ГМ. Трактография головного мозга.

ТРАКТОГРАФИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА: МЕТОД ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПРОВОДЯЩИХ ПУТЕЙ НА ОСНОВЕ ДИФФУЗИ0ННО-ВЗВЕШЕНН0Й МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ (Обзор литературы)

М.К. Устюжанина¹, В.Е. Синицын²

ГУ НИИ неврологии РАМН¹,

Институт клинической кардиологии им. А.Л. Мясникова Российского кардиологического научно-производственного комплекса Росздрава²

Трактография головного мозга - диагностический метод, основанный на диффузионно-взвешенной магнитно-резонансной томографии (ДВ МРТ), позволяющий визуализировать ориентацию и целостность проводящих путей головного мозга in vivo [1 -5]. Области клинического применения этого метода в настоящее время уточняются.

Основные принципы получения изображений проводящих путей

ДВ МРТ - техника получения изображений головного мозга, основанная на измерении диффузии воды в каждом объемном элементе (вокселе) изображения. На его основании формируется диффузионная матрица [1], из которой можно получить 3 числовых значения и 3 вектора, описывающих силу и направление диффузии воды в выбранной точке. Вода диффундирует быстрее вдоль волокон проводящих путей белого вещества, поскольку мембраны аксонов выступают препятствием для ее диффузии в других направлениях. При патологических процессах, например, при ишемии, воспалении, нейродегенеративных заболеваниях, травме, происходит нарушение линейной организации проводящих путей [6, 7]. ДВ МРТ улавливает эту перемену направления диффузии, создавая изображения, позволяющие изучить изменения микроструктуры проводящих путей мозга in vivo. Большинство работ, исследующих микроструктуру белого вещества головного мозга при помощи ДВ МРТ, основано на построении двухмерных серошкальных карт с использованием показателей величины диффузии в каждом вокселе. Трактография - дополнение к стандартным методам ДВ МРТ, позволяющее получить более детальную информацию об ориентации и кривизне (угле наклона) проводящих путей белого вещества при прохождении через весь головной мозг. При этом для построения траектории диффузии воды по волокнам проводящих путей используется как матрица числовых значений, так и векторы диффузии воды. Траектории изображаются графически в виде пучка кривых [8-11]. Кроме того, есть методы, позволяющие на основе диффузионной информации построить карты, в которых цветом обозначена ориентация волокон белого вещества [12]. Как правило, при его повреждении повышается диффузия и изменяется направление движения молекул воды. Считается, что по таким изменениям диффузии можно выявить поражение аксонов, а также оценить выраженность демиелинизации, глиоза или других патологических процессов [6, 13].

Протокол исследования

Трактографию проводят на МР-томографах с силой поля 1,5-3 Тл. Это выглядит так: используется многоканальная (не менее 6 каналов) фазированная поверхностная катушка для головного мозга. Для ДВ МРТ применяют спин-эхо и эхо-планарную последовательность(single-shot spin-echo echo-planar imaging). Для коррекции двигательных артефактов используют эхо-навигатор. Применяется методика параллельной томографии (например, SENSE) с фактором 2-4. Количество срезов - 96. Они ориентированы перпендикулярно линии, соединяющей переднюю и заднюю спайки мозга. Толщина среза - 2,3 мм, промежуток между ними - 0, поле изображения - 220 мм, время повторения (TR) - 6,599-8,280 мс, время эхо (ТЕ) - 70 мс, количество у среднений - 2, коэффициент диффузии (Ь) - 600 с/мм2. Время исследования - около 9 минут.

Обработка данных

Реконструкцию трактограмм проводят с использованием специального программного обеспечения [14]. После получения МР-изображений исследователь, знакомый с анатомией и физиологией головного мозга, выделяет область интереса, в которой будет проводиться реконструкция трактограмм (например, кортикоспинальный тракт на аксиальных изображениях, мозолистое тело на сагиттальных) [3]. В результате получаются векторные карты, в которых направление диффузии кодируется цветом: чаще всего красным обозначается движение воды «вправо-влево» (х-элементы), зеленым - «вперед-назад» (у-элементы), синим - «вверх-вниз» (z-элементы). На их основе создаются трех-

мерные изображения трактов (рис. 1).

Рис. 1. Трактограммы мозга здорового добровольца

а - область пересечения волокон мозолистого тела и путей, идущих к переднему бедру внутренней и наружной капсул;

б - таламокортикальные и кортикоталамические соединения префронтальной коры; в -разделение свода мозолистого тела на волокна, идущие к правой и левой височной доле В каждом случае область интереса (ROI) обозначена желтой точкой на изображениях в левом столбце. В среднем изображены проекции трактограмм на области мозга. В правом столбце приведены увеличенные изображения фрагментов проводящих путей [58]

Области клинического применения

Трактография - не рутинный метод клинической диагностики, а предмет научных исследований.

Его значение и точное место в клинической медицине еще предстоит изучить. В настоящее время трактографию пробуют применять в диагностике аксонал ьных повреждений при хронической ишемии головного мозга и при болезнях мотонейрона [15], при рассеянном склерозе [16, 17] и остром диссеминированном энцефаломиелите [18], опухолях головного мозга и аномалиях развития ЦНС [2,19], кортикальных инфарктах [20]. Е. Kieretal. (2004) для уточнения топографии прохождения проводящих путей в белом веществе головного мозга предложили сочетать трактографию с обычным анатомическим исследованием мозга [21]. На основании метода трактографии были составлены атласы анатомии проводящих путей белого вещества головного мозга [12], причем с его помощью их данные были уточнены (рис. 2). Так, были получены доказательства существования теменно-височных соединений [22]. Возможно исследование in vivo проводящих путей мозга человека и подопытных животных, сравнение их между собой [23]. Интересное направление исследований - осуществление комбинации функциональной МРТ (фМРТ), диагностирующей изменения кровотока и оксигенации головного мозга, с трактографией, поскольку при этом возможна одновременная визуализация активированных областей головного мозга и идущих от них в другие области проводящих путей [24].

Рис. 2. Правая (а) и левая (б) задняя косая проекция ортикоспинального тракта (CST) у 40-летнего здорового добровольца

а - волокна CST к рукам обозначены красным, к ногам - зеленым цветом;

б - волокна CST к рукам обозначены зеленым, к ногам - синим цветом [52]

Трактографию применяют для изучения развития белого вещества головного мозга. Известно, что к моменту рождения ребенка сформированы почти все нейроны. Однако в течение нескольких лет после рождения мозг продолжает развиваться. Большое значение для его развития имеет процесс миелинизации, во время которого наблюдается формирование миелиновой оболочки аксонов. Миелин играет роль изолирующей мембраны и обеспечивает проведение нервных импульсов в 10-100 раз быстрее, чем в немиелинизированных или маломиелинизированных при рождении ребенка волокнах. Развитие миелина - одна из характеристик зрелости нервной системы. В работе J. Volpe (1995) было показано, что у детей первыми миелинизируются первичные сенсорные (зрение, слух, тактильные ощущения) и моторные области [25]. ДВ МРТ потенциально может характеризовать степень зрелости головного мозга новорожденных. Миелинизированные волокна обладают более упорядоченной диффузией, чем немиелинизированные - этот показатель зависит от стадии развития.

ДВ МРТ мозга новорожденного обладает рядом особенностей:

• проводящие пути сформированы не до конца, диффузия в них имеет менее направленный характер, что затрудняет их реконструкцию;

• исследование новорожденных проводится под наркозом, поскольку без него наблюдаются выраженные артефакты от движения;

• меньше соотношение сигнал/шум. Размеры мозга меньше, чем у взрослого, следовательно величина воксела также меньше, поэтому сигнал снижен.

Первые годы жизни - критическое время для развития головного мозга. Чем раньше поставлен диагноз его возможного повреждения, тем выше шансы успешного лечения. К примеру, ДВ МРТ можно использовать для диагностики повреждения головного мозга в результате гипоксии в родах или лекарственного воздействия, возникших при нарушении кровотока. Кроме того, ДВ МРТ и трактография дают дополнительную информацию о развитии головного мозга. ДВ МРТ может быть полезна при диагностике многочисленных заболеваний белого вещества головного мозга. Например, при травме, нарушениях мозгового кровообращения, опухолях головного мозга, фокальной эпилепсии, рассеянном склерозе, туберозном склерозе, болезнях Паркинсона и Альцгеймера, ВИЧ-инфекции, болезни Краббе, церебральной адренолейкодистрофии, алкогольной или гипертонической энцефалопатии, митохондриальных энцефаломиопатиях и некоторых других заболеваниях [19, 26-34] (рис. 3, 4). При опухолях головного мозга трактография позволяет определить повреждение и смещение проводящих путей белого вещества. U. Wieshmann et al. (2000) представили доказательства смещения волокон проводящих путей лучистого венца у больного с низкодифференцированной глиомой по сравнению с данными трактографии лучистого венца 20 здоровых испытуемых [35]. S. Mori et al. (2002) описали смещение и деструкцию верхнего продольного пучка и лучистого венца у 2 больных санапластической астроцитомой [36]. С. Gossl et al. (2002) наблюдали перекос пирамидного пути у больного с высоко-дифференцированной глиомой [37]. B.Witweret al. (2002) описали отек области проводящих путей [38]. S. Zhang et al. (2004) анализировали асимметрию проводящих путей белого вещества между здоровым и пораженным опухолью полушарием головного мозга [39].

Рис. 3. Диагностические возможности трак-тографии при ишемическом нарушении мозгового кровообращения: а) постинсультная киста в зоне кровоснабжения средней мозговой артерии; б) полный перерыв кортикоспинального тракта на уровне очага

Оставшиеся волокна тракта имеют меньший объем, чем в здоровом полушарии [59]

Опухоли и отек вокруг них - частая причина значительных изменений в волокнах прилежащих к ним проводящих путей. ДВ МРТ и трактография могут использоваться при изучении роста опухоли и планировании оперативного вмешательства. При проведении ДВ МРТ у пациентов с рассеянным склерозом выявляется повышение диффузии в очагах демиелинизации головного мозга [17]. Причем в более активных очагах наблюдается более выраженное увеличение диффузии.

Рис. 4. Трактография проводящих путей мозолистого тела 6-летнего ребенка, страдающего Х-сцепленной адренолейкодистрофией (с изменениями личности), и 8-летнего здорового ребенка. Аксиальные (а) и сагиттальные (б) Т2-взвешенные срезы, совмещенные с тракто-граммами больного ребенка; аксиальные (в) и сагиттальные (г) Т2-взвешенные срезы, совмещенные с трактограммами здорового ребенка [60]

Изучение взаимосвязи между очагами демиелинизации и поврежденными проводящими путями может помочь в понимании механизмов аксонального повреждения. Некоторые волокна проводящих путей обрываются в очагах демиелинизации, некоторые продолжают свой ход дальше. По данным J. Simon et al. (2005), поврежденные пути можно идентифицировать на ранних стадиях заболевания, когда диагноз рассеянного склероза еще не поставлен [40]. Очаги демиелинизации часто рассеяны по головному мозгу и имеют разную степень активности. Визуализация поврежденных проводящих путей при помощи трактографии поможет в оценке активности очагов. Идентификация областей серого вещества, с которым соединяются поврежденные проводящие пути, объяснит клинические проявления рассеянного склероза. В настоящее время идет его активное изучение при помощи ДВ МРТ и трактографии, поскольку эти методики помогают в понимании заболевания и планировании дальнейших исследований. Белое вещество головного мозга также может поражаться при ВИЧ-инфекции [41]. В то же время при относительно неагрессивном течении и при наличии когнитивных нарушений трудно выявить структурные изменения белого вещества [42]. В такой ситуации ДВ МРТ становится методикой, более чувствительной к выявлению поражения белого вещества головного мозга, чем обычная МРТ [31, 43, 44].

С помощью трактографии была уточнена локализация некоторых проводящих путей. К примеру, в классической неврологии считалось, что кортикоспинальный тракт (КСТ) проходит в передней трети заднего бедра внутренней капсулы. Эту локализацию описывали еще J. Charcot и J. Dejerine [45-47].

Однако с 50-60-х годов прошлого века появились работы, доказывающие, что КСТ проходит в третьей четверти заднего бедра внутренней капсулы [48-51]. Эти данные были подтверждены при проведении ДВ МРТ с использованием трактографии [52]. Несмотря на это, позднее было опубликовано, по меньшей мере, два анатомических исследования, доказывающих прохождение цефалической части КСТ в средней трети заднего бедра внутренней капсулы и более каудальной порции - в ее задней трети [53, 54]. Отличие результатов анатомических и МРТ исследований связано с тем, что ориентация срезов при этих изысканиях была различной. Патологоанатомы разрезали мозг перпендикулярно КСТ, в результате чего прецентральная извилина оказывалась в наиболее верхнем положении (по отношению к мозгу). При выполнении МРТ ориентация среза перпендикулярна скорее продольной оси тела, в результате чего прецентральная извилина редко оказывается сверху, обычно она попадает кзади. Так как КСТ - линейная структура, которая начинается от прецентральной извилины и пересекает заднее бедро внутренней капсулы, его «локализация» в мозге и в цефалической части внутренней капсулы также зависит от угла наклона поперечного среза. Вот почему патологоанатомы, которые начинают поперечные срезы мозга со средней линии прецентральной извилины, считают, что КСТ входит в заднее бедро внутренней капсулы также по средней линии. Подобным образом в исследованиях, в которых прецентральная извилина при проведении поперечных срезов мозга находится более кзади, и во внутренней капсуле КСТ находится более кзади.

Последние исследования подтверждают, что независимо от угла наклона поперечных срезов КСТ пересекает заднее бедро внутренней капсулы в третьей четверти, на уровне нижнего таламуса. Кроме того, были уточнены некоторые особенности соматотопической организации КСТ - волокна к мышцам рук по отношению к волокнам мышц ног ориентированы антеролатерально, а не антеромедиально, как это считалось ранее [52].

Помимо академического интереса знание точной локализации и внутренней организации КСТ при прохождении через лучистый венец и заднее бедро внутренней капсулы имеет крайне важное практическое значение. К примеру, оно может быть использовано при планировании нейрохирургических операций у пациентов с болезнью Паркинсона, с кровоизлияниями, и особенно для пре- и даже интраоперативной локализации КСТ у больных с опухолями головного мозга [35, 55-57]. Случайное пересечение КСТ может иметь крайне негативные последствия, в то время как трактография позволяет точно описать взаимосвязь КСТ с опухолью и улучшить планирование операции.

Заключение

Трактография становится доступной методикой магнитно-резонансного исследования головного мозга. Она удлиняет проведение процедуры МРТ всего на 7-9 минут. При наличии специального программного обеспечения обработка ДВ изображений занимает менее 5 минут. Методика реконструкции трактограмм необременительна для неврологов или специалистов по лучевой диагностике. Таким образом, трактографию можно использовать в рутинной клинической практике.

Правда, следует указать, что она имеет определенные ограничения:

• ДВ МРТ хорошо отображает анатомическую структуру проводящих путей, но не дает информации о процессах, происходящих в синапсах. Пространственное разрешение 1,5-тесловыхтомографов составляет приблизительно 1-2 мм. В воксел такого объема помещается множество синаптических соединений, которые не могут быть видны, поэтому такие крупные проводящие пути, как кортикоспинальный тракт или мозолистое тело, хорошо видны при помощи трактографии, в то время как визуализация, например, мозжечково-таламо-кортикальных соединений затруднена;

• трактография определяет пространственную ориентацию и связи проводящих путей, но подвержена ошибкам, связанным с эффектом частичного объемного усреднения, шумом, нет корректным выделением области интереса;

• техника проведения трактографии зависит от исследователя - его знания анатомии проводящих путей и умения соотнести их с МР-изображениями;

• результаты трактографии определяются исследователем визуально, поэтому они весьма субъективны. Эта методика нуждается в дальнейшей стандартизации. Кроме того, это в большей степени экспериментальный прием,

требующий дальнейшей активной разработки;

• интерпретация трактограмм осложнена отсутствием «золотого стандарта», поскольку это единственный метод визуализации проводящих путей in vivo, в то время как при гистологическом исследовании in vitro мозг подвергается деформации из-за выполнения секции, охлаждения, дегидратации, фиксации [8].

Область применения трактографии постоянно расширяется. Исследователи и фирмы-производители магнитно-резонансного оборудования предлагают новое и усовершенствованное программное обеспечение для реконструкции трактограмм. Таким образом, на сегодняшний день ожидается внедрение в рутинную клиническую практику трактографии, что может быть чрезвычайно полезно в специализированных неврологических клиниках, изучающих структуру белого вещества головного мозга и влияние на нее различных патологических состояний. Необходимо проведение дальнейших исследований, уточняющих области клинического применения МРТ.