MRI: Okno do mozku

Když mi Bradley Peterson, psychiatr a výzkumník z Kolumbijské univerzity, nabídl, že mi oskenuje mozek magnetickou rezonancí o velikosti malého přívěsu Airstream, okamžitě jsem řekl ano. Strávil jsem 10 minut vyplňováním celostránkového kontrolního seznamu (lhal jsem v otázce, zda nemám klaustrofobii) a dalších pár minut vyprazdňováním kapes a zbavováním se klíčů, náramkových hodinek a pera, ze kterých by se mohly stát střely uvnitř silné magnetické magnetické rezonance. pole.

Lehla jsem si na úzkou paletu, která se zasunula do stroje jako zásuvka v márnici. Stroj zasténal a řinčel, když nahlížel do mé lebky, a pak ztichl. S jemným zavrčením paleta vyklouzla a já se uvolnil. Přibližně za dobu, kterou trvalo vypálení několika CD na mém notebooku, se Peterson nakláněl nad obrazovkou a ukazoval mi detailní černobílý obrázek mého mozku.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z prosince 2005

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Skenování mozku, jako je to, které jsem měl já, jsou nyní rutinní a používají se pro všechno, od detekce známek mrtvice po vyhledávání podezřelých nádorů. Ale výzkumníci jako Peterson posouvají technologii MRI dále, než si kdokoli myslel, že by mohla jít. Zhruba v posledním desetiletí byla magnetická rezonance přepracována, aby odhalila nejen anatomii mozku, ale také způsob, jakým mozek funguje.

Zatímco konvenční MRI skeny, jako ten, který mi poskytl Peterson, odhalují fyziologické struktury, varianta nazývaná funkční MRI (fMRI) nyní může také zobrazovat průtok krve v průběhu času, což umožňuje výzkumníkům vidět, které oblasti mozku jsou aktivní během určitých úkolů.

Studie fMRI v posledních několika letech skutečně poskytly výzkumníkům překvapivé obrazy mozku, který skutečně pracuje. Ještě novějším rozšířením je MRI spektroskopie, další druh funkčního zobrazování, který monitoruje aktivitu konkrétních chemických látek v mozku – poskytuje jiné vodítka k funkci mozku než fMRI. A nejnověji vědci propagovali techniku ​​MRI nazvanou diffusion tensor imaging (DTI), která vytváří 3D obrazy křehké, pavoučí sítě drátů, které spojují jednu část mozku s druhou.

MRI se stala, říká Robert Desimone, ředitel McGovern Institute for Brain Research na MIT, nejmocnějším nástrojem pro studium lidského mozku. Přirovnávám to k vynálezu dalekohledu pro astronomy. Desimone poznamenává, že příchod dalekohledu neznamenal okamžitě revoluci ve vědeckém chápání vesmíru. To zabralo čas, protože se výzkumníci naučili používat svůj nový nástroj.

Totéž se děje s magnetickou rezonancí, říká Desimone. Vědci si právě nyní začínají uvědomovat potenciál těchto technik, které byly poprvé široce použity na lidech asi před 15 lety. V terénu zažíváte spoustu vzrušení, říká Desimone.

Ke zlepšení MRI přispělo několik technických pokroků. Na vrcholu seznamu je vývoj výkonnějších magnetů MRI, které umožňují podrobnější skenování s vyšším rozlišením. To, co jsou megapixely pro digitální fotoaparát, jsou tesla, měřítko síly magnetického pole, pro MRI: čím více jich máte, tím lepší je kvalita obrazu. Nejnovější magnetická rezonance generují magnetická pole o síle asi sedmi tesla, mnohotisíckrát silnější než magnetické pole Země a nejméně dvakrát silnější než pole obvykle používaná v nemocnicích. (Některá výzkumná centra, včetně McGovern Institute, mají 9,4-tesla MRI skenery pro studie na zvířatech.)

Dalším klíčovým vývojem je sled stále složitějších metod počítačové analýzy. Ty umožňují výzkumníkům extrahovat více a lepších informací z dat skeneru a zlepšily nejen fMRI, ale také MRI spektroskopii a DTI.

Konečným cílem výzkumu zobrazování mozku je pomoci vysvětlit, jak miliardy neuronů a spojení v mozku vyvolávají myšlenky. Ale vědci také aplikují nové techniky MRI na praktičtější, bezprostřední cíl: zlepšení diagnostiky a léčby duševních chorob a poruch učení. Doufáme, že zobrazení magnetickou rezonancí poskytne mnohem přesnější diagnostiku psychiatrických onemocnění, jejichž symptomy se mohou navzájem podobat, a zabrání tak letům utrpení pacientů užívajících nesprávné léky.

V rámci tohoto úsilí vědci používají MRI ke zkoumání příčin nejen psychiatrických onemocnění, ale všech druhů mozkových abnormalit a poruch učení, včetně těch, které se často vyskytují u předčasně narozených dětí. A zatímco pokusy o využití zobrazování mozku ke zlepšení psychiatrické zdravotní péče se v posledním desetiletí setkaly s malým úspěchem, nové technologie MRI – v podstatě mnohem silnější dalekohledy na mysli – poskytují novou naději na nalezení lepších způsobů, jak zasáhnout.

Bipolární otisk prstu

Jedním z vůdců ve snaze zapojit MRI do diagnostiky a léčby psychiatrických onemocnění je John Port na Mayo Clinic v Rochesteru, MN. Port je neuroradiolog, který začal svou kariéru studiem elektrotechniky a informatiky na MIT a později získal doktorát v buněčné biologii a MD na University of Illinois. Je tedy v dobré pozici pro výzkum jak základní MRI technologie, tak jejích aplikací v medicíně.

Portova práce na MRI by mohla mít široké uplatnění v psychiatrii, ale zatím se soustředí na svůj zvláštní zájem: bipolární poruchu. Bipolární porucha, nazývaná také maniodeprese, je charakterizována změnami nálady od divoké bujnosti po hlubokou depresi, mezi nimiž jsou období stability. Rentgenové snímky nebo konvenční magnetická rezonance neukazují žádný rozdíl mezi mozky lidí s bipolární poruchou a těch, kteří ji nemají; lékařské časopisy jsou plné neúspěšných pokusů použít zobrazování k nalezení charakteristických příznaků nemoci.

Port si myslí, že mnoho z těchto pokusů bylo vědecky chybných. Mám seznam mazlíčků dlouhý míli, říká. Existuje milion studií, ale pacienti mohou užívat šest různých léků. Takže když vidíte něco jiného, ​​jsou to léky? Nebo se něco děje? Dalším problémem mnoha dřívějších studií je, že zahrnovaly příliš málo pacientů. Z 10 pacientů nemůžete nic říct. Mnoho výzkumů nebylo tak přísných, jak by mělo být.

I přes roky práce neurovědci skutečně stále nevědí, co způsobuje bipolární poruchu, ani přesně, které části mozku jsou postiženy. Tento nedostatek znalostí vážně brzdí hledání bezpečnějších a účinnějších způsobů léčby této nemoci. Hlavní léky na bipolární poruchu, lithium a Depakote, existují již desítky let.

Oba byly objeveny náhodou, když si výzkumníci, kteří se snažili udělat něco jiného, ​​všimli, že léky zmírňují příznaky pacientů s bipolární poruchou. A přestože léky mohou být u některých lidí přiměřeně účinné, lékaři nemají ponětí, jak fungují nebo kteří pacienti budou s největší pravděpodobností přínosem. Aby vědci našli lepší léčiva, musí být schopni zaměřit se na přesné mechanismy nebo struktury zapojené do bipolární poruchy.

Určení mechanismů by také mohlo vést k přesnějšímu hodnocení poruchy. Diagnostika v psychiatrii se často provádí způsobem pokusu a omylu, při kterém psychiatr provede kvalifikovaný odhad na základě chování nebo symptomů, které pacient sám uvedl, předepíše léky a uvidí, zda to pomůže nebo ne. Pokud ne, psychiatr zvažuje jinou diagnózu a jiný lék, dokud něco nezačne fungovat.

Psychiatři potřebují nějaký test, který jim dá odpověď: tento pacient má nebo nemá nemoc, říká Port. On a další vědci doufají, že MRI skenery nabídnou definitivní diagnózu. A pro ty, kdo pracují v oblasti duševního zdraví, by to všechno změnilo. Zbytek své kariéry věnuji vymýšlení zobrazovacího testu, který pomůže psychiatrům diagnostikovat bipolární poruchu a další nemoci, říká Port.

Port je jedním z mnoha výzkumníků, kteří nyní experimentují s MRI spektroskopií, ve které software vytváří obraz mozku na základě spektroskopického skenování. Obraz se skládá z jednotlivých datových bodů nazývaných voxely, krychle analogické k pixelům ve 2D počítačovém obrazu. Každá odpovídá objemu přibližně velikosti ledvinky. Pro každý voxel Port získá údaje o přítomnosti nebo nepřítomnosti určitých chemikálií, které jsou indikátory funkce mozku.

Abychom pochopili, jak funguje MRI spektroskopie, je nutné trochu porozumět tomu, jak magnetická rezonance funguje obecněji. MRI skenery zachycují extrémně slabé elektromagnetické signály pocházející z protonů v atomech molekul, které tvoří tělesné tkáně – v tomto případě mozkovou tkáň.

Představte si to jako naslouchání špendlíku v bouřce, říká Port. Každý proton má magnetické pole, které ukazuje určitým směrem, stejně jako Země. Když je MRI zapnutá, její magnet vyrovná magnetická pole protonů ve stejném směru. Výbuchy radiofrekvenční energie dočasně vyřadí některé protony ze zarovnání. Když protony zapadnou zpět na místo, uvolňují energii a generují nepatrný signál, který mohou detektory MRI zachytit. Překlápěním protonů různými způsoby a měřením různých vlastností těchto převrácení, včetně času, který zaberou, mohou vědci identifikovat různé tkáně a chemikálie v mozku.

Pomocí MRI spektroskopie může Port měřit hladiny chemikálií, jako je n-acetyl aspartát, který se nachází pouze v neuronech, nebo glutamát, který stimuluje aktivitu nervových buněk. Když Port použil tuto techniku ​​v mnoha oblastech mozku u bipolárních pacientů a porovnal výsledky s výsledky od zdravých kontrol, přišel s chemickým otiskem prstu, který se zdál být indikátorem bipolární poruchy.

Když jsme porovnali všechny bipolární pacienty v jakémkoli stavu nálady s jejich odpovídajícími normálními kontrolními subjekty, zjistili jsme, že dvě oblasti mozku byly významně odlišné, říká Port. Port a jeho tým také identifikovali změny v mnoha oblastech mozku lidí s bipolární poruchou, které naznačovaly, zda byli v manickém stavu nebo depresi. Našli jsme chemické měřítko stavu nálady, říká.

Takže Port našel dlouho hledaný diagnostický test na bipolární poruchu? Dokáže jeho chemický otisk spolehlivě identifikovat lidi, kteří mají bipolární poruchu, a vyloučit ty, kteří ji nemají?

Možná, ale ještě si nemůže být jistý. Myslíme si, že jsme na něčem dobrém, říká, ale musíme to zkontrolovat a ujistit se, že to bude klinicky užitečné. Jde o to vyzkoušet techniku ​​s dostatečným počtem pacientů, abyste si byli jisti, že je statisticky validní – že nevyvolá příliš mnoho falešně pozitivních nebo falešně negativních výsledků. Nemusí to být dokonalé, ale musí být dostatečně dobré, aby přidalo užitečné informace k tomu, co mohou psychiatři rozpoznat prostřednictvím svých tradičních metod diagnostiky, rozhovorů a analýz historie pacientů.

Pokud je však Port správný a technika se osvědčí, byl by to mezník v psychiatrickém výzkumu: diagnostický test na bipolární poruchu. A pokud tato technika funguje s bipolární poruchou, mohla by být adaptabilní na jiná psychiatrická onemocnění.

Port a další také experimentují s difúzním zobrazováním tenzorů. DTI měří difúzi vody v mozku. Voda proudí mozkem jako kdekoli jinde – cestou nejmenšího odporu. V mozku, to je podél axonů, dlouhých ohonů neuronů, které přenášejí elektrické signály do jiných neuronů. (Bílá hmota dostala své jméno z tukové bílé izolace, která obklopuje většinu axonů; zbytek neuronu a neizolované axony tvoří šedou hmotu.)

Port právě začíná zkoumat techniku. Ale nakonec budou vědci schopni klinicky použít DTI k hledání nemocí, které interferují s bílou hmotou – amyotrofická laterální skleróza [Lou Gehrigova nemoc] a schizofrenie, říká Port.

Diagnostika vývoje

Techniky, které Port studuje, pokud se osvědčí, budou použity při diagnostice lidí, kteří již vykazují známky duševní choroby. Ale co ostatní, kteří jsou náchylní k problémům, ale ještě nezačali vykazovat příznaky? Může technologie MRI pomoci najít tyto lidi, aby jim bylo možné pomoci dříve, než se objeví příznaky?

V Columbii se Peterson snaží na tuto otázku odpovědět. On a jeho spolupracovníci jsou mezi prvními, kteří skenují mozek předčasně narozených dětí – někdy během několika dní po jejich narození. Cílem je katalogizovat typy mozkových abnormalit, které objevili, a vymyslet způsoby, jak zasáhnout dříve než kdy předtím a pokusit se je napravit nebo kompenzovat.

Peterson se poprvé začal zajímat o komplikace předčasného porodu asi před 10 lety, když začínal se svým psychiatrickým výzkumem na univerzitě v Yale. V mozcích lidí s Tourettovým syndromem objevil něco velmi neobvyklého. Většina z nás má v mozku asymetrie – levá strana přesně neodpovídá té pravé. Většina z nás má také jedno oko, které je větší než druhé (jak zdůrazní portrétní fotografové) a další drobné asymetrie.

Ale mozky lidí s Tourettovým syndromem byly jiné. V Tourettově mozku se zdálo, že neexistuje asymetrie, říká Peterson. Podobná absence asymetrie byla pozorována u zvířat, která přežila komplikované porody. Peterson se rozhodl podívat na děti, které se narodily předčasně. Stejně jako Port používá nejnovější technologie MRI, aby se pokusil získat informace, které dosud nebyly dostupné.

Jeho zájem měl svůj důvod. Předčasně narozené děti jsou vystaveny většímu riziku poruch učení a dokonce i psychiatrických onemocnění. Pochopení toho, jak se jejich mozky liší, by mělo vést k novým způsobům, jak jim pomoci.

Náhodou Laura Rowe Ment, dětská neuroložka z Yale, sledovala skupinu 500 předčasně narozených dětí narozených v letech 1989 až 1992 jako součást probíhající studie. Peterson a Ment navázali spolupráci. Objevily se obrazové zprávy naznačující různé druhy problémů v mozku – pokud jde o vývoj mozku. Ale byli nekontrolovaní, počty byly malé – byly impresionistické, říká Peterson.

I vzhledem k jejich menší velikosti těla mívají předčasně narozené děti neúměrně malé hlavy. Odhad byl, že velikost mozku se později v životě zmenší, říká Peterson. Vědci také spekulovali, že by došlo k poškození bílé hmoty. Mentovy děti, kterým tehdy bylo asi osm let, byly obzvlášť užitečné, protože ona a její kolegové zdokumentovali vše, co se jim stalo od jejich narození.

První věc, kterou Peterson udělal, bylo použití MRI skeneru k určení velikosti mozku osmiletých dětí. Odhad byl správný – jejich mozky byly menší než normálně. K poklesu velikosti však došlo pouze v určitých oblastech mozku – v částech kůry, které řídí pohyb, vidění, jazyk, paměť a vizuální a prostorové uvažování. Tyto oblasti byly dramaticky menší, říká Peterson. Ostatní části jejich mozku měly normální velikost nebo se jí blížily.

Druhý odhad – o poškození bílé hmoty – se také ukázal jako správný. V motorických oblastech mozku dětí bylo méně bílé hmoty, což znamená, že tam bylo relativně málo kabelových spojů. A snížení objemu korelovalo se skóre IQ. Čím větší byla abnormalita – čím abnormálnější byla ve všech těchto oblastech – tím nižší bylo jejich IQ, říká Peterson.

Otázka tedy zněla: Objevily se tyto abnormality při narození nebo před narozením nebo někdy později? Peterson začal skenovat normální a předčasně narozené děti. Skenování předčasně narozených novorozenců ukázalo, že měli stejné mozkové abnormality jako osmileté děti. Bylo to tak výrazné, vzor abnormalit, že je téměř nemožné podívat se na sken a nebýt schopen říct, že se jedná o předčasně narozené dítě, říká Peterson.

Jeden z nejvýraznějších rozdílů byl ve velikosti malých dutin v mozku známých jako komory. Komory jsou masivně dilatované, asi čtyřikrát větší u předčasně narozených dětí než u dětí v termínu, říká Peterson. Viděli jsme to u osmiletých dětí a kojenců. Tkáň kolem těchto komor je skutečně poškozená… To naznačuje, že tyto děti mají problémy ve vývoji ještě předtím, než se narodí. Peterson sledoval novorozence dva roky a poté je otestoval jakýmsi IQ testem určeným pro batolata. Čím dříve se narodili, tím nezralejší byl jejich mozek při narození. A čím jsou jejich mozky nezralejší, tím nižší je skóre jejich inteligence.

Pro neurovědce bylo zjištění, že předčasně narozené děti měly mozkové abnormality, smysl. K velké části růstu a vývoje mozku dochází v poslední polovině těhotenství. Neurony začnou žít shluky blízko středu toho, co se stane mozkem, ale brzy začnou migrovat ven. Gliové buňky, které pomáhají neuronům komunikovat, procházejí obdobím explozivního růstu, který je odpovědný za většinu nárůstu hmotnosti mozku. Neurony rozšiřují meandrující chapadla a hledají spojení s jinými buňkami. Během posledních týdnů těhotenství se navazují miliardy spojení. Axony pak vyvinou své povlaky bílé, mastné izolace. V této době je mozek masivně nadměrně vyvinutý a má příliš mnoho drátů a spojení. Takže se začne škrtat. Je to, jako by bylo každé připojení testováno, abychom určili jeho hodnotu. Užitečné obvody jsou zachovány; ostatní jsou odříznuty, takže zůstane elegantní a efektivní stroj.

Předčasný porod pravděpodobně naruší tyto procesy – migraci nervových buněk, růst gliových buněk a bílé hmoty a trimování. Předčasně narozené děti mají většinu neuronů, které si s sebou ponesou do dospělosti, ale je možné, že nejsou na správných místech nebo nejsou řádně propojeny či testovány. Výzkumníci, říká Peterson, tyto možnosti intenzivně testují.

Petersonův výzkum nabízí naději, že dětem pomůže kompenzovat jakékoli zvláštnosti související s mozkem, které mohou mít. Chceme použít zobrazování k předpovědi, kdo bude mít v průběhu vývoje obzvláště obtížné problémy, abychom mohli účinněji zasahovat, říká. Tato intervence může sestávat ze speciálně navržených vzdělávacích programů nebo fyzikální terapie a dalších léčebných postupů ke kompenzaci fyzických a emocionálních potíží.

Když Peterson začal tuto práci, jeho zájem byl profesionální. Ale teď má i osobní zájem. Před dvěma lety se mu narodila dcera o čtyři týdny dříve. Zatímco ona nevykazuje žádné škodlivé účinky, říká, že ji sleduje a dělá si starosti.

Brainstorming

Když mě Peterson prohlédl, nenašel nic špatného ani znepokojivého. Kdybych měl nádor na mozku nebo nějakou výraznou abnormalitu, všiml by si toho. Ale to jsou asi všechny klinicky užitečné informace, které mohl získat rychlým skenováním. Kdyby mě Peterson nechal projít sofistikovanými skeny, které používá u předčasně narozených dětí, možná by mohl odhalit nějakou zvláštnost ve způsobu, jakým se můj mozek chová. Ale kvůli velké variabilitě normální mozkové struktury a funkce by nebyl schopen dospět k konkrétnímu závěru o tom, jak se můj mozek liší od mozku ostatních lidí.

V nadcházejících letech, jak se technologie neustále zlepšuje, se však může stát, že kdokoli z nás, ať už se zjevnými nemocemi nebo neurologickými problémy, nebo bez nich, se dozví mnohem více o stavu našeho mozku, našem vnímání a myšlení. Špatnou zprávou je, že ačkoli jsou tyto techniky velmi účinné, nejsou tam, kde bychom měli být, říká Desimone z MIT. Potřebujeme tyto magnety MRI použít způsoby, jakými se dosud nepoužívaly.

Desimone’s McGovern Institute právě slavnostně otevřel Martinos Imaging Center. V jedné místnosti uprostřed je umístěn nejmodernější MRI skener. Vedle je další místnost, která zatím zůstane prázdná. Máme to tam pro nové zařízení, říká Desimone. Zatím neví, co to bude za zařízení. To je naše výzva – vymyslet to tady. Smyslem je jít dál, než jsme nyní, k technologii budoucnosti.

Nejnovější kniha Paula Raeburna je Seznámení s Nocí , monografie o výchově dětí s depresí a bipolární poruchou.

skrýt