MRI: okno na mózg

Kiedy Bradley Peterson, psychiatra i badacz z Columbia University, zaproponował, że zeskanuje mój mózg rezonansem magnetycznym wielkości małej przyczepy Airstream, od razu się zgodziłem. Spędziłem 10 minut na wypełnianiu długiej listy kontrolnej (skłamałem na pytaniu, czy mam klaustrofobię) i kolejne kilka minut na opróżnianiu kieszeni i pozbywaniu się kluczy, zegarka i długopisu, które mogą stać się pociskami wewnątrz silnego magnesu MRI pole.

Położyłem się na wąskiej palecie, która wsuwała się do maszyny jak szuflada w kostnicy. Maszyna jęknęła i brzęknęła, gdy zajrzała do mojej czaszki, po czym zamilkła. Z delikatnym warkotem paleta wysunęła się, a ja się rozluźniłam. Mniej więcej w czasie, jaki zajmuje wypalenie kilku płyt CD na moim laptopie, Peterson pochylał się nad ekranem, pokazując mi szczegółowy czarno-biały obraz mojego mózgu.

Ta historia była częścią naszego wydania z grudnia 2005 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Skany mózgu, takie jak to, które miałam, są teraz rutynowe, używane do wszystkiego, od wykrywania oznak udaru po wyszukiwanie podejrzanych guzów. Ale naukowcy, tacy jak Peterson, popychają technologię MRI dalej, niż ktokolwiek kiedyś myślał, że może się to udać. W ciągu ostatniej dekady MRI został przebudowany, aby ujawnić nie tylko anatomię mózgu, ale także sposób jego działania.

Podczas gdy konwencjonalne skany MRI, takie jak to, które dał mi Peterson, ujawniają struktury fizjologiczne, odmiana zwana funkcjonalnym MRI (fMRI) może teraz również obrazować przepływ krwi w czasie, pozwalając naukowcom zobaczyć, które obszary mózgu są aktywne podczas niektórych zadań.

Rzeczywiście, badania fMRI w ciągu ostatnich kilku lat dostarczyły naukowcom zaskakujących obrazów mózgu faktycznie podczas pracy. Jeszcze nowszym rozszerzeniem jest spektroskopia MRI, inny rodzaj funkcjonalnego obrazowania, który monitoruje aktywność określonych substancji chemicznych w mózgu – dostarcza innych wskazówek dotyczących funkcjonowania mózgu niż fMRI. A ostatnio naukowcy opracowali pionierską technikę MRI zwaną obrazowaniem tensora dyfuzji (DTI), która wytwarza trójwymiarowe obrazy kruchej, pajęczej sieci przewodów, która łączy jedną część mózgu z drugą.

MRI stało się, mówi Robert Desimone, dyrektor McGovern Institute for Brain Research na MIT, najpotężniejszym narzędziem do badania ludzkiego mózgu. Porównuję to do wynalezienia teleskopu dla astronomów. Desimone zauważa, że ​​pojawienie się teleskopu nie od razu zrewolucjonizowało naukowe rozumienie wszechświata. Zajęło to trochę czasu, ponieważ naukowcy nauczyli się korzystać z nowego narzędzia.

To samo dzieje się z MRI, mówi Desimone. Naukowcy dopiero teraz zaczynają zdawać sobie sprawę z potencjału tych technik, które po raz pierwszy zostały szeroko zastosowane na ludziach około 15 lat temu. Widzisz wiele emocji w terenie, mówi Desimone.

Kilka postępów technicznych przyczyniło się do poprawy MRI. Na szczycie listy znajduje się opracowanie silniejszych magnesów MRI, które umożliwiają bardziej szczegółowe skany o wyższej rozdzielczości. Czym megapiksele są dla aparatu cyfrowego, tesla, miara natężenia pola magnetycznego, są dla rezonansu magnetycznego: im ich więcej, tym lepsza jakość obrazu. Najnowsze rezonanse magnetyczne generują pola magnetyczne o wartości około siedmiu tesli, wiele tysięcy razy silniejsze niż pole magnetyczne Ziemi i co najmniej dwa razy silniejsze niż te zwykle stosowane w szpitalach. (Niektóre ośrodki badawcze, w tym McGovern Institute, mają skanery MRI 9,4 tesli do badań na zwierzętach.)

Kolejnym kluczowym osiągnięciem jest sukcesja coraz bardziej złożonych metod analizy komputerowej. Pozwalają one naukowcom na wyodrębnienie większej ilości i lepszych informacji z danych ze skanera i ulepszyły nie tylko fMRI, ale także spektroskopię MRI i DTI.

Ostatecznym celem badań nad obrazowaniem mózgu jest wyjaśnienie, w jaki sposób miliardy neuronów i połączeń w mózgu dają początek myślom. Ale naukowcy stosują również nowe techniki MRI do bardziej praktycznego, bezpośredniego celu: poprawy diagnozy i leczenia chorób psychicznych i zaburzeń uczenia się. Istnieje nadzieja, że ​​obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego zapewni o wiele dokładniejszą diagnozę chorób psychicznych, których objawy mogą być do siebie podobne, zapobiegając wieloletnim cierpieniom pacjentów, którzy zażywają niewłaściwe leki.

W ramach tych wysiłków naukowcy wykorzystują MRI do badania przyczyn nie tylko dolegliwości psychicznych, ale wszelkiego rodzaju nieprawidłowości mózgu i zaburzeń uczenia się, w tym często występujących u dzieci urodzonych przedwcześnie. I chociaż próby wykorzystania obrazowania mózgu w celu poprawy opieki psychiatrycznej nie przyniosły sukcesu w ciągu ostatniej dekady, nowe technologie MRI – w istocie znacznie silniejsze teleskopy na umyśle – dają nową nadzieję na znalezienie lepszych sposobów interwencji.

Dwubiegunowy odcisk palca

Jednym z liderów wysiłków na rzecz wykorzystania MRI w diagnostyce i leczeniu dolegliwości psychicznych jest John Port w Mayo Clinic w Rochester w stanie Minnesota. Port jest neuroradiologiem, który rozpoczął swoją karierę od studiowania elektrotechniki i informatyki na MIT, a później uzyskał doktorat z biologii komórki i doktora medycyny na Uniwersytecie Illinois. Jest więc na dobrej pozycji do badania zarówno podstawowej technologii MRI, jak i jej zastosowań w medycynie.

Prace Porta nad MRI mogą mieć szerokie zastosowanie w psychiatrii, ale na razie koncentruje się na swoim szczególnym zainteresowaniu: chorobie afektywnej dwubiegunowej. Choroba afektywna dwubiegunowa, nazywana również depresją maniakalną, charakteryzuje się wahaniami nastroju od dzikiego entuzjazmu do głębokiej depresji, z okresami stabilizacji pomiędzy nimi. Zdjęcia rentgenowskie lub konwencjonalne rezonanse magnetyczne nie wykazują różnicy między mózgami osób z chorobą afektywną dwubiegunową a tymi bez niej; czasopisma medyczne są zaśmiecone nieudanymi próbami wykorzystania obrazowania w celu znalezienia charakterystycznych objawów choroby.

Port uważa, że ​​wiele z tych prób było błędnych z naukowego punktu widzenia. – Mam listę zwierzątek, które dręczą długą na milę – mówi. Istnieje milion badań, ale pacjenci mogą przyjmować sześć różnych leków. Więc kiedy widzisz coś innego, czy to leki? A może coś się dzieje? Innym problemem związanym z wieloma wcześniejszymi badaniami, jak mówi, jest to, że obejmowały zbyt małą liczbę pacjentów. Nie można nic powiedzieć od 10 pacjentów. Wiele badań nie było tak rygorystycznych, jak powinno.

Rzeczywiście, pomimo lat pracy, neuronaukowcy wciąż nie wiedzą, co powoduje chorobę afektywną dwubiegunową ani dokładnie, które części mózgu są zaangażowane. Ten brak wiedzy poważnie utrudnił poszukiwanie bezpieczniejszych i skuteczniejszych sposobów leczenia choroby. Główne leki na chorobę afektywną dwubiegunową, lit i Depakote, istnieją od dziesięcioleci.

Oba zostały odkryte przez przypadek, gdy badacze próbujący zrobić coś innego zauważyli, że leki złagodziły objawy choroby afektywnej dwubiegunowej. I chociaż leki mogą być dość skuteczne u niektórych osób, lekarze nie mają pojęcia, jak działają i którzy pacjenci najprawdopodobniej odniosą korzyści. Aby znaleźć lepsze leki, naukowcy muszą być w stanie określić dokładne mechanizmy lub struktury związane z zaburzeniem afektywnym dwubiegunowym.

Wskazanie mechanizmów może również prowadzić do dokładniejszej oceny zaburzenia. Często diagnoza w psychiatrii odbywa się metodą prób i błędów, w której psychiatra dokonuje świadomych domysłów na podstawie zachowania lub zgłaszanych przez pacjenta objawów, przepisuje lek i sprawdza, czy to pomaga. Jeśli tak się nie stanie, psychiatra rozważa inną diagnozę i inny lek, dopóki coś nie zacznie działać.

To, czego potrzebują psychiatrzy, to jakiś test, który da im odpowiedź: ten pacjent ma chorobę lub nie, mówi Port. On i inni badacze mają nadzieję, że skanery MRI zapewnią ostateczną diagnozę. A dla tych w zawodzie zdrowia psychicznego, to by wszystko zmieniło. Resztę mojej kariery poświęcam wymyśleniu testu obrazowego, który pomoże psychiatrom zdiagnozować chorobę afektywną dwubiegunową i inne choroby – mówi Port.

Port jest jednym z wielu badaczy eksperymentujących obecnie ze spektroskopią MRI, w której oprogramowanie tworzy obraz mózgu na podstawie skanu spektroskopowego. Obraz składa się z pojedynczych punktów danych zwanych wokselami, sześcianami analogicznymi do pikseli w dwuwymiarowym obrazie komputerowym. Każda odpowiada objętości mniej więcej wielkości fasoli. Dla każdego woksela Port otrzymuje odczyt obecności lub nieobecności pewnych substancji chemicznych, które są wskaźnikami funkcji mózgu.

Aby zrozumieć, jak działa spektroskopia MRI, konieczne jest zrozumienie, w jaki sposób obrazowanie rezonansem magnetycznym działa bardziej ogólnie. Skanery MRI wychwytują niezwykle słabe sygnały elektromagnetyczne pochodzące od protonów w atomach cząsteczek tworzących tkanki organizmu – w tym przypadku tkankę mózgową.

Pomyśl o tym, jak o nasłuchiwaniu upuszczenia szpilki podczas burzy, mówi Port. Każdy proton ma pole magnetyczne skierowane w określonym kierunku, tak jak ma to miejsce na Ziemi. Kiedy MRI jest włączony, jego magnes ustawia pola magnetyczne protonów w tym samym kierunku. Wybuchy energii o częstotliwości radiowej tymczasowo wytrącają niektóre protony z równowagi. Kiedy protony wracają na swoje miejsce, uwalniają energię, generując maleńki sygnał, który detektory MRI mogą odebrać. Przerzucając protony na różne sposoby i mierząc różne właściwości tych przeskoków, w tym czas, jaki zajmują, naukowcy mogą zidentyfikować różne tkanki i substancje chemiczne w mózgu.

Korzystając ze spektroskopii MRI, Port może mierzyć poziomy substancji chemicznych, takich jak n-acetyloasparaginian, który znajduje się tylko w neuronach, lub glutaminian, który stymuluje aktywność komórek nerwowych. Kiedy Port zastosował tę technikę w wielu obszarach mózgu u pacjentów z chorobą afektywną dwubiegunową i porównał wyniki z wynikami zdrowych osób z grupy kontrolnej, wymyślił chemiczny odcisk palca, który wydawał się wskazywać na chorobę afektywną dwubiegunową.

Kiedy porównaliśmy wszystkich pacjentów z chorobą afektywną dwubiegunową w dowolnym stanie nastroju z ich dopasowanymi normalnymi osobami z grupy kontrolnej, odkryliśmy, że dwa obszary mózgu były znacząco różne, mówi Port. Port i jego zespół zidentyfikowali również zmiany w wielu regionach mózgu osób z chorobą afektywną dwubiegunową, które wskazywały, czy byli w stanie maniakalnym, czy w depresji. Znaleźliśmy chemiczną miarę stanu nastroju, mówi.

Czy więc Port znalazł od dawna poszukiwany test diagnostyczny na chorobę afektywną dwubiegunową? Czy jego chemiczny odcisk palca rzetelnie identyfikuje osoby z chorobą afektywną dwubiegunową i wyklucza tych, którzy jej nie mają?

Może, ale jeszcze nie może być pewien. Uważamy, że mamy coś dobrego, mówi, ale musimy to sprawdzić i upewnić się, że będzie to przydatne klinicznie. Jest to kwestia wypróbowania tej techniki na wystarczającej liczbie pacjentów, aby mieć pewność, że jest ona statystycznie poprawna – że nie przyniesie zbyt wielu wyników fałszywie dodatnich lub fałszywie ujemnych. Nie musi być idealna, ale musi być wystarczająco dobra, aby dodać przydatne informacje do tego, co psychiatrzy mogą dostrzec dzięki swoim tradycyjnym metodom diagnozy, wywiadów i analiz historii pacjentów.

Jeśli jednak Port ma rację, a technika się sprawdzi, byłby to punkt zwrotny w badaniach psychiatrycznych: test diagnostyczny na chorobę afektywną dwubiegunową. A jeśli technika działa w przypadku choroby afektywnej dwubiegunowej, może być dostosowana do innych chorób psychicznych.

Port i inni również eksperymentują z obrazowaniem tensora dyfuzji. DTI mierzy dyfuzję wody w mózgu. Woda przepływa przez mózg jak wszędzie – po ścieżce najmniejszego oporu. W mózgu, wzdłuż aksonów, długich ogonów neuronów, które przekazują sygnały elektryczne do innych neuronów. (To od tłustej, białej izolacji, która otacza większość aksonów, istota biała bierze swoją nazwę; reszta neuronu i nieizolowane aksony razem tworzą istotę szarą.)

Port dopiero zaczyna badać tę technikę. Ale w końcu naukowcy będą mogli klinicznie wykorzystać DTI do poszukiwania chorób, które wpływają na istotę białą – stwardnienia zanikowego bocznego [choroba Lou Gehriga] i schizofrenii, mówi Port.

Diagnozowanie rozwoju

Techniki, które bada Port, jeśli okażą się skuteczne, zostaną wykorzystane w diagnozowaniu osób już wykazujących objawy choroby psychicznej. Ale co z innymi, którzy mają predyspozycje do problemów, ale jeszcze nie zaczęli wykazywać objawów? Czy technologia MRI może pomóc w odnalezieniu tych osób, tak aby można było im pomóc, zanim pojawią się objawy?

W Columbii Peterson próbuje odpowiedzieć na to pytanie. On i jego współpracownicy są jednymi z pierwszych, którzy skanują mózgi wcześniaków – czasami w ciągu kilku dni od ich narodzin. Celem jest skatalogowanie rodzajów wykrytych nieprawidłowości w mózgu i opracowanie sposobów interwencji wcześniej niż kiedykolwiek wcześniej, aby spróbować je skorygować lub zrekompensować.

Peterson po raz pierwszy zainteresował się powikłaniami przedwczesnego porodu około 10 lat temu, kiedy rozpoczynał badania psychiatryczne na Uniwersytecie Yale. Odkrył coś bardzo niezwykłego w mózgach ludzi z zespołem Tourette'a. Większość z nas ma asymetrie w naszych mózgach – lewa strona nie pasuje dokładnie do prawej. Większość z nas ma też jedno oko, które jest większe od drugiego (co podkreślają fotografowie portretowi) i inne drobne asymetrie.

Ale mózgi ludzi z zespołem Tourette'a były inne. W mózgu Tourette'a wydawało się, że nie ma asymetrii, mówi Peterson. Podobny brak asymetrii zaobserwowano u zwierząt, które przeżyły skomplikowane porody. Peterson postanowił przyjrzeć się dzieciom, które urodziły się przedwcześnie. Podobnie jak Port, używa najnowszych technologii MRI, aby uzyskać informacje, które nie były wcześniej dostępne.

Był powód jego zainteresowania. Dzieci urodzone przedwcześnie są bardziej narażone na trudności w uczeniu się, a nawet choroby psychiczne. Zrozumienie, jak różnią się ich mózgi, powinno prowadzić do nowych sposobów, aby im pomóc.

Tak się złożyło, że Laura Rowe Ment, neurolog dziecięcy z Yale, obserwowała grupę 500 wcześniaków urodzonych w latach 1989-1992 w ramach trwającego badania. Peterson i Ment nawiązali współpracę. Pojawiły się doniesienia obrazowe sugerujące różnego rodzaju problemy w mózgu – w zakresie rozwoju mózgu. Ale były niekontrolowane, liczby były małe – impresjonistyczne, mówi Peterson.

Nawet biorąc pod uwagę mniejszy rozmiar ciała, wcześniaki mają zwykle nieproporcjonalnie małe głowy. Przypuszczano, że w późniejszym życiu rozmiar mózgu zmniejszy się, mówi Peterson. Naukowcy spekulowali również, że doszłoby do uszkodzenia istoty białej. Dzieci Menta, które miały wtedy około ośmiu lat, były szczególnie przydatne, ponieważ ona i jej koledzy dokumentowali wszystko, co im się przydarzyło od urodzenia.

Pierwszą rzeczą, jaką zrobił Peterson, było użycie skanera MRI do określenia wielkości mózgów ośmioletnich dzieci. Przypuszczenie było słuszne – ich mózgi były mniejsze niż normalnie. Jednak zmniejszenie rozmiaru nastąpiło tylko w niektórych obszarach mózgu – częściach kory, które zarządzają ruchem, wzrokiem, językiem, pamięcią oraz rozumowaniem wzrokowym i przestrzennym. Te regiony były dramatycznie mniejsze, mówi Peterson. Pozostałe części ich mózgów miały normalną lub zbliżoną wielkość.

Drugie przypuszczenie – dotyczące uszkodzeń istoty białej – również okazało się trafne. W obszarach motorycznych mózgów dzieci było mniej istoty białej, co oznacza, że ​​było tam stosunkowo niewiele połączeń przewodów. A zmniejszenie objętości korelowało z wynikami IQ. Im większa anomalia – im bardziej nienormalna była we wszystkich tych regionach – tym niższe było ich IQ, mówi Peterson.

Pytanie wtedy brzmiało: Czy te nieprawidłowości pojawiły się przed urodzeniem lub przed jego narodzinami, czy też jakiś czas później? Peterson rozpoczął skanowanie normalnych i wcześniaków. Skany wcześniaków wykazały, że mają te same nieprawidłowości w mózgu, co ośmiolatki. To było tak charakterystyczne, wzór nieprawidłowości, że prawie niemożliwe jest patrzenie na skan i nie można powiedzieć, że to wcześniaki, mówi Peterson.

Jedną z najistotniejszych różnic była wielkość maleńkich jamek w mózgu zwanych komorami. Komory są znacznie rozszerzone, około cztery razy większe u dzieci urodzonych przedwcześnie niż u dzieci w terminie, mówi Peterson. Widzieliśmy to u ośmiolatków i niemowląt. Tkanka wokół tych komór jest naprawdę uszkodzona… Sugeruje to, że te dzieci mają problemy z rozwojem jeszcze przed urodzeniem. Peterson obserwował noworodki przez dwa lata, a następnie przetestował je za pomocą pewnego rodzaju testu IQ przeznaczonego dla małych dzieci. Im wcześniej się urodzili, tym bardziej niedojrzałe były ich mózgi. A im bardziej niedojrzałe ich mózgi, tym niższe wyniki inteligencji.

Dla neuronaukowców odkrycie, że wcześniaki mają nieprawidłowości w mózgu, miało sens. Znaczna część wzrostu i rozwoju mózgu ma miejsce w drugiej połowie ciąży. Neurony zaczynają życie skupione w pobliżu centrum tego, co stanie się mózgiem, ale wkrótce zaczynają migrować na zewnątrz. Komórki glejowe, które pomagają neuronom w komunikacji, przechodzą okres gwałtownego wzrostu, który odpowiada za większość przyrostu masy mózgu. Neurony rozciągają meandrujące macki, szukając połączeń z innymi komórkami. W ostatnich tygodniach ciąży nawiązywane są miliardy połączeń. Aksony następnie rozwijają swoją białą, tłustą izolację. W tym czasie mózg jest znacznie nadmiernie rozwinięty, ze zbyt dużą liczbą przewodów i połączeń. Więc zaczyna się cofać. To tak, jakby każde połączenie było testowane, aby określić jego wartość. Użyteczne obwody są utrzymywane; pozostałe są odcinane, pozostawiając elegancką, wydajną maszynę.

Przedwczesny poród prawdopodobnie zaburza te procesy – migrację komórek nerwowych, wzrost komórek glejowych i istoty białej oraz przycinanie. Wcześniaki mają większość neuronów, które będą nosić ze sobą w dorosłym życiu, ale możliwe, że nie są we właściwych miejscach lub nie są odpowiednio połączone lub przetestowane. Naukowcy, mówi Peterson, intensywnie testują te możliwości.

Badania Petersona dają nadzieję, że pomogą dzieciom zrekompensować wszelkie osobliwości związane z mózgiem, jakie mogą mieć. „Chcemy wykorzystać obrazowanie, aby przewidzieć, kto będzie miał szczególnie trudne problemy w trakcie rozwoju, abyśmy mogli skuteczniej interweniować” – mówi. Ta interwencja może składać się ze specjalnie zaprojektowanych programów edukacyjnych lub fizjoterapii i innych metod leczenia mających na celu zrekompensowanie trudności fizycznych i emocjonalnych.

Kiedy Peterson rozpoczynał tę pracę, interesował się profesjonalnie. Ale teraz ma też osobisty interes. Dwa lata temu jego córka urodziła się cztery tygodnie za wcześnie. Chociaż nie wykazuje żadnych złych skutków, on mówi, że ją obserwuje i martwi się.

Burza mózgów

Kiedy Peterson mnie zeskanował, nie znalazł nic złego ani niepokojącego. Gdybym miał guza mózgu lub jakąś wyraźną anomalię, zauważyłby to. Ale to wszystkie klinicznie przydatne informacje, które mógł uzyskać z szybkiego skanowania. Gdyby Peterson poddał mnie wyrafinowanym skanom, których używa w przypadku wcześniaków, być może wykryłby jakieś dziwactwo w zachowaniu mojego mózgu. Ale ze względu na dużą zmienność normalnej struktury i funkcji mózgu, nie byłby w stanie wywnioskować, jak mój mózg różni się od innych ludzi.

Jednak w nadchodzących latach, w miarę postępu technologii, każdy z nas, z oczywistymi chorobami lub problemami neurologicznymi lub bez nich, może dowiedzieć się znacznie więcej o stanie naszych mózgów, percepcji i sposobie myślenia. Zła wiadomość jest taka, że ​​chociaż te techniki są bardzo potężne, nie są tam, gdzie powinniśmy być, mówi Desimone z MIT. Musimy używać tych magnesów MRI w sposób, w jaki nie były wcześniej używane.

Desimone's McGovern Institute właśnie zainaugurował Martinos Imaging Center. W jednym pomieszczeniu w centrum znajduje się najnowocześniejszy skaner MRI. Obok znajduje się kolejny pokój, który na razie pozostanie pusty. Mamy go tam dla nowego urządzenia, mówi Desimone. Nie wie jeszcze, co to będzie za urządzenie. To jest nasze wyzwanie – wymyślić to tutaj. Chodzi o to, by wyjść poza to, gdzie jesteśmy teraz, do technologii przyszłości.

Najnowsza książka Paula Raeburna to: Zapoznanie się z nocą , pamiętnik wychowania dzieci z depresją i chorobą afektywną dwubiegunową.

ukryć