Трактографія головного мозку: метод візуалізації провідних шляхів на основі диффузно-зваженної магнітно-резонансної томографії

  13.03.2015

1-golovnij_mozkТрактографія головного мозку – діагностичний метод, заснований на дифузійно-зваженої магнітно-резонансної томографії (ДВ МРТ), що дозволяє візуалізувати орієнтацію і цілісність провідних шляхів головного мозку. Області клінічного застосування цього методу в даний час уточнюються.

Основні принципи отримання зображень провідних шляхів ДВ МРТ – техніка отримання зображень головного мозку, заснована на вимірі дифузії води в кожному об’ємному елементі (вокселів) зображення. На його підставі формується дифузійна матриця, з якої можна отримати 3 числових значення і 3 вектора, що описують силу і напрям дифузії води в обраній точці.

Вода дифундує швидше вздовж волокон провідних шляхів білої речовини, оскільки мембрани аксонів виступають перешкодою для її дифузії в інших напрямках. При патологічних процесах, наприклад, при ішемії, запаленні, нейродегенеративних захворюваннях, травмі, відбувається порушення лінійної організації проводять шляхів. ДВ МРТ вловлює цю зміну напряму дифузії, створюючи зображення, що дозволяють вивчити зміни мікроструктури провідних шляхів мозку в природних умовах. Більшість робіт, які досліджують мікроструктуру білої речовини головного мозку за допомогою ДВ МРТ, засноване на побудові двомірних сірошкальних карт з використанням показників величини дифузії в кожному вокселів.

Трактографія – доповнення до стандартних методів ДВ МРТ, що дозволяє отримати більш детальну інформацію про орієнтацію і кривизні (куті нахилу) провідних шляхів білої речовини при проходженні через весь головний мозок. При цьому для побудови траєкторії дифузії води по волокнах провідних шляхів використовується як матриця числових значень, так і вектори дифузії води. Траєкторії зображуються графічно у вигляді пучка кривих. Крім того, є методи, що дозволяють на основі дифузійної інформації побудувати карти, в яких кольором позначена орієнтація волокон білої речовини. Як правило, при його пошкодженні підвищується дифузія і змінюється напрямок руху молекул води. Вважається , що по таких змінах дифузії можна виявити ураження аксонів, а також оцінити вираженість демієлінізації, гліозу або інших патологічних процесів.

Протокол дослідження Трактографію проводять на МР – томографах з силою поля 1,5-3 Тл. Це виглядає так: використовується багатоканальна (не менше 6 каналів) фазированная поверхнева котушка для головного мозку. Для ДВ МРТ застосовують спін-ехо і луна-планарную послідовність (одиночний знімок спін -ехо луна- планарної томографії). Для корекції рухових артефактів використовують луна-навігатор. Застосовується методика паралельної томографії (наприклад, сенсі) з фактором 2-4. Кількість зрізів – 96. Вони орієнтовані перпендикулярно лінії, що з’єднує передню і задню спайки мозку. Товщина зрізу – 2,3 мм, проміжок між ними – 0, поле зображення – 220 мм, час повторення (TR) – 6,599-8,280 мс, час ехо ( ТІ ) – 70 мс, кількість у средненій – 2, коефіцієнт дифузії ( Ь ) – 600 с/мм2. Час дослідження – близько 9 хвилин.

Обробка даних

Реконструкцію трактограмм проводять з використанням спеціального програмного забезпечення. Після отримання МР- зображень дослідник, знайомий з анатомією і фізіологією головного мозку, виділяє область інтересу, в якій проводитиметься реконструкція трактограмм (наприклад, кортикоспінального тракт на аксіальних зображеннях, мозолисте тіло на сагітальних). У результаті виходять векторні карти, в яких напрямок дифузії кодується кольором: найчастіше червоним позначається рух води «вправо – вліво» (X – елементи), зеленим – «вперед – назад» (Y – елементи), синім – « вгору- вниз» (Z – елементи). На їх основі створюються трьохмірні зображення трактів.

Трактограмми мозку здорового добровольцяа – область перетину волокон мозолистого тіла і шляхів, що йдуть до переднього стегну внутрішньої і зовнішньої капсул; б – таламокортікальние і кортікоталаміческіе з’єднання префронтальної кори; в – поділ зводу мозолистого тіла на волокна, що йдуть до правої і лівої скроневої частці. У кожному випадку область інтересу (ROI) позначена жовтою точкою на зображеннях в лівому стовпчику. У середньому зображені проекції трактограмм на області мозку. У правому стовпчику наведені збільшені зображення фрагментів провідних шляхів. Області клінічного застосування.

Трактографія – не рутинний метод клінічної діагностики, а предмет наукових досліджень. Його значення і точне місце в клінічній медицині ще належить вивчити. В даний час трактографію пробують застосовувати в діагностиці аксональних ушкоджень при хронічної ішемії головного мозку і при хворобах мотонейрона, при розсіяному склерозі і гострому дисемінованому енцефаломієліті, пухлинах головного мозку і аномаліях розвитку ЦНС, кортикальних інфарктах. Для уточнення топографії проходження провідних шляхів в білій речовині головного мозку запропонували поєднувати трактографію із звичайним анатомічним дослідженням мозку. На підставі методу трактографіі були складені атласи анатомії провідних шляхів білої речовини головного мозку, причому з його допомогою їх дані були уточнені. Так, були отримані докази існування тім’яно – скроневих сполук. Можливо дослідження в природних умовах проводять шляхів мозку людини і піддослідних тварин, порівняння їх між собою. Цікавий напрямок досліджень – здійснення комбінації функціональної МРТ (ФМРТ), діагностуючої зміни кровотоку та оксигенації головного мозку, з трактографіей, оскільки при цьому можлива одночасна візуалізація активованих областей головного мозку і йдуть від них в інші області проводять шляхів.

Трактографію застосовують для вивчення розвитку білої речовини головного мозку. Відомо, що до моменту народження дитини сформовані майже всі нейрони. Однак протягом кількох років після народження мозок продовжує розвиватися. Велике значення для його розвитку має процес миелинизации, під час якого спостерігається формування мієлінової оболонки аксонів. Мієлін грає роль ізолюючої мембрани і забезпечує проведення нервових імпульсів в 10-100 разів швидше, ніж в неміелінізірованних або маломіелінізірованних при народженні дитини волокнах. Розвиток мієліну – одна з характеристик зрілості нервової системи. У роботі Дж. Вольпе (1995) було показано, що у дітей першими міелінізіруются первинні сенсорні (зір, слух, тактильні відчуття) і моторні області. ДВ МРТ потенційно може характеризувати ступінь зрілості головного мозку новонароджених. Міелінізірованние волокна володіють більш впорядкованою дифузією, ніж неміелінізірованние — цей показник залежить від стадії розвитку.

ДВ МРТ мозку новонародженого має ряд особливостей:

  • провідні шляхи сформовані не до кінця , дифузія в них має менш спрямований характер , що ускладнює їх реконструкцію;
  • дослідження новонароджених проводиться під наркозом , оскільки без нього спостерігаються виражені артефакти від руху;
  • менше співвідношення сигнал / шум. Розміри мозку менше, ніж у дорослого, отже величина вокселів також менше, тому сигнал знижений.

Перші роки життя – критичний час для розвитку головного мозку. Чим раніше поставлений діагноз його можливого пошкодження, тим вище шанси успішного лікування. Наприклад, ДВ МРТ можна використовувати для діагностики пошкодження головного мозку в результаті гіпоксії в пологах або лікарського впливу, що виникли при порушенні кровотоку. Крім того, ДВ МРТ і трактографія дають додаткову інформацію про розвиток головного мозку. ДВ МРТ може бути корисна при діагностиці численних захворювань білої речовини головного мозку. Наприклад, при травмі, порушеннях мозкового кровообігу, пухлинах головного мозку, фокальній епілепсії, розсіяному склерозі, туберозному склерозі, хворобах Паркінсона та Альцгеймера, ВІЛ-інфекції, хвороби Краббе, церебральної адренолейкодистрофії, алкогольної або гіпертонічної енцефалопатії, мітохондріальних енцефаломіопатія і деяких інших захворюваннях. При пухлинах головного мозку трактографія дозволяє визначити пошкодження і зміщення провідних шляхів білої речовини.

Представили докази зміщення волокон провідних шляхів променистого вінця у хворого з низькодиференційований гліомою в порівнянні з даними трактографіі променистого вінця 20 здорових випробовуваних. С. Морі та ін. (2002) описали зміщення і деструкцію верхнього поздовжнього пучка і променистого вінця у 2 хворих санапластіческой астроцитоми. С. Gossl ін. (2002) спостерігали перекіс пірамідного шляху у хворого з високо – диференційованої гліомою . B.Witweret ін. (2002) описали набряк області проводять шляхів. С. Чжан та ін. (2004) аналізували асиметрію провідних шляхів білої речовини між здоровим і ураженим пухлиною півкулею головного мозку .

Діагностичні можливості трак — тографіі при ішемічному порушенні мозкового кровообігу:

  • постинсультная кіста в зоні кровопостачання середньої мозкової артерії;
  • повний перерву кортикоспинального тракту на рівні вогнища. Решта волокна тракту мають менший обсяг, ніж у здоровому півкулі. Пухлини і набряк навколо них – часта причина значних змін у волокнах прилеглих до них провідних шляхів. ДВ МРТ і трактографія можуть використовуватися при вивченні росту пухлини і плануванні оперативного втручання. При проведенні ДВ МРТ у пацієнтів з розсіяним склерозом виявляється підвищення дифузії в осередках демієлінізації головного мозку. Причому в більш активних вогнищах спостерігається більш виражене збільшення дифузії.

Трактографія провідних шляхів мозолистого тіла 6-річної дитини, що страждає Х – зчепленої адренолейкодістрофіей (із змінами особистості), і 8 – річного здорову дитину. Аксіальні (а) і сагітальні (б) Т2 – зважені зрізи, суміщені з трактувати – грамами хворої дитини; аксіальні (в) і сагітальні (г) Т2 – зважені зрізи, суміщені з трактограммамі здорової дитини. Вивчення взаємозв’язку між вогнищами демієлінізації і пошкодженими провідними шляхами може допомогти в розумінні механізмів аксонального ушкодження. Деякі волокна провідних шляхів обриваються в осередках демієлінізації, деякі продовжують свій хід далі.

За даними J. Simon та ін. (2005), пошкоджені шляху можна ідентифікувати на ранніх стадіях захворювання, коли діагноз розсіяного склерозу ще не поставлений. Вогнища демієлінізації часто розсіяні по головному мозку і мають різну ступінь активності. Візуалізація пошкоджених провідних шляхів за допомогою трактографіі допоможе в оцінці активності вогнищ. Ідентифікація областей сірої речовини, з яким з’єднуються пошкоджені провідні шляхи, пояснить клінічні прояви розсіяного склерозу. В даний час йде його активне вивчення за допомогою ДВ МРТ і трактографіі, оскільки ці методики допомагають у розумінні захворювання і плануванні подальших досліджень. Біла речовина головного мозку також може дивуватися при ВІЛ – інфекції. Водночас при відносно неагресивному перебігу і при наявності когнітивних порушень важко виявити структурні зміни білої речовини. У такій ситуації ДВ МРТ стає методикою, більш чутливою до виявлення ураження білої речовини головного мозку, ніж звичайна МРТ.

За допомогою трактографіі була уточнена локалізація деяких провідних шляхів. Наприклад, у класичній неврології вважалося, що кортикоспінального тракт (КСТ) проходить в передній третини заднього стегна внутрішньої капсули. Цю локалізацію описували ще Дж. Шарко і Дж. Дежерин. Однак з 50 – 60-х років минулого століття з’явилися роботи, що доводять, що КСТ проходить у третій чверті заднього стегна внутрішньої капсули. Ці дані були підтверджені при проведенні ДВ МРТ з використанням трактографіі. Незважаючи на це, пізніше було опубліковано, щонайменше, два анатомічних дослідження, які доводять проходження цефалического частини КСТ в середній третині заднього стегна внутрішньої капсули і більше каудальной порції – в її задньої третини. Відмінність результатів анатомічних і МРТ досліджень пов’язаний з тим, що орієнтація зрізів при цих дослідженнях була різною.

Патологоанатоми розрізали мозок перпендикулярно КСТ, в результаті чого прецентральная звивина опинялася в найбільш верхньому положенні (по відношенню до мозку). При виконанні МРТ орієнтація зрізу перпендикулярна швидше поздовжньої осі тіла, в результаті чого прецентральная звивина рідко виявляється зверху, зазвичай вона потрапляє вкінці. Так як КСТ – лінійна структура, яка починається від прецентральной звивини і перетинає заднє стегно внутрішньої капсули , його «локалізація» в мозку і в цефалического частини внутрішньої капсули також залежить від кута нахилу поперечного зрізу. Ось чому патологоанатоми, які починають поперечні зрізи мозку з середньою лінії прецентральной звивини, вважають, що КСТ входить в заднє стегно внутрішньої капсули також по середній лінії. Подібним чином в дослідженнях, в яких прецентральная звивина при проведенні поперечних зрізів мозку знаходиться більше кзади, і у внутрішній капсулі КСТ знаходиться більше вкінці. Останні дослідження підтверджують, що незалежно від кута нахилу поперечних зрізів КСТ перетинає заднє стегно внутрішньої капсули у третій чверті, на рівні нижнього таламуса. Крім того, були уточнені деякі особливості соматотопической організації КСТ – волокна до м’язів рук по відношенню до волокон м’язів ніг орієнтовані антеролатеральной, а не антеромедіальной, як це вважалося раніше.Крім академічного інтересу знання точної локалізації та внутрішньої організації КСТ при проходженні через променистий вінець і заднє стегно внутрішньої капсули має вкрай важливе практичне значення. Наприклад, воно може бути використано при плануванні нейрохірургічних операцій у пацієнтів з хворобою Паркінсона, з крововиливами, і особливо для пре — і навіть інтраоператівной локалізації КСТ у хворих з пухлинами головного мозку.

Випадкове перетин КСТ може мати вкрай негативні наслідки, тоді як трактографія дозволяє точно описати взаємозв’язок КСТ з пухлиною і поліпшити планування операції .висновокТрактографія стає доступною методикою магнітно — резонансного дослідження головного мозку. Вона подовжує проведення процедури МРТ всього на 7-9 хвилин. При наявності спеціального програмного забезпечення обробка ДВ зображень займає менше 5 хвилин. Методика реконструкції трактограмм необтяжлива для неврологів або фахівців з променевої діагностики. Таким чином, трактографію можна використовувати в рутинній клінічній практиці. Правда, слід вказати, що вона має певні обмеження ДВ МРТ добре відображає анатомічну структуру провідних шляхів.

Просторова роздільна здатність 1,5 — тесловихтомографов становить приблизно 1-2 мм. У воксел такого обсягу поміщається безліч синаптичних з’єднань, які не можуть бути видні, тому такі великі провідні шляхи, як кортикоспінального тракт або мозолисте тіло, добре видно за допомогою трактографіі, в той час як візуалізація, наприклад, мозочково – таламо – кортикальних з’єднань утруднена:

  • трактографія визначає просторову орієнтацію і зв’язку провідних шляхів, але схильна до помилок, пов’язаних з ефектом часткового об’ємного усереднення, шумом, немає коректним виділенням області інтересу;
  • техніка проведення трактографіі залежить від дослідника – його знання анатомії провідних шляхів та вміння співвіднести їх з МР – зображеннями;
  • результати трактографіі визначаються дослідником візуально, тому вони дуже суб’єктивні. Ця методика потребує подальшої стандартизації. Крім того, це більшою мірою експериментальний прийом, вимагає подальшої активної розробки;
  • інтерпретація трактограмм ускладнена відсутністю «золотого стандарту», оскільки це єдиний метод візуалізації провідних шляхів в природних умовах, в той час як при гістологічному дослідженні в пробірці мозок піддається деформації через виконання секції, охолодження, дегідратації, фіксації. Область застосування трактографіі постійно розширюється. Дослідники і фірми – виробники магнітно-резонансного обладнання пропонують нове і вдосконалене програмне забезпечення для реконструкції трактограмм. Таким чином, на сьогоднішній день очікується впровадження в рутинну клінічну практику трактографіі, що може бути надзвичайно корисно в спеціалізованих неврологічних клініках, що вивчають структуру білої речовини головного мозку і вплив на неї різних патологічних станів.