, так как Н₂О не свободно диффундирует в мозге. Для повышения точности определяются различия характеристик локального мозгового кровотока при выполнении двух последовательных тестов (S.V. Medvedev et al., 1995).

ПЭТ очень дорогостоящий метод, и в настоящее время в России исследования выполняются только в некоторых медицинских центрах.

Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОЭКТ), по-английски Single photon emission tomography (SPECT) направлена на определение региональной концентрации радионуклидов внутри органов. В отличие от ПЭТ в технике ОЭКТ в мозг вводятся вещества, которые не принимают участия в обмене веществ, например, изотоп таллиум-201 или технеций-99, излучающие гамма-лучи. Радиоизотоп Tc-99 с периодом полураспада около 6 ч испускает одиночный фотон с энергией 140KeV, который легко детектируется гамма-камерами. Технеций встраивается в радиофармацевтическиие препараты, являющиеся белками или другими органи

23

ческими молекулами. Выбор органических молекул для ОЭКТ определяется их способностью абсорбироваться органами-мишенями, и в зависимости от интенсивности гамма-излучения тех или иных органов или их частей можно говорить об интенсивности обмена веществ в различных органах-мишенях. ОЭКТ не дает точной анатомической картины изучаемого органа.

ОЭКТ требует коллимации (создания параллельной направленности) гамма-лучей, испускаемых радиофармацевтическими препаратами. Коллиматоры вместе с фотоумножителями и кристаллом NaI, необходимым для создания свечения при взаимодействии с гамма-лучами, образуют камеру Ангера. Размеры камер зависят от того какие объекты исследуются.

ОЭКТ до сих пор используется для построения трехмерного отображения локального мозгового кровотока, однако существует потенциальная возможность применить его также для других целей. Главным преимуществом ОЭКТ перед ПЭТ является то, что длительный период полураспада радиоактивных веществ, используемых в ОЭКТ, не требует размещения циклотрона в непосредственной близости к установке. К недостаткам метода можно отнести то, что из-за длительного периода полураспада радиопрепаратов повторные исследованияя не могут проводиться через короткие интервалы времени на одном и том же человеке.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) (другое название - ЯМР-спектроскопия) основана на компьютерном картировании ответа магнитных полей на кратковременное приложение радиоволн. МРТ информативна для исследования структуры и функции биологических тканей. Метод использует явление ядерного магнитоного резонанса (ЯМР).

ЯМР - это селективное поглощение энергии высокочастотных радиоволн некоторыми атомными ядрами, помещенными в сильное постоянное магнитное поле. Ядра, имеющие хотя бы один непарный протон или нейтрон, ведут себя как маленькие магниты, и сильное магнитное поле вызывает их прецессию. Когда частота прецессии таких магнитов соответствует частоте слабых радиоволн, приложенных к исследуемому объекту, происходит поглощение энергии из радиоволн, которое называют резонансом.

Наиболее часто при МРТ для получения изображения используются протоны (ядра атомов водорода). Обследуемый человек помещается внутри магнитной катушки, создающей сильное постоянное магнитное поле. Намагниченные протоны (ядра атомов водорода) тканей тела, как маленькие магниты, ориентируются определенным образом в этом поле. Затем к объекту исследования прикладываются радиоволны, которые создают переменное магнитное поле, перпендикулярное основному полю. Протоны абсорбируют энергию из этого поля и переходят в возбужденное

24

состояние. При возвращении протонов из возбужденного в равновесное состояние в регистрирующей катушке возникает сигнал, который с помощью определенного алгоритма трансформируется в изображение. ЯМР-спектр содержит большую информацию о молекулярной структуре тканей, так как органические молекулы имеют много атомов водорода, абсорбирующих энергию волн различной длины в зависимости от структуры молекулярной связи. Метод используют для оценки рН, лактата, креатина, холина и других веществ (H.C. Charles et al., 1994; A.R. Sengar et al., 1997 R.; Corbett et al., 1998).

Применяется также непротонная МРТ, например при исследовании количества фосфатов. В этом случае для получения изображения используют фосфор, а при оценке глютамата - углерод (I.J. Cox, 1996).

Относительно недавно была разработана техника для количественного отображения с помощью МРТ локального мозгового кровотока. В этом методе внутривенно вводится парамагнитный контрастный агент, используемый для получения карт мозгового объема крови. Карты могут быть сопоставлены с МРТ отображением анатомии и характеризуются хорошим пространственным и временным разрешением.

Метод более безопасен по сравнению с картированием, использующим рентгеновское и гамма-излучение. Однако в связи с наличием сильного магнитного поля МРТ не может применяться у людей, имеющих кардиостимуляторы или другие металические предметы в теле. Это также дорогостоящая процедура.

Измерение локального мозгового кровотока (ЛМК) с помощью изотопного клиренса. Измерение локального мозгового кровотока стало возможным в начале 60-х годов ХХв. благодаря разработке методики интраартериальной и интракраниальной инъекции ксенона-133 с помощью метода, предложенного Н. Лассеном и Д.Ингваром. После инъекции жидкости с радиоактивной меткой с помощью многоканальной гамма-камеры осуществляется регистрация изотопного клиренса от одного из полушарий. Измерение мозгового кровотока по изотопному клиренсу начинается через несколько секунд после инъекции и длится 40-50 с. Величина кровотока определяется на компьютере из кривых вымывания для многих областей (до 254). Чем интенсивнее кровоток, тем быстрее будет сначала увеличиваться, а затем уменьшаться концентрация метки. По этим данным с помощью компьютерных процедур определяются значения ЛМК.

Внутриартериальный метод исследования ЛМК позволяет измерять кровоток только от поверхности полушарий из-за низкого энергетического уровня излучаемых гамма-лучей. Другие ограничения метода связаны с тем, что не все области мозга кровоснабжаются

25

через сонные артерии.

По этой причине был разработан неинвазивный двумерный метод измерения ЛМК, когда испытуемый вдыхает в течение одной минуты определенное количество ксенона-133. Физиологически пассивная метка сначала входит в легкие и далее через систему кровообращения поступает в мозг, а затем уходит из мозговой ткани и выдыхается через легкие. Большой набор детекторов осуществляет непрерывную регистрацию гамма-излучения, что позволяет с помощью компьютерной обработки построить карту ЛМК.