Диссертация (Системная организация работы мозга при обеспечении целенаправленного поведения), страница 6

И сегодня редкокрупная конференция по картированию функций мозга обходится без, буквально,километровых экспозиций постеров, демонстрирующих экспериментальныеданные, полученные с использованием ПЭТ и/или фМРТ методов. Однако, как уже27отмечалось выше, как и в случае с регистрацией активности нейронов, когдафактическилюбаяисследуемаяпопуляциянейроновдемонстрировала«корреляты» исследуемой деятельности, довольно быстро стало очевидным, чтоодна и та же область может вовлекаться в обеспечение целого спектра исследуемыхвидов деятельности.

Накопившиеся данные ПЭТ\фМРТ исследований позволяютвысказаться о функциональной специализации той или иной области мозга, но этоне раскрывает того, как именно они работают. То есть, приходится констатировать,что основные идеи о принципах системной организации мозга, выявленные прианализе экспериментального материала, полученного при непосредственномконтакте с мозгом человека на микроуровне, пока не получили должного развитияна новом технологическом уровне томографических нейровизуализационныхисследований.С одной стороны, возможный выход из сложившейся ситуации можетзаключатьсявиспользованиикомплексныхполиметодическихподходов,позволяющих нивелировать методические недостатки каждого из широкоприменяемых методов и получать именно взаимодополняющие данные.

Вчастности, при специальной организации исследований, сочетанное (и необязательноодновременное)использованиеэлектрофизиологическихитомографических методов позволяет выявлять локализацию и определятьдинамические характеристики ключевых звеньев функциональных систем. Так,например, в течение достаточно продолжительного времени, в исследованияхселективного внимания, на ПЭТ выявлялось сравнительное увеличение локальногомозгового кровотока (лМК) в зрительных областях при внимании к слуховойинформации. При этом игнорировалась одновременно подаваемая зрительнаяинформация. Казалось бы парадоксальный результат, физиологическую причинукоторого не могли долгое время понять, получил объяснение в ВП-исследовании(вызванные потенциалы). Наблюдаемая на ПЭТ активность зрительной коры, какпоказало ВП-исследование отражала процессы активного торможения зрительнойинформации (Медведев, и др., 2003).28Следует, однако, отметить, что несмотря на очевидную эффективностьподобных сочетанных электрофизиологических и томографических исследований,получение именно взаимодополняющих данных не всегда возможно, например,при выраженных генерализованных изменениях ЭЭГ.

Эта проблема не решаетсядаже при одновременной регистрации ЭЭГ и фМРТ сигналов, посколькутехническиесложностиобработкиданныхиразличиябиофизическиххарактеристик самих получаемых данных (в том числе в терминах временного ипространственного разрешения) пока перевешивают полезность их совместнойрегистрации.Крометого,проведениетакихисследованийнакладываетповышенные методические требования на организацию дизайна исследования ивыбор методов статистической обработки данных (так, подробное методическоеописание проблематики комбинирования фМРТ и ЭЭГ можно найти в обзоре(Jorge, et al., 2014)).В связи с этим, наиболее подходящим способом решения задачи по изучениюсистемной организации активности мозга является целенаправленный анализпоказателейфункциональныхвзаимодействий.Однимизтакихширокоиспользуемых методов является оценка функциональной связности (functionalconnectivity) на материале BOLD-сигнала (blood oxygen level dependent signal,фМРТ-сигнал, зависимый от уровня насыщения крови кислородом).

Общий смыслметода по анализу функциональной связности заключается в выявлении областеймозга, которые характеризуются сходными статистическими свойствами сигнала.Для этого могут использоваться: корреляционный анализ сигнала (Fox, et al., 2005,Friston, 2011, Biswal, 2012, Power, et al., 2014), метод независимых компонент(McKeown, 2003), теория графов (Bullmore, Sporns, 2009) и т.д.

Преимуществоприменения методов по анализу функциональной связности заключается впреодолении ряда методических ограничений, присущих стандартной обработкефМРТ-данных. В частности, в активационных исследованиях, когда в задачуисследования входит поиск областей мозга, вовлекаемых в обеспечениеисследуемыхстатистическаяпроцессов,модельиликомпонентмножественнойдеятельности,регрессии.Прииспользуетсяеесоздании29подразумевается, что форма гемодинамического ответа одинакова для всехучастков мозга.

Однако, при этом известно, что характер гемодинамическогоответаможетварьироватьсянетолькомеждуиспытуемыми(всилуиндивидуальных особенностей), но и между разными отделами мозга (Handwerker,et al., 2004). На практике, в фундаментальных и клинических исследованиях мозгаэтим обычно пренебрегают. Например, при заболеваниях, в силу патологическихпричин могут наблюдаться изменения или нарушения мозговой гемодинамики, чтоснижаетэффективностьистатистическуюмощностьиспользуемыхстатистических моделей.

Анализ функциональной связности позволяет обойти этоограничение.Применениеметодафункциональнойсвязностиневсегдаподразумевает использование статистических моделей, которые предполагаютстандартизированную форму анализируемого сигнала (например, функциягемодинамического ответа). Поскольку в рамках этого метода используется анализкорреляции BOLD-сигнала, зарегистрированного в выбранной области интереса, исигналов в каждом элементе фМРТ изображения (вокселе или другой областиинтереса), которые регистрируются в условиях выполнения тестового заданияи/или в состоянии оперативного покоя (Fox, et al., 2010, Biswal, 2012).Наглядным примером эффективности применения метода по анализуфункциональной связности, демонстрирующим преодоление указанных вышеограниченийактивационныхисследований,можетслужитьслучайегоклинического применения в ИМЧ РАН.

Пациенту А (49 лет), по клиническимпоказателям (ПЭТ исследование с 11-С-метионином установило анапластическийхарактер опухоли) было показано проведение стереотаксической операции. Объемоперации предполагал поэтапную биопсию опухоли из области ее наиболееметаболически активной зоны. Для минимизации послеоперационных нарушенийречевой функции, с учетом локализации образования с вовлечением зоны Вернике(поле 39, 40 по Бродманну), потребовалось дооперационное проведениеклинической фМРТ с речевыми пробами для выявления индивидуальнойлокализации мозговых систем, вовлекаемых в обеспечение речи (называние вслухизображений).

В результате проведенной фМРТ-диагностики, осуществлявшейся в30рамках стандартного подхода с применением моделирования гемодинамическогоответа, в непосредственной близости от области планируемой операции не былообнаружено областей мозга, вовлекаемых в обеспечение речевой деятельности(называние изображений, см. Рисунок 1, А). Однако в ходе операции былиотмечены обратимые нарушения речевой функции, с учетом которых былуменьшенсуммарныйобъемкриодеструкции.Т.е.очевиднымобразом,наблюдаемые в ходе операции преходящие речевые нарушения не соответствуютданным фМРТ. Таким образом, в силу методических ограничений, ход операциине был скорректирован предварительно, поскольку моделирование не учитываетвозможныхпатологическихизмененийгемодинамики.Дляверификациивыявленных особенностей неэффективности стандартной предоперационнойфМРТ-диагностики, вместе с тем широко используемой в клинической практике(Stippich, 2007), был проведен дополнительный анализ «функциональнойсвязанности» BOLD-сигнала: 1) выбор области интереса (ОИ) в интактномполушарии; 2) извлечение среднего по ОИ изменения BOLD-активности; 3) поисквокселей, BOLD-сигнал которых коррелирует с BOLD-сигналом в выбранной ОИ.В результате анализа функциональной связанности удалось установить причинупреходящих речевых нарушений.

Было показано, что локализация мишенистереотаксического воздействия совпала с расположением функциональнозначимой области (см. Рисунок 1, Б).31Рисунок 1. Результат применения метода функциональной связности вклинической практике. Обозначения: синим цветом обозначены стереотаксическиемишени, хирургическое воздействие на которые не приводило к нарушениям речи;зеленым цветом отмечена область, охлаждение которой привело к преходящимнарушениями речи.Приведенный пример указывает не только на необходимость использованиясочетанных подходов в клинической практике, но и на пользу их применения висследованиях функций здорового мозга.Следует отметить, что, несмотря на довольно раннее открытие (Biswal, 1995),анализ функциональной связности в настоящий момент является одним из активноразвиваемых направлений функциональной томографической нейровизуализацииздорового и больного мозга (Bullmore, 2012, Biswal, 2012) и находит широкоеприменение в клинической практике.

Однако, при всей эффективности данногометода анализа фМРТ данных следует признать, что он не подходит для детальногоизучения именно взаимодействий структур мозга, на основании изучения которыхможно было бы судить о системных свойствах работы мозговых систем. Дело в32том, что корреляция изменений BOLD-сигнала в дистантно расположенныхобластях мозга может наблюдаться как в случаях относительно независимогофункционирования, так и являться отражением их объединения в единую систему.Как уже было сказано выше, синхрония отражает лишь условия формированияфункциональных связей.Поэтомунаиболееэффективнымидляизученияорганизациифункциональных взаимодействий являются методы, позволяющие оцениватьизменения статистической зависимости между активностью двух анализируемыхобластей мозга, вызванные изменением типа и/или изучаемого аспекта текущейдеятельности. Примером такого метода является анализ «психофизиологическихвзаимодействий», (psycho-physiological interactions, PPI- метод (Friston, et al., 1997,Gitelman, 2003)) направленный на выявление структур мозга, на которые оказываетвлияние физиологическая активность (BOLD-сигнал), зависимая от психическихопераций текущей деятельности.