Мультиспиральные сканеры позволяют одновременно получать 4 изображения («среза») со скоростью до 120 оборотов в минуту. Томограмма получается за несколько секунд.

 

12) Методы двух - и однофотонной томографии (ПЭТ и ОФЭКТ): физическая сущность методов, временная и пространственная разрешающая способность, типы получаемых данных, ограничения на использование методического и методологического характера.

Позитронно-Эмисионная Томография (ПЭТ) основана на выявлении распределения в мозге различных химических веществ, которые участвуют в метаболизме мозга.

 

Сигналы ПЭТ отражают нейронную активность, связанную с реализацией функций мозга (включая психические процессы и состояния) следующим образом:

1.Задача/стимул вызывают специфические изменения в активности нейронов.

2. Изменения активности нейронов сопровождаются локальными изменениями в метаболизме.

3. Локальные изменения в метаболизме – через РФП(радифармпрепараты) - отражаются в сигналах ПЭТ.

 

Явление позитронной эмиссии – исход из ядра позитронов (позитрон противоположен электрону), в которой нарушен баланс между позитроном и электроном.

 

Эмиссионные изображения показывают распределение радиомаркера внутри тела

 

В вену или ингаляционно вводятся радифармпрепараты(радиотрейсеры) = биологически активные молекулы, меченные короткоживущими (10-110 мин.) изотопами с позитронным типом распада (кислород ¹⁵О, ¹⁸F, ¹¹С, ¹³N) ( замещение соответствующего элемента на такой изотоп не влияет на химические свойства вещества, но позволяет проследить его движение)

В мозге радиоактивные изотопы излучают позитроны, каждый из которых, пройдя че­рез ткань мозга примерно на 3 мм от локализации изотопа, сталкивается с элек­троном. Столкновение между этими частицами приводит к уничтожению частиц (аннигиляция) и появлению пары гамма-квантов, которые разлетаются от места столкновения в раз­ные стороны теоретически под углом в 180° друг к другу. Голова субъекта помещена в специальную ПЭТ-камеру, в которую в виде круга вмонтированы кристалличе­ские детекторы протонов. Подобное расположение детекторов позволяет фикси­ровать момент одновременного попадания двух «разлетевшихся» от места столк­новения протонов двумя детекторами, отстоящими друг от друга под углом в 180°.

Наиболее часто применяют лиганд F 18 — дезоксиглюкозу (ФДГ). ФДГ явля­ется аналогом глюкозы. Области мозга с разной метаболической активностью по­глощают ФДГ соответственно с разной интенсивностью, но не утилизируют ее. Концентрация изотопа F18 в нейронах разных областей увеличивается неравно­мерно, следовательно, и потоки «разлетающихся» протонов на одни детекторы попадают чаще, чем на другие. Информация от детекторов поступает на компью­тер, который создает плоское изображение (срез) мозга на регистрируемом уров­не.

 

Информацию об метаболической активности накладывают на усредненную модель мозга. Можно совмещать с данными КТ.

 

ОФЭКТ – однофотонная эмиссионная компьютерная томография

В ОФЭКТ применяются радиофармпрепараты, меченные радиоизотопами, ядра которых при каждом акте радиоактивного распада испускают только один гамма-квант (фотон)

Радионуклиды (технеций, таллий). Иодид натрия (сцинтилл.) с примесью таллия (активатор)

Исследование проводится в сцинциляционной гамма-камере

Сцинтилляторы — вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, и т. д.). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения.

 

 

Плюсы: даёт отображение процессов в клетках организма на уровне обмена веществ; период полураспада радиоизотопов мал, лучевое облучение чрезвычайно мало и не затрагивает нормальные процессы тела. Это позволяет при необходимости проводить повторные исследования.

 

Минусы: Очень дорогой метод. Изотопы мало живут (О15 излучает 10-15 минут)

 

Разрешающая способность: Толщина среза, а также минимальная величина элементарной точки изображения (пиксела) зависят от геометрических размеров и плотности упаковки детекторов ПЭТ-камеры (несколько тысяч).

Максимальное пространственное разрешение достигается при использовании изотопа фтора - F¹⁸

Временной шаг 5 сек.

13) Методы структурной (сМРТ) и функциональной (фМРТ: ‘BOLD’) магнитно-резонансной томографии (ядерно-магнитного резонанса): физическая сущность методов, временная и пространственная разрешающая способность, типы получаемых данных, ограничения на использование методического и методологического характера.

Магни́тно-резона́нсная томогра́фия (МРТ) — способ получения томографических медицинских изображений для исследования внутренних органов и тканей с использованием явления ядерного магнитного резонанса. Способ основан на измерении электромагнитного отклика атомных ядер, чаще всего ядер атомов водорода^[1], а именно, на возбуждении их определённым сочетанием электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.

Функциональная МРТ (фМРТ) — метод картирования коры головного мозга, позволяющий определять индивидуальное местоположение и особенности областей мозга, отвечающих за движение, речь, зрение, память и другие функции, индивидуально для каждого пациента. Суть метода заключается в том, что при работе определённых отделов мозга кровоток в них усиливается. В процессе проведения ФМРТ больному предлагается выполнение определённых заданий, участки мозга с повышенным кровотоком регистрируются, и их изображение накладывается на обычную МРТ мозга

Структурная – получ карт стр-р мозга на основе контраста бел и серого вещ-ва.

Функциональная – основано на методе введения агентов, кот не обл-т сами по себе магн-ми св-ми и приобр-т их лишь попав в МП.

Магнитно-резонансная томография (ядерно-магнитная резон-я томография, МРТ, ЯМРТ, NMR, MRI) — нерентгенологический метод ис-я внут-х органов и тканей человека. Здесь не исп-ся Х-лучи, что делает данный метод безопасным для большинства людей. П.Мэнсфилд И П.Лотербур -НП по физиологии и медицине в 2003 г. «За изобретение метода магнитно-резонансной томографии».

Функц мрт (ФМРТ) – исп-т парамагнитные субстанции гемоглобина (отдавшие кислород). Измеряет соотн гемоглобина и дезоксигемоглобина. При активации организма возрастает метаболическая ак-ть мозга. Это связано с увел V и v мозг кровотока. Дополнительный приток кислорода к участку мозга приводит к сниж концентрации парамагнитного дезоксигемоглобина. Много локусов активации – неравномерное расп-е дезоксигемоглобина – неоднородность МП. ФМРТ позв-т выявлять участки с активно работающими нейронами (этот метод лучше ПЭТ, т к ему не нужен изотоп и врем разрешение выше (доли секунд)).

Технология МРТ достаточно сложна: исп-ся эф-т резонансного погл-я атомами электро-магнитных волн. Ч-ка помещают в МП, кот создает аппарат. Техника основана на исп-и парамагн-х св-в тех агентов, кот можно ввести в организм и они не обл-т магнитными св-ми, но приобретают их, стоит им попасть в МП. Например, парамагнитные субстанции гемоглобина. ФМРТ измеряет прост-е расп-е гемоглобина, отдавшего свой кислород, а точнее отн-е дезоксигемоглобина к гемоглобину. Когда гемоглобин теряет кислород – он парамагнитен.

ФМРТ выявляет участки мозга с активно работающими нейронными клетками. Молекулы в орг-ме в МП разворачиваются согласно его направлению. После этого радиоволной проводят сканирование. Изменение сост-я молекул фикс-ся на специальной матрице и передается в компьютер, где проводится обработка полученных данных. В отличие от компьютерной томографии МРТ позволяет получить изображение патологического пр-са в разных плоскостях. Магнитно-резонансный томограф по своему внеш виду похож на компьютерный. Ис-е проходит так же, как и компьютерная томография. Стол постепенно продвигается вдоль сканера. МРТ требует больше времени, чем КТ, и обычно занимает не менее 1 часа (диагностика одного раздела позвоночника занимает 20–30 минут).

Магниторезонансная томография (МРТ) − способ получения томографических медицинских изображений для исследования внутренних органов и тканей с использованием явления ядерного магнитного резонанса. За изобретение метода МРТ Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили в 2003 году Нобелевскую премию в области медицины.
Вначале этот метод назывался ядерно-магнитно резонансная томография (ЯМР-томография). Но потом, чтобы не пугать зомбированную радиофобией публику, убрали упоминание о "ядерном" происхождении метода, тем более, что ионизирующие излучения в этом методе не используются.

 

МРТ с "BOLD"-контрастом

Техника функциональной МРТ (ФМРТ) основана на использовании парамагнитных свойств тех агентов, которые можно ввести в организм. Такие агенты не обладают магнитными свойствами, но приобретают их, лишь попав в магнитное поле. Функциональная МРТ использует парамагнитные субстанции гемоглобина. ФМРТ измеряет пространственное распределение гемоглобина, отдавшего свой кислород (деоксигемоглобина), точнее ~ соотношение деоксигемоглобина к гемоглобину. Когда гемоглобин теряет кислород, он становится парамагнитным. При активации организма возрастает метаболическая активность мозга. Это связано с увеличением объема и скорости мозгового кровотока. Дополнительный приток кислорода к участку мозга приводит к снижению в нем концентрации парамагнитного деоксигемоглобина. Существование многих локусов активации отражается в неравномерном распределении в мозге деоксигемоглобина, что создает неоднородность магнитного поля, которую используют для получения карт локальных активаций. Функциональная МРТ позволяет выявлять участки мозга с активно работающими нейронными клетками. Данный метод вытесняет ПЭТ, так как ему не нужен изотоп и его временное разрешение выше, чем у ПЭТ (сотни миллисекунд). ФMPT на основе BOLD-контраста является относительно новой методикой визуализации, позволяющей исследовать деятельность коры головного мозга, осуществлять картирование функционально-специализированных зон. Метод основан на регистрации региональных гемодинамических изменений, возникающих при активации коры головного мозга в ответ на специфическую стимуляцию (чередование фаз двигательной, мыслительной или иной активности пациента и покоя). Сопоставление карт активации и стандартных томограмм исследуемой области позволяет провести структурно-функциональные параллели.

Основными характеристиками данного метода, отличающими его от других методик картирования коры, таких как электроэнцефалография, магнитоэнцефалография, однофотонно-эмиссионная компьютерная томография, позитронно-эмиссионная томография и прямая корковая стимуляция электродами, являются безопасность, неинвазивность, высокое пространственное и временное разрешение и осуществимость в клинических условиях

 

14) Метод инфракрасной спектроскопии: суть метода, возможности и ограничения. Сравнение с методом фМРТ.

В связи с расширением фармацевтического рынка лекарственных препаратов требуются все более точные и информативные методы анализа. Необходимость применения физико-химических методов анализа, в частности спектральных, обусловлена требованиями 12-й фармакопеи РФ. Одним из перспективных методов анализа является ИК- спектроскопия

Сущность метода инфракрасной спектроскопии Инфракрасная спектроскопия – метод исследования веществ, основанный на поглощении инфракрасного излучения, в результате чего происходит усиление колебательных и вращательных движений молекул . Большее проявление имеют колебательные движения, поэтому инфракрасные спектры называют колебательными.

Метод инфракрасной спектроскопии дает возможность получить сведения об относительных положениях молекул в течение очень коротких промежутков времени, а также оценить характер связи между ними, что является принципиально важным при изучении структурно-информационных свойств различных веществ.

Инфракрасная (ИК) спектроскопия характеризуется широкой информативностью, что создает возможность объективной оценки подлинности и количественного определения лекарственных веществ. ИК-спектр однозначно характеризует всю структуру молекулы. Различия в химическом строении меняют характер ИК-спектра. Важные преимущества ИК-спектроскопии -- специфичность, быстрота выполнения анализа, высокая чувствительность, объективность получаемых результатов, возможность анализа вещества в кристаллическом состоянии. Методом ИК-спектроскопии можно проводить не только количественную оценку лекарственных веществ, но и исследование таких химических превращений, как диссоциация, сольволиз, метаболизм, полиморфизм и т.д. [11].

15) Методические и дискуссионные методологические проблемы использования томографических методов визуализации строения и активности мозга (‘neuroimaging') для изучения физиологических механизмов психики.

Два аспекта проблемы: Чередование экспериментальных и контрольных блоков (‘block design’). Чередование «задачи» и «контроля» для накопления данных (40-60 с). Затем - метод вычитания усредненных томограмм, полученных отдельно для условий решения целевой (когнитивной) задачи и контрольных условий. Эффективен для усиления отношения «сигнал/шум». Но: (1) спорна идея, согласно которой решение той или иной конкретной задачи не затрагивает других отделов мозга, связанных с обеспечением других задач (функций); (2) влияние изменений общего уровня активации мозга по ходу многократного съема сигналов; (3) «состояние покоя»? (мозг всегда активен)

2. Адаптация (‘adaptation design’). Многократное повторение (адаптация) к одному сигналу (параметру сигнала), и затем – резкая смена на другой сигнал (параметр) и локализация вновь активированных областей, как функционально связанных с этим другим сигналом (или др значением 1 и того же параметра). По сути, известный в психофизике «метод замен». > выс t разрешающая спос-ть (нес-ко с). Но: адаптации подвергаются и области мозга, которые анатомически (физиологически), но не обязательно функционально, связаны с адаптируемой.

Проблема 2. фМРТ и ПЭТ – корреляционные методы, и поэтому полученные с их помощью данные не являются доказательством необходимости / достаточности обнаруженных зон мозговой активности для обеспечения исследуемых (ментальных) психических процессов.

Пример случая, когда стр-ра, активируемая в пр-се решения задачи, не явл-ся критически важной (необходимой) для ее реализации: гиппокамп активируется в процессе задачи с классическим обусловливанием, но разрушение гиппокампа никак не сказывается на ее реализации. Т о, для уточнения необходимы доп-е ис-я (напр., ТМС/ТЭС, обратимые «выключения»).

Проблема 3. Наличие причинно-следственных связей между BOLD сигналами фМРТ и нейронной активностью? (факты расхождения между сигналами фМРТ и Rми нейронов) 1. Одновременная активация тормозных и возбуждающих входов на нейрон не вызывает Rи клетки, но – т.к. тратится энергия – вызывает фМРТ-сигналы. 2. Растормаживание приводит к увелич Rи при отсут-и изм-й в кровотоке. 3. По данным рег-и Rй клеток одновременно с фМРТ, BOLD cигналы коррелируют не с «выходной» спайковой активностью, а с локальной (синаптической) активностью. И, прежде всего, пресинаптической: (1) поглощение глюкозы из кровотока максимально в пресинапсах; (2) ортодромная (но не антидромная) микростимуляция выз-т повышенное поглощение глюкозы; (3) акт-ть цитохромоксидазы максимально выражена в об-ти нейропиля (область дендро-аксональных синапсов). Локальная синаптическая акт-ть сопровождается выд-м вазодилятаторов, диффундирующих к гладким мышцам артериол и, с задержкой в нес-ко с, приводящих к увелич кровотока (сигнал BOLD). Напр., выделение в синаптическую щель глютамата (сам по себе вазодил) сопровождается повыш внутриклеточной концентрации Сa, кот выз-т выделение ряда вазодил., среди кот наиболее ак-ны лактат и оксид азота (NO).

Т о, по современным данным, сигналы фМРТ отражают ак-ть «входов» той или стр-ры мозга, а не ее «выходную» акт-ть.

Проблема 4. Связь сигналов фМРТ с активацией модулирующих сис и напр-м потоков обрабатываемой инф («снизу-вверх» и «сверху-вниз»)

1. В силу чувст-ти к активации больших Vв мозга фМРТ и ПЭТ не в состоянии отделить вклады в акт-ть мозга локально работающих функционально специализированных стр-р от вклада генерализованно функционирующих модуляторных систем (внимание, эмоции, мотивация). 2. Методы фМРТ и ПЭТ не в состоянии разделить вклады “Bottom-Up” и “Top-Down” систем мозга в общий процесс переработки информации.

Проблема 5. Инт-ть кровотока связана не только с доставкой нейронам глюкозы и кислорода, но и с отправлением др fй, не имеющих отн-я к информационной ак-ти нейронов.

Имеются данные об отсутствии жесткой причинно-следственной связи между кровотоком, метаболизмом клеток и нейронной ак-ю, что м б связано с наличием у кровотока допол-х fй:

1. Удаление токсических продуктов метаболизма.

2. При усилении активации уменьшается отн-е кислород/глюкоза, т.е. в мозге активируется бескислородный цикл утилизации глюкозы (в частности, в астроглии). В итоге, повыш концентрация лактата, кот необходимо удалить.

В итоге, фармакологически м повлиять на кровоток, не меняя при этом электрофизиологически измеряемую нейронную активность.

Проблема 6. Изм-е состояния оксигенации гемоглобина вл-т на сигналы BOLD не только в микрокапиллярах (артериолах) активированной области мозга, но и в венулах и крупных дренажных венах. Эта проблема особенно актуальна для томографов с небольшим пространственным разрешением (0.5 – 4 Тесла).

Проблема 7. Роль астроглии в генерации сигналов ПЭТ и фМРТ

Проблема 8. Метод фМРТ и процессы возбуждения / торможения в нейронных сетях

1. В сигналах фМРТ отражаются как пр возбуждения, так и пр-сы торможения. Прямые гемодинамические измерения показали, что тормозные пр-сы сопр-ся повышением интенсивности метаболических процессов.

2. фМРТ обладает заметно меньшей чувствительностью к процессам торможения:

• В коре тормозных нейронов, примерно, в 10-15 раз<, нежели возбуждающих.

• Большинство из рассмотренные выше трудностей в использовании фМРТ и ПЭТ принципиально не могут быть устранены технологически - ни сейчас, ни в будущем.

• Методы нейровизуализации эффективны для формулировки гипотез в отношении функциональной организации мозга.

• Для получения более точных данных о механизмах психических процессов и состояний необходимо комбинировать методы фМРТ и ПЭТ с методами нейрофизиологических исследований (на человеке и животных)