В трубе магнитно-резонансного томографа

МРТ не сопровождается воздействием рентгеновских лучей и не требует введения радиоактивных изотопов. Для проведения исследования пользуются чрезвычайно сильными магнитными полями и радиоволнами определенных частот. Насколько мы знаем, эти воздействия не опасны для людей, хотя для соблюдения безопасности надо придерживаться определенных правил. Естественно, магниты воздействуют на намагничивающиеся металлы, и поэтому МРТ нельзя выполнять людям с имплантированными кардиостимуляторами или иными электромагнитными приборами. Опасным становится исследование и для людей, в теле которых есть металлоконструкции, которые под влиянием магнитных полей могут разогреваться и приходить в движение.

Если у вас есть время, поинтересуйтесь в YouTube взаимодействием металла и МРТ. Вы увидите, что такое взаимодействие может означать на практике. Многие могут не знать, что магниты в МРТ очень сильны и представляют собой катушки с обмотками из сверхпроводящего материала.

Коротко говоря, без углубления в физические дебри процесса можно сказать, что у некоторых материалов при достижении температуры ниже некоторого уровня электрическое сопротивление скачкообразно падает почти до нуля. Это помогает в течение длительного времени поддерживать в катушке постоянное и сильное магнитное поле. Проблема, однако, заключается в следующем: этот «некоторый уровень» является очень низким и холодным. Страшно холодным. Существует абсолютный ноль температур – ноль градусов по шкале Кельвина. Для того чтобы материалы, используемые в катушках МРТ, приобрели свойство сверхпроводимости, они могут быть теплее абсолютного ноля не более чем на четыре градуса, то есть иметь температуру –269 °C. Но вернемся к магнитно-резонансному томографу: понятно, что требуется много времени, чтобы охладить такую большую массу до требуемой низкой температуры, а значит, машина должна работать все время, даже по ночам, когда все уходят домой и выключают свет. Надо также предупредить любящих родственников о том, что, бросаясь на помощь близким, необходимо помнить о монетах и ключах в своих карманах – они могут словно пушечные ядра вылететь из карманов и поразить пациента, причинив ему ушибы. Ничего хорошего.

Помимо того, на многих людей негативно действует необходимость длительного пребывания в тесном замкнутом пространстве. Почти всегда требуется применение ушных заглушек, чтобы пациенту не докучал довольно сильный шум. Шум возникает, потому что напряженность магнитного поля рядом с сильными магнитами постоянно изменяется под воздействием электромагнитных импульсов частотой несколько миллионов герц. Изображения мозга при использовании этого метода получают следующим образом: тело человека состоит из множества разнообразных элементов. Некоторые из них обладают так называемым ядерным спином, то есть импульсом собственного вращения. К таким атомам относят атомы водорода, а поскольку мы по большей части состоим из воды, постольку из всего числа атомов нашего тела 60 % приходится на атомы водорода. Атом водорода можно представить себе в виде шарика, имеющего ось вращения, вокруг которой атом вращается, словно детский волчок. Помимо всего прочего, этот волчок продуцирует магнитное поле. Без влияния внешнего магнитного поля ось вращения волчка может быть ориентирована в любом произвольном направлении. Однако если поместить человека в катушку магнитно-резонансного томографа, то все эти микроскопические магнитики повернутся в одном направлении под воздействием сильного внешнего магнитного поля.

Если же теперь на организм, помещенный в трубу сканера, воздействовать импульсом высокочастотных радиоволн, то микроскопические магнитики на короткий миг выстроятся в направлении этого импульса. Когда радиоизлучение прекращают, магнитики снова ориентируются вдоль постоянного внешнего магнитного поля. Как долго магнитики будут возвращаться в исходное положение, зависит прежде всего от окружающих атомы водорода молекул. Отзвук этого возвращения будет разным, в зависимости от того, находятся ли магнитики в воздухе, в воде или, скажем, в меду. Так как волчки – атомы водорода сами по себе являются магнитами, то при своем возвращении в исходное положение они возбуждают (индуцируют) в катушке электрический ток. Принцип тот же, что в динамо-машине: магнит вращается в катушке, индуцирует ток, а этот ток зажигает свет в фаре велосипеда. Правда, в данном случае никакая лампочка не загорается, но зато становится ясно, какие ткани окружают тот или иной магнитик, и на основании этих различий строится изображение исследуемой области тела.

Таким способом можно локализовать в мозге скопление жидкости или опухоль, так как в этих образованиях атомы водорода окружены большим или меньшим количеством воды, чем в нормальных тканях головного мозга. Но ввиду того, что различные области мозга отчетливо отделены друг от друга и отличаются друг от друга содержанием нервных клеток, можно, например, сравнивать объемы определенных областей мозга у разных людей и со средними значениями. Например, было показано, что гиппокамп лондонских таксистов превосходит своими размерами средние значения.

Описанный метод недостаточен для того, чтобы исследовать активность тех или иных областей головного мозга. Образование новых связей в головном мозге – процесс длительный и микроскопический, и таким способом измерить его невозможно. При проведении функциональной МРТ (фМРТ) используют другой эффект, называемый BOLD-эффектом. Для полноценной работы мозгу необходим кислород. Богатая кислородом кровь по своим магнитным свойствам отличается от крови с низким содержанием кислорода, что обусловлено тем, что кислород связывается в эритроцитах с содержащим железо белком гемоглобином. Это означает, что в крови с низким содержанием кислорода больше свободных, не связанных с кислородом атомов железа, которые могут реагировать на изменения магнитного поля в сканере. В областях повышенной активности больше приток крови и больше потребление кислорода. Таким образом, регистрируется изменение магнитных свойств крови в зависимости от потребления кислорода в тканях. Следовательно, активность мозга оценивают не прямо, а косвенно, по потреблению кислорода клетками мозга в исследуемой области. Чем выше потребление кислорода, тем выше, следовательно, активность мозга.

Есть, правда, одно обстоятельство, которое надо постоянно иметь в виду. Например, при возникновении активности кислород потребляется сразу, но при этом должна продолжаться непрерывная доставка кислорода. То есть в этом месте должен образоваться недостаток кислорода, который сохраняется в течение нескольких секунд до того, как возобновится доставка кислорода. Представьте себе большую стройку возле скоростного шоссе. Вы смотрите на стройку с вертолета или даже со спутника, и, естественно, не можете различить отдельных рабочих. Однако вы видите, что к определенному месту стройки подъезжают грузовики, доставляющие строительные материалы и увозящие со стройки мусор и прочие отходы. Из этого можно заключить, что стройка внизу идет полным ходом. На самом деле мы этого не видим и не знаем, когда и как производится реальная работа. Землю из котлована надо сначала вырыть и уже потом погрузить в самосвалы.

В деятельности мозга все обстоит несколько сложнее. Мозг работает все время и непрерывно, и все чувства активны в любой момент времени. То есть когда я укладываю испытуемого в катушку магнитно-резонансного томографа и начинаю демонстрировать на экране числа, на которые испытуемый должен обратить внимание, я одновременно вижу великое множество очагов активности, которая не имеет абсолютно никакого отношения к считыванию чисел. Конечно, оно тоже происходит за счет усиления активности областей, отвечающих за зрение, чтение и распознавание цифр. Но этим дело не ограничивается, так как испытуемый ощущает носилки, на которых лежит, слышит звуки работы прибора и понимает, что находится в несколько непривычной обстановке. Все эти данные тоже обрабатываются в его мозге. Возможно, испытуемый голоден, у него чешется левая пятка или он планирует, на что потратить вознаграждение за участие в эксперименте. Я как исследователь в данный момент наблюдаю всю эту активность мозга, не имеющую ровным счетом никакого отношения к памяти. Поэтому при проведении фМРТ надо сравнивать активность мозга в разные моменты времени. Следовательно, я должен предъявить испытуемому числа в другой момент, причем так, чтобы он, не заметив ничего нового, просто начал бы считывать числа. Все прочие процессы идут между тем своим чередом. Если я теперь сравню картину фМРТ в два разных момента, то, если мне повезет, смогу выявить какие-то небольшие участки мозга, которые активизировались в сравнении с исходной картиной, и это даст мне некоторые основания предположить, что именно эти области отвечают за формирование памяти.

На практике, однако, часто бывает недостаточно одного такого сравнения и приходится производить множество сравнений у множества испытуемых, а затем сводить данные воедино и подвергать их статистической обработке, чтобы с наибольшей вероятностью выявить область с измененной активностью. Метод этот сравнительно новый, и поэтому к настоящему времени выявлено мало таких областей, не говоря уже о том, что мы пока можем выявлять лишь большие, хорошо заметные различия в активности разных участков мозга. Процесс обработки данных позволяет получать картины, на которых интересующий нас участок мозга маркируется красным цветом. Если в процессе решения математической задачи в левом полушарии возникает окрашенный участок, то непосвященный (как, впрочем, и исследователь! ) легко заключает: все понятно, логика локализована в левом полушарии! На самом деле активация происходит во всем объеме мозга, но мы не в состоянии дифференцированно всю ее маркировать, и приходится прибегать к множественным сравнениям и сложным статистическим методам. Дальнейшие исследования опровергли данное заблуждение, но ложная картина «логика = левое полушарие» уже прочно вбита в головы (и, между прочим, в интернет).