Как диффузионно-тензорная визуализация раскрывает связи нейронов

Когда мы смотрим вверх и видим небо, пересеченное белым следом, мы можем проследить белую лозу водяного пара до его источника зарождения — горящего двигателя реактивного самолета. Что, если бы мы могли аналогичным образом проследить нитевидные связи мозга?

Диффузионно-тензорная визуализация (DTI) — это метод визуализации мозга, который позволяет нам описывать структуры связей мозга путем контурирования диффузии или направленного движения воды. Хотя DTI основывается на стандартных методах магнитно-резонансной томографии (МРТ), она специально разработана для раскрытия соединительной структуры мозга. DTI позволяет исследователям и врачам визуализировать мозг с учетом трубчатых путей, задействованных нейронной коммуникацией во время когнитивных и поведенческих функций.

Цель этого вводного эссе — кратко представить некоторые концепции, которые являются основополагающими для DTI. Мы рассматриваем структурную связность как важную нейроанатомическую особенность, поскольку наши восприятия, поведение и мысли не возникают из независимо функционирующих нейронов. Скорее, даже основные неврологические функции, такие как движение и зрение, жизненно определяются динамическими процессами, происходящими между структурно связанными сетями взаимодействующих популяций нейронов.

Выявление соединительной структуры возможно, поскольку аксоны, расширенные и трубчатые отростки нейронов, составляют соединительную структуру мозга, известную как белое вещество. Каждый аксон структурно непрерывен с телом нейрона и помогает передавать информацию этого нейрона другим нейронам, как рука, протягивающая ноту. Тракты белого вещества представляют собой плотно упакованные пучки этих соединительных аксонов. Эти тракты структурируют связность мозга, перенося динамически колеблющиеся химические градиенты, которые облегчают распространение нейронной информации и коммуникации.

DTI использует явление, называемое диффузией воды, и определяет, в каком направлении молекулы воды двигаются с наибольшей свободой. С помощью специализированных методов обработки данных МРТ DTI оценивает не только общую степень диффузии, но и ее ориентацию, что позволяет создавать изображения, отображающие структуру белого вещества мозга, его проводящие пути и связи.

Представьте, что мы поместили миску теплого супа с лапшой в сканер, чувствительный к направленному движению соленого бульона. Мы бы увидели, что большая часть бульона движется не хаотично, а направленно, по путям наименьшего сопротивления, внутри и между длинной структурой лапши. Точнее, в ином пустом пространстве физически не ограниченные молекулы воды будут двигаться в случайных направлениях, т. е. у них нет направленного предпочтения. Тем не менее, если поместить их в физически ограниченное пространство, которое имеет согласованную или продольную структуру, это заставит молекулы воды диффундировать направленным образом.

Напротив, если бы мы изобразили обычную кухонную губку, замоченную и подвешенную в луже воды, губка показала бы очень мало направленного движения воды из-за нерегулярной и преимущественно случайной пористой структуры губки. Заполненные водой туннели, которые пронизывают губку, не имеют согласованной направленной структуры. Кстати, с ее нерегулярным или ненаправленным ограничением движения воды губка напоминает серое вещество мозга.

Вот почему DTI в основном используется для получения изображений путей белого вещества, или трактографии, которые соединяют корковые и подкорковые области. Эти основанные на диффузии измерения анатомических и нейрофизиологических связей мозга позволяют врачам и исследователям делать обоснованные и квалифицированные прогнозы относительно анатомически-специфических неврологических функций данного пациента или группы населения.