Використання дифузійно-тензорних зображень в неврологічній практиці (огляд літератури)

З моменту перших повідомлень про значення магнітно-резонансної томографії (МРТ) для діагностики захворювань головного мозку пройшло близько 15 років. Метод продовжує розвиватися за загальними законами всесвіту від простого до складного, від візуалізації органічних змін до складних функціональних методик, відкриваючи шлях досліднику до глибинних секретів фізіології мозку. Стандартні МР-зображення головного мозку вже не задовольняють вимогам сучасної нейрофізіології і нейрохірургії. Методики, що з'явилися порівняно недавно, дозволяють створювати функціональні карти кори головного мозку, вивчати явища перфузії і дифузії в головному мозку внесли неоцінимий внесок в уявлення про функціональну його активність. Застосування функціональних методик МРТ неухильно розширюється, проте вони не дозволяють визначити зв'язки між окремими ділянками головного мозку. Проблема взаємодії різних ділянок мозку обговорюється до цього дня. Мозок складaється із понад 100 більйонів нейронів, зв'язаних між собою за допомогою аксонів, створюючи комплекс нейронної мережі. Структурне картування цієї нейронної мережі у здорових осіб і хворих на різні неврологічні захворювання важливо для розуміння функціонування мозку. На жаль, наше уявлення про взаємодію структур мозку поки що обмежене. Новою сходинкою в пізнанні макроскопічної аксональної організації нервової тканини стали дифузійно-тензорні зображення (ДТЗ). ДТЗ можуть забезпечувати in vivo унікальну інформацію про інтеграцію структур білої речовини мозку та зв'язки між цими структурами. Це стало можливим за допомогою неінвазивної техніки, що базується на дифузійно-зважених МРТ зображеннях (ДЗЗ).

У клінічних ДЗЗ два скана формуються для кожного зрізу мозку. Один скан - це стандартне Т2-зважене зображення. Друге зображення модифікується в процесі сканування, роблячи його чутливим до руху води (дифузії) у вибраному напрямку. Потім, для кожного вокселя одержаного зрізу мозку виконується аналіз зміни інтенсивності сигналу між першим і другим зображенням. Різниця між двома зображеннями використовується для обчислення індексу середньої швидкості дифузії води. Дифузійно-зважені МРТ зображення вельми чутливі до процесів, що змінюють розмір позаклітинного простору, наприклад, розвиток цитотоксичного набряку у ділянці ішемії. Проте ДЗЗ дають обмежену інформацію про напрямок дифузії води.

У дифузійно-тензорних зображеннях мінімум сім зображень формуються для кожного зрізу. Як і в ДЗЗ, одне зображення - стандартне Т2-зважене, інші - чутливі до руху води у різних напрямках. З набору семи зображень для кожного вокселя обчислюється матриця, що описує швидкість дифузії на всіх напрямках. Ця матриця є тензором дифузії і дозволяє обчислювати цілий ряд параметрів, що характеризують дифузію води. У сірій речовині, наприклад, швидкість дифузії звичайно однакова на всіх напрямках (ізотропна дифузія). У білій речовині швидкість дифузії води істотно вище паралельно аксонам, ніж упоперек (анізотропна дифузія). Ступінь анізотропії всередині кожного вокселя дає інформацію про структурну цілісність білої речовини, що може бути використано для ідентифікації зони патології або ураження. Головний напрямок дифузії (власний вектор, який відповідає максимальному власному значенню) дає інформацію про орієнтацію нервових волокон.

Це дає можливість на базі ДТЗ розвиватися ще одному перспективному напрямку, - трактографії, що дозволяє візуалізувати пучки нервових волокон, які сполучають різні зони мозку. Методика досить складна для рутинного застосування, вимагає участі фізіолога, що володіє прекрасними знаннями анатомії мозку, та фізика, що здійснює математичну обробку вихідних даних. У теперішній час є нечисленні, розрізнені повідомлення про дослідження різних структур мозку із застосуванням трактографії. Але й ці нечисленні відомості проливають світло на архітектуру білої речовини, в деяких випадках навіть змінюючи наші уявлення про неї. Так, наприклад, Hofer S. із співавт., досліджуючи топографічний розподіл волокон, що проходять крізь мозолисте тіло в кору мозку в сагиттальній проекції, встановили п'ять вертикальних сегментів в мозолистому тілі, які включають волокна, що проектуються в префронтальну, премоторну, моторну та сенсорну області, в кору тім'яної, скроневої і потиличної областей. Істотні відмінності із загальноприйнятої схеми архітектури нервових пучків мозолистого тіла були визначені в середній і передній його частинах. Зокрема, пучки моторних волокон що перетинають мозолисте тіло були локалізовані більш дорзально, ніж вважалося раніше. Відмінності в рухливості молекул води корелювали з відмінностями в мікроструктурі волокон, які перетинають мозолисте тіло, що обумовлює найвищу анізотропію в задній його третині. Найнижча анізотропія спостерігалася у відділах, пов'язаних з сенсорною і моторною корою. Таким чином, трактографія мозолистого тіла, заснована на ДТЗ пропонує модифікацію загальноприйнятої раніше схеми пучків нервових волокон у мозолистому тілі та нову класифікацію вертикальних порцій волокон.

Habas C. із співавт. переглядають дані про аферентні і еферентні зв'язки червоного ядра за допомогою даних ДТЗ і трактографії. Пучки нервових волокон на отриманих зображеннях від червоного ядра прямували до кори прецентральної і передньої фронтальної звивин, а в двох випадках, - додатково до кори скроневої частки і стріатуму. В межах стовбура мозку тракт проходив крізь верхні ніжки мозочка і центральну частину покришки. Автори зробили висновок про те, що червоне ядро людини одержує еферентний сигнал від сенсорної і моторної кори.

Більшість клінічних досліджень із застосуванням ДТЗ присвячена дослідженню аномалій розвитку головного мозку, перинатальної патології новонароджених і дітей молодшої вікової групи. Автори відзначають, що чутливість ДТЗ до мікроструктурних змін в нервовій тканині вище за стандартну МРТ. ДТЗ дало можливість візуалізувати архітектуру мозку у недоношених дітей, спостерігати головний мозок, що розвивається, та вдосконалення його мієлінізації, мікроархітектуру кори головного мозку в період її розвитку. ДТЗ забезпечує проведення кількісних вимірювань, таких як середній коефіцієнт дифузії (СКД) і фракційна анізотропія (ФА), які відображають глибинні процеси в тканині білої і сірої речовини і, таким чином, можуть бути використані як відправні пункти для розробки кількісної оцінки аномалій розвитку мозку. Більш того, тривимірна трактографія, заснована на ДТЗ, може відкрити зв'язки, що розвиваються, між аксонами в головному мозку також як і аберантні зв'язки в структурах мозку при різних його мальформаціях. Нові відомості про дозрівання мозку, одержані за допомогою ДТЗ обіцяють поліпшити якість діагностики багатьох природжених, метаболічних і генетичних захворювань. Stegemann T. із співавт. відзначають, що останнім часом методика знайшла широке застосування в психіатричній практиці, особливо в дитячій психіатрії. ДТЗ використовуються для виявлення порушень в будові мозку у дітей раннього віку і підлітків. Trivedi R. із співавт., досліджуючи білу речовину мозку у дітей з полімікрогирією, що проявлялася судомним синдромом, дійшли висновку про наявність ектопічних нейронів в субкортікальних відділах білої речовини великих півкуль мозку, що відповідало значному зниженню значення ФА без зміни значення СД в субкортікальних відділах білої речовини, прилеглої до кори, яка складається з багатьох дрібних звивин. Munakata M. із співавт. відзначають високу інформативність комбінації ДТЗ і функціонального картування мозку для таких пацієнтів. Автори виявили зменшення об'єму пучків нервових волокон у дітей з полімікрогирією, що пояснювало зниження функції ураженої кори. Wozniak J.R. із співавт. відзначають, що тільки використання ДТЗ дозволяє виявити мікроструктурні аномалії у пацієнтів з фетальним алкогольним синдромом (ФАС). Використовуючи ДТЗ, автори виявили збільшення середньої дифузії в перешийку мозолистого тіла в порівнянні з контрольною групою, що дозволило припустити мікроструктурні порушення в даному уворенні. Dreha-Kulaczewski S. із співавт. досліджували головний мозок у дітей із спадковою спастичною параплегією, що поєднується з дисгенезією мозолистого тіла, яка є складною формою генетичної аномалії, що успадковується по аутосомно-рецесивному типу. На стандартних МР-зображеннях виявлялося зменшення товщини мозолистого тіла та зміни в білій речовині мозку дрібновогнищевого характеру, що не змінюються при спостереженні в динаміці. Пацієнтам проводилася магнітно-резонансна спектроскопія і також ДТЗ. При МР-спектроскопії були виявлені значні метаболічні порушення, такі як зниження концентрації N-ацетиласпартата і N-ацетіласпартіл-глутамата, креатину, фосфокреатину і структур, які містять холін. Спостерігалося прогресування цих порушень на протязі 5 років. На ДТЗ виявлено зниження фракційної анізотропії в перивентрікулярній зоні. Метаболічні та структурні порушення поєднувалися з прогресуючою загибеллю аксонів в білій речовині мозку і одночасною проліферацією астроцитів. На стандартних МР-зображеннях ніяких змін в динаміці виявлено не було. Автори роблять висновок про первинне ураження аксонів при цьому захворюванні, що можливо обумовлює порушення аксональної провідності. Поєднання декількох МРТ-модальностей для дослідження різноманітних патологічних процесів в головному мозку - досить часте явище. Barkovich A.J. із співавт. досліджували зміни в головному мозку у дітей з перинатальною енцефалопатією впродовж двох перших тижнів життя в динаміці, використовуючи МР-спектроскопію і ДТЗ. Автори відмічають кореляцію в показниках МРС і ДТЗ. Ці параметри погіршувалися впродовж 5 днів і потім нормалізувалися. У більш тяжких випадках зміни залишалися. Автори відмічають значення ДТЗ для спостереження дітей з родовими травмами в перші дні життя і формування прогнозу захворювання.

Є роботи, присвячені дослідженню змін в головному мозку у хворих з епісиндромом різної етіології. Результати цих досліджень суперечливі. Так, Salmenpera T.M. із співавт. відзначають зниження показників ФА і підвищення показників СД в ураженому гіпокампі при відсутності змін на стандартних МР-зображеннях. Yu A.H. із співавт. також відмічають підвищення показників СД в гіпокампі, проте стверджують, що показники ФА не відрізнялися від показників в контрольній групі. Обидві групи авторів, проте, відмічають високу інформативність ДТЗ для майбутнього хірургічного втручання і низьку інформативність стандартної МРТ для цієї категорії хворих. Навпаки, Gross D.W. із співавт. стверджує, що порушення показників ДТЗ визначається лише у пацієнтів із змінами в білій речовині мозку на стандартних МРТ.

Зміни показників СД і ФА в гіпокампі спостерігаються і у хворих на шизофренію. Етіологія шизофренії невідома. Проте, не зважаючи на цю обставину, існує надія, що порушення в мозку, що призводять до виникнення захворювання, відкриються. Теорія органічних змін в головному мозку хворих на шизофренію знайшла друге життя в 1970 році, коли на КТ-зображеннях мозку було виявлене збільшення шлуночків у пацієнта. З того часу, при появі кожної нової методики дослідження, як наприклад МРТ, позитроно-емісійної томографії (ПЕТ), фМРТ, ДТЗ, проводяться спроби знайти які-небудь зміни в білій і сірій речовинах мозку. Дослідники вказують на зниження показників ФА і підвищення показників СД у ділянці склепіння у пацієнтів, які страждають на шизофренію, що поєднувалося із зменшенням об'єму гіпокампу білатерально. Також мала місце кореляція між змінами показників СД, ФА і зниженням в результатах нейропсихологічного тесту (зниження епізодичної пам'яті).