Термоэнцефалоскопия

Содержание

Содержание

Введение

1. Термоэнцефалоскопия (ТЭС). Суть метода

2. Методические основы термоэнцефалоскопии

2.1. Генерация мозгом тепла и пути его распространения

2.2. Ход термоэнцефалоскопического эксперимента

3. Место ТЭС среди других методов нейровизуализации

3.1. Основные результаты, полученные методом ТЭС. Ограничения метода

3.2. Сравнительная оценка современных методов функционального картирования мозга

Заключение

Использованная литература

Приложение

Введение

В 80-90-е годы 20 века воз­никла и получила развитие гамма методов визуализации активности мозга (neuroimaging), позволяющая качест­венно и количественно оценивать кинетику и динамику его функций. Эффективность, информативность и степень опосредованности сведений о работе мозга, даваемых эти­ми методами, различны. Появление большей их части не­посредственно связано с новейшими достижениями НТР как в области новых исследовательских технологий, так и в развитии мощных вычислительных возможностей.

В данной работе мы рассмотрим один из методов нейровизуализации – метод термоэнцефалоскопии. Термоэнцефалоскопия – метод динамического функционального картирования мозга животных и человека, основанного на регистрации и обработке возникающих при его деятельности изменений слабых тепловых полей. Данный метод основан на новейших достижениях техники термовидения и компьютерной цифровой обработки изображений. С его помощью впервые удалось дистанционно, неинвазивно и динамически исследовать через невскрытый череп широкий спектр событий, развивающихся во множестве микроучастков коры головного мозга в норме и при патологии. При подготовке работы мы использовали коллективную монографию: Термоэнцефалоскопия / И. А. Шевелев, Г. Д. Кузнецова, Е. Н. Цыкалов и др. - М.: Наука, 1989. 224 с.

1. Термоэнцефалоскопия (ТЭС). Суть метода

Известно, что как и все нагретые тела, мозг выделяет тепло, которое в силу теплопроводности достигает поверх­ности черепа и кожи головы, а затем излучается в прост­ранство в инфракрасном (ИК) диапазоне. Благодаря на­личию водяных паров воздух задерживает существенную часть этого излучения. Однако есть два «окна прозрач­ности» атмосферы для ИК-излучения — это диапазоны длин волн 3—5 и 8—14 мкм. В этих диапазонах тепловое излучение распространяется на огромные расстояния и может быть дистанционно уловлено и зарегистрировано с помощью соответствующей техники.[1]

Между тем исследование теплопродукции нервной ткани много лет производили инвазивно, вводя в мозг термисторы, чувствительность которых со временем до­стигла 10-6 град. Были зарегистрированы тер­моответы разных отделов ЦНС на различные сенсорные стимулы[2], обсуждалась их связь с метаболизмом мозга[3] и мозговым кровотоком[4].

С другой стороны, уже более 20 лет существует тех­ника термовидения, и в последние годы предпринимались попытки ее использования в нейрохирургической клинике для обнаружения травм и опухолей мозга и его оболочек.[5] Однако никому не приходило в голову использовать ее для задач динамического функционального картирова­ния мозга, т. е. термовизиоппой визуализации, регистра­ции и исследования изменений теплопродукции во мно­жестве участков коры в процессе той или иной деятель­ности.  Технические  предпосылки  для  постановки такой задачи возникли благодаря комбинации техники термови­дения и цифровой обработки термоизображений на ЭВМ[6], что позволило существенно повысить чувствитель­ность метода, сделать его количественным и динамичным. В конце 1983 — начале 1984 г. группа советских исследо­вателей из институтов радиоэлектроники и высшей нерв­ной деятельности и нейрофизиологии АН СССР впервые в мире предприняла успешную попытку динамической регистрации термополей мозга животных при его адекват­ной сенсорной  и   химической  активации.[7]

Вкратце суть  метода, который в дальнейшем был на­зван нами термоэнцефалоскопией, сводится к сле­дующему.[8]

ПК-излучение от поверхности скальпированно­го черепа, реже открытого мозга (у животных) или скаль­па (у человека) улавливается с расстояния от нескольких сантиметров до метра объективом оптического прибора — термовизора, снабженного электромеханической системой сканирования поля зрения. ИК-сигналы от разных точек пространства  в  поле  зрения  объектива  последовательно попадают   на   высокочувствительный   точечный   датчик, охлаждаемый   жидким   азотом   для   уменьшения   шумов. Аналоговый электрический сигнал оцифровывается и пе­редается   либо  прямо   в   ЭВМ,   специализированную  для обработки изображений, либо сначала на промежуточный цифровой магнитный носитель.[9] В ЭВМ производится раз­нообразная цифровая обработка термокарт: их синхронное суммирование,   фильтрация,   получение   производных   по времени и по  пространству,  интеграция по участкам и ряд других операций. В настоящее время достигнуты ре­кордные технические характеристики ТЭС[10].

Существенно, что каждая термокарта в ЭВМ состоит из 10—16 тыс. независимых дискретных точек (матрица 128X85 или 128X128), что создает принципиальную возможность исследования температурных градиентов по  значительным площадям и при этом с хорошим разрешением.

2. Методические основы термоэнцефалоскопии

2.1. Генерация мозгом тепла и пути его распространения

Физической основой метода ТЭС является свойство всех биообъектов, как и вообще всех нагретых тел, излучать энергию в ИК-диапазоне. Мозг — достаточно мощный тепловой генератор. Во внешнюю среду он выделяет более 10 мВт на 1 см2 поверхности. Еще больше тепла (75% от общего количества) отводится от мозга кровью: эту ее функцию называют теплотранспортной. [11]

По данным К.П.Иванова[12], крупные нервные клетки коры головного мозга расходуют около 2 кал/г-мин, что в 120 раз выше по сравнению с тканями организма в среднем. Без специального охлаждения такой нейрон перегрелся бы на 2° С за 1 мин. Однако кровоток в капиллярах очень велик: его объем за минуту превышает объем нейрона в 30—45 раз. Это обеспечивает отвод тепла при нагреве крови всего на 0,02— 0,04° С. Если нейрон активирован и обмен веществ в нем усилен на 25—50%, то кровь дополнительно нагревается всего на 0,005—0,02° С. При усилении метаболизма в большом объеме нервной ткани на 25% дополнительный нагрев венозной крови составляет 0,07° С, а всего она при этом теплее артериальной крови, притекающей к мозгу, примерно на 0,2° С.

Итак, что происходит с выделившимся при работе мозга теплом (25%), которое не уносится из него кровью? От теплового источника тепло распространяется во все стороны со скоростью звука в водной среде за счет теплопроводности и, пройдя путь до наружных покровов головы, излучается в пространство в ИК-диапазоне. Для биообъектов со средней температурой 37° С (310 К) максимум излучения находится в инфракрасном диапазоне   (длина  волны  около   10  мкм).  При этом мощность ИК-излучения составляет величину порядка 10 мВт/см2. Электромагнитные волны, излучаемые нагретыми объектами в ИК-диапазоне, обладают теми же физическими свойствами, как и видимое излучение: распространяются со скоростью света, подчиняются законам геометрической оптики и т. д., но находятся вне спектральных границ видимости человеческим глазом.

Интенсивность ИК-излучения несет информацию о температуре излучающего объекта, причем изменение этой интенсивности прямо пропорционально изменению температуры.[13]

В области 3—5 и 8—14 мкм атмосфера прозрачна для электромагнитных волн ИК-диапазона. Это позволяет дистанционно определять температуру исследуемых объектов по интенсивности их ИК-излучения. Следует отметить, что ИК-волны сильно поглощаются водой, и уже 100-микронный слой жидкости практически полностью экранирует ИК-излучение, идущее из глубина объекта. Поэтому методы термовидения, основанные на измерении температуры по интенсивности ИК-излучения, позволяют определить именно поверхностную температуру биообъектов. При этом внутренние, глубинные источники тепла проецируются на поверхность за счет теплопроводности тканей и также могут быть исследованы методами тепловидения. Регистрация инфракрасного излучения мозга позволяет определять его температуру, тесно связанную с функциональным состоянием нервной ткани.

2.2. Ход термоэнцефалоскопического эксперимента

В качестве объектов исследования использованы белые крысы, кролики, кошки, обезьяны и человек. Чаще всего опыты проводились на половозрелых белых крысах весом до 180—250 г в условиях острого эксперимента. За 2—3 ч до начала опыта скальпировали дорсальную поверхность черепа крысы под местной анестезией 2%-ным новокаином. Цитоархитектонические поля мозга крысы и их проекция на дорсальную поверхность черепа показаны на рис. 3. В отдельных случаях скальпировали также темпоральную сторону черепа. Опыты проводили на обездвиженных а-тубокурарином животных (1 мг/кг-ч) при искусственном дыхании и (или) при нембуталовом наркозе (10—200 мг/мк). Проводили контролируемое термостатирование туловища с помощью специального электронагревателя. Череп фиксировали в стереотаксическом приборе с помощью ушных зажимов. Места возможных болевых раздражений (края операционной раны, области ушных раковин) тщательно инфильтрировали новокаином. Практика стереотаксической нейрохирургии свидетельствует об отсутствии боли в такой ситуации.[14]

Управление стимуляцией, как уже сказано, осуществлялось автоматически ЭВМ-диспетчером по заранее заданным программам.

После опыта проводили вторичную машинную обработку данных, просматривая вначале серии усредненных термокарт в реперном режиме или по производной, выбирали на них «зоны интереса», обычно совпадавшие с фокусами термоактивации коры, а затем для этих зон строили термограммы. Параметры этих термограмм, а также геометрические характеристики термоочагов (локализация, размер, форма, стационарность или сдвиги) служили материалом дальнейшей статистической обработки и анализа.

3. Место ТЭС среди других методов нейровизуализации

3.1. Основные результаты, полученные методом ТЭС. Ограничения метода

Приведенные в монографии «Термоэнцефалоскопия»[15] первые результаты использования метода ТЭС в нейрофизиологии, по мнению авторов, убедительно свидетельствуют о его больших исследовательских возможностях и перспективах.[16]

Действительно, за небольшой, истекший со времени его создания (1983 г.) период получен, как указывают авторы монографии,[17] ряд новых, зачастую принципиально важных сведений о работе мозга, недоступных как для традиционных подходов, так и для современных методов нейровизуализации. Это прежде всего, данные о пространственно-временном развертывании событий в коре мозга при разных видах сенсорной стимуляции, прямом корковом раздражении, моторной функции (гл.3), условнорефлекторном ассоциативном процессе (гл.4).

Особый интерес, с точки зрения авторов монографии, представляет обнаружение методом ТЭС в коре мозга сравнительно быстро движущихся термоволн, связанных чаще всего со зрительной стимуляцией (гл.5). Некоторые из траекторий движения этих волн прямо наводят исследователя на мысль об их возможном высокоспецифическом функциональном значении в процессах переработки и преобразования сенсорной информации, избирательного внимания и т. п. Следует подчеркнуть, что ни один из существующих методов исследования мозга, кроме ТЭС, не мог бы в настоящее время дать эти сведения.

Большой раздел монографии посвящен ТЭС-исследованию функциональных состояний мозга во сне, при гипнозе и стрессе (гл. 7), а также при его патологии (гл. 8). Здесь получены существенные как в теоретическом, так и в прикладном плане данные о динамическом перераспределении активации полушарий мозга при изменении состояния животного, возникновении стационарных или колеблющихся очагов, Скрытых очагов активации, о динамике развития экспериментального опухолевого процесса в мозге.[18]

В гл. 6 детально рассмотрены закономерности формирования и распространения температурной волны РД. Впервые обнаружены: неоднородность коры мозга для прохождения Т-волиы РД, взаимодействие полушарий при восстановлении коры после РД, трансполушарное распространение этой волны, возникновение симметричных очагов активации в коптралатеральном по отношению к пен полушарии, формирование очага колебаний температуры в месте встречи двух Т-волн. Показано, что при некоторых воздействиях на мозг, обычно используемых в нейрохирургии (криодеструкция, термокоагуляция) , в нем могут возникать волны РД, что существенно для клиники.

Авторы монографии подчеркивают, что еще далеко не все ТЭС-феномены получили удовлетворительную теоретическую интерпретацию (гл.9), которая требует времени и значительной   экспериментальной   и   теоретической   работы.[19]

Существенно, что проведенные исследования выявили ряд   особенностей   ТЭС-данных,   которые   отличают   их от  традиционно  используемых.  Прежде всего  это  высокое     приборное     пространственное     разрешение     (70— 100   мкм/пиксел),   ограничиваемое   лишь   длиной   волны ИК-излучения и потенциально доходящее до 20—30 мкм на элемент термоизображения.  Встает вопрос, насколько разрешение метода ТЭС в целом, определяемое как техникой, так и свойствами самого мозга, соответствует этому высокому показателю. Полученные нами экспериментальные, а также модельные данные подтверждают возможность регистрации очагов разогрева с размером 100— 200 мкм. Как правило, столь локальные зоны существуют сравнительно  недолго  и  либо расширяются,  достигая  у животных размера 0,5—1,5 мм, либо ослабляются и исчезают. Наиболее вероятно их проявление в первые сотни миллисекунд после начала действия стимула. Существенно, что локализация, конфигурация и размер этих очагов, как правило, строго специфичны и соответствуют картам корковой проекции той или иной сенсорной модальности. Кроме  того,  их геометрические  характеристики  связаны с   параметрами     (размер,    локализация,    конфигурация, сфокусированность)   стимула.  Все  это  свидетельствует  о высоком пространственном разрешении метода ТЭС.

При оценке временных свойств ТЭС-показателей следует учесть, что реально существующая в настоящее время скорость регистрации термокарт (до 25 кадров в 1 с) может быть в дальнейшем повышена, что приравняет полосу регистрируемых в ТЭС частот в ЭЭГ. Однако темп развития термоответов существенно замедлен по сравнению с ВП, где развитие тех или иных фаз реакции составляет десятки или сотни миллисекунд по сравнению с секундами в ТЭС. [20]

Кроме того, термоответы на сенсорную стимуляцию, как правило, значительно растянуты во времени  и  имеют   более   простой  тонический  характер   по сравнению с ВП или типичными паттернами нейронной активности. Можно думать, что причина этого лежит не только и не столько в более медленном темпе генерации термографических эффектов, сколько в их принципиально более интегральном характере. Действительно, в отличие от ВП, вклад в генерацию которых вносят лишь ПСП строго ориентированных дипольных структур, т. е. в основном пирамидных нейронов, в  термоответах суммируются связанные с изменением уровня активации сдвиги температуры от всех без исключения нейронов и глиаль-ных элементов данной области. Такие непирамидные нейроны составляют большую часть корковой нейронной популяции, что делает метод ТЭС особенно адекватным для оценки реакций и состояния всех без исключения корковых нейронных элементов. По-видимому, с этим связан и сравнительно    простой,    тонический   характер    развития большей части термореакций мозга. Действительно, активация   коркового   интернейронного   тормозного   аппарата приводит к генерации ТПСП, что обеспечивает фазичный паттерн ВП и нейронных разрядов. Но для ТЭС эти тормозные реакции имеют тот же знак, что ВПСП, так как усиление  разрядов  тормозных  нейронов  вносит  тот  же положительный энергетический вклад в термопродукцию, что И активация возбудительных систем. Это обстоятельство ограничивает аналитические возможности ТЭС и указывает на необходимость сочетания ТЭС и классических электрофизиологических показателей.[21]