(17). Последнее – только в отделе Н.П. Бехтеревой и еще в двух лабораториях в мире. Но в целом эти работы были на обочине столбовой дороги. ЭЭГ затмевала все. Это, кстати, очень поучительная история. С появлением качественно других методов – МРТ и ПЭТ – ЭЭГ, напротив, приходится доказывать свою значимость.
Это избитая фраза, но подлинной революцией стало использование для диагностики рентгеновских лучей, за открытие которых, как известно, была присуждена первая Нобелевская премия по физике. С тех пор стало традицией присуждать Нобелевские премии за создание новых методов интровидения. Суть рентгеновской диагностики, напомню, состоит в том, что степень проницаемости (прозрачности) различных тканей человеческого тела для рентгеновских лучей, во-первых, значительно выше, чем для световых лучей (поэтому они проходят сквозь тело); во-вторых, различна для разных тканей. Поэтому в этом театре теней хорошо видны переломы, так как имеется существенная разница в проницаемости целой и дефектной кости. Несколько сложнее, но опытным глазом можно достаточно четко различить и другие особенности, причем не только костей, но и мягких тканей.
Тем не менее рентгеновский снимок – это проекция трехмерного объекта на плоскость со всеми вытекающими искажениями и неопределенностями; возникло большое число приемов, улучшающих качество изображения. Каждый, кому делали рентгеновские снимки (а их делали почти всем), помнит, что его специально «укладывали» перед источником лучей. Для каждой части тела существует своя «укладка», предоставляющая врачу оптимальный вид. Правда, это были несущественные улучшения, как любое рацпредложение по сравнению с созданием нового метода, но они стимулировали интерес к созданию новых аппаратов. Хотелось получить в полном виде картину внутренних органов живого организма, не разрушая его.
Закономерно возникает вопрос о предпочтительном способе изображения трехмерной картины расположения внутренних органов. Трехмерный объект наиболее удобно отражать на двухмерном носителе (рентгеновская пленка, экран дисплея) в виде набора срезов, или томограмм. Отсюда и появилось название для приборов, позволяющих получить такую картину, – томографы.
В 1917 году австрийский математик Иоганн Радон предложил теоретическое решение осуществления томографии с помощью рентгеновских лучей. (Правда, сама рентгеновская томография возникла почти полвека спустя.) Были выведены математические формулы (так называемое прямое и обратное преобразования Радона), позволяющие по интенсивности поглощения луча от источника, описывающего окружность вокруг объекта, восстановить его внутреннюю структуру. Теоретически проблема была решена почти девяносто лет назад. Заметьте: опять почти столетие!
Принципиальная схема рентгеновского (или, как его чаще называют, компьютерного) томографа (КТ) заключается в следующем. Внутрь кольца помещают пациента, лежащего на специальном столе, подвижном по направлению центральной оси кольца. По диаметру кольца друг напротив друга расположены рентгеновская трубка (излучатель) и приемник, регистрирующий интенсивность прошедшего сквозь тело излучения. Излучатель описывает полную окружность вокруг пациента и по зарегистрированной зависимости поглощения от расположения излучателя вычисляет распределение рентгеновской плотности внутренних органов, то есть срез, на котором видны эти органы.
Томограф не только позволил увеличить количество проекций, но резко повысил разрешающую способность изображения, на котором стали различимы не видимые прежде ткани. Сегодня КТ стал чуть ли не самым распространенным прибором для рутинного обследования. Его внедрение ознаменовало настоящий прорыв в диагностике, прежде всего – в диагностике заболеваний головного мозга, так как только с его помощью удалось заглянуть сквозь кости черепа. Впервые появилась возможность без инвазии получить прижизненное изображение головного мозга, его оболочек и сосудов в норме и при различных патологических состояниях.
Здесь следует сделать важное замечание. КТ заменил собой множество обычной рентгенографии и методик искусственного контрастирования, но не отменил их полностью. Например, мы изредка пользуемся краниограммами (обычными рентгеновскими снимками головы и черепа) для выяснения продолжительности существования патологии. Также при помощи краниограмм проще и дешевле оценить координаты введенных в мозг электродов. Это обычная ситуация. Все методы интровидения имеют четко определенную нишу, в ней они вне конкуренции. Но ни один из них пока не может претендовать на абсолютную ценность.
Однако различия в рентгеновской плотности выражены недостаточно, чтобы уверенно отличить, например, одну мозговую структуру от другой. Опухоль или гематома чаще всего видны, а более тонкие особенности – не всегда. Кроме того, это исследование нельзя назвать полностью безвредным, поскольку пациент все-таки получает определенную дозу облучения. Поэтому в течение нескольких десятилетий постоянно шли поиски безопасного метода, который к тому же обладал бы гораздо большей чувствительностью.
В 1940-х годах американцы Феликс Блох и Эдвард Перселл обнаружили явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), за что в 1952 году были удостоены Нобелевской премии. ЯМР – это физическое явление, основанное на свойствах некоторых атомных ядер при помещении их в магнитное поле поглощать энергию в радиочастотном диапазоне и излучать ее после прекращения воздействия РЧ-импульса. Поместив объект в условия резонанса, мы как бы закачиваем в него энергию. Если поле снять, то энергия высвободится, и это можно зафиксировать. Напряженность постоянного магнитного поля и частота радиочастотного магнитного поля должны строго соответствовать друг другу. Это и называется ядерным магнитным резонансом: ядерным – поскольку взаимодействие происходит с магнитными моментами атомных ядер, магнитным – так как эти моменты ориентированы постоянным магнитным полем, резонансом – поскольку параметры этих полей строго взаимосвязаны.
Явление ЯМР послужило основой для создания магнитно-резонансного томографа (МРТ), который сегодня также стал незаменимым и в медицинской диагностике, и в фундаментальных исследованиях. История его создания довольно драматична. Впервые концепцию МРТ предложил советский ученый В.И. Иванов в 1960 году, но его публикации не были приняты во внимание. Во-первых, потому, что ему не дали публиковать статьи в зарубежных журналах; во-вторых, просто не хотели замечать. Непосредственно первый МРТ был создан в 1977 году в США Реймондом Дамадьяном, который попал во все энциклопедии как его изобретатель. Однако Нобелевскую премию за изобретение МРТ получили в 2003 году совсем другие исследователи – П. Лотербур и П. Мэнсфилд за работы, приведшие к его созданию.
Суть МРТ заключается в том, что магнитные свойства ядра атома водорода (протона) зависят от его окружения, поэтому ЯМР (резонанс) наступает при различных соотношениях параметров постоянного и переменного полей. При поточечном сканировании сигнал, зарегистрированный томографом, зависит от типа ткани, которая окружает или в которую встроен данный атом водорода. Вместо параметра, описывающего поглощение рентгеновских лучей, как в КТ, регистрируется сигнал, зависящий не только от плотности ткани, но и от ее структуры. Оказалось, что полученное таким способом изображение высокоинформативно. Оно позволяет разграничить серое и белое вещества мозга, дифференцировать подкорковые структуры, тонко визуализировать неоднородное строение опухолей, абсцессов, динамику травматических изменений и инсультов и многое другое. Появилась возможность увидеть мозговые сосуды, измерить их диаметр и скорость кровотока. Многочисленные дополнительные программы объективизируют структуру опухоли.
И на МРТ-, и на ПЭТ-томограммах видна обширная опухоль. На ПЭТ показан объем щадящей криодеструкции. Внизу – томограммы этой больной сразу после операции, через год и через пять лет. Видно, что опухоль исчезла
Конечно, всегда есть ограничения. Опухоль при росте сдавливает окружающие ткани, и получается околоопухолевый отек. Так вот его на МРТ практически не отличить от вещества опухоли, а это необходимо для последующего лечения.
С чего же начинались исследования функционирования мозга и что долгое время было в загоне? Правильно, исследования мозгового кровотока! Так, может быть, мы можем с помощью МРТ посмотреть величину или скорость локального кровотока и тем самым определить, где нейроны работают интенсивнее? Оказалось, да!
Зачем увеличивается кровоток? Чтобы доставить работающим нейронам больше кислорода. Как? Кислород доставляется в составе гемоглобина – особого элемента крови, о котором каждый слышал. Кислород «садится» на гемоглобин и превращает его в оксигемоглобин; когда гемоглобин отдает кислород, он превращается в так называемый неоксигенированный гемоглобин. Величайшим фактом для функциональных исследований мозга явилось то, что магнитные ответы от этих двух веществ различаются. Таким образом, исследователи получили возможность изучить изменение в соотношении оксигенированного и неоксигенированного гемоглобинов, что очень близко к величине локального мозгового кровотока при выполнении различных видов деятельности (рис. 35).
Рис. 35. Компенсаторное увеличение кровотока после активации нейронов
Даже в очень сильных магнитных полях разница в сигнале мала, и это понятно: нейроны мозга вовлечены во множество операций и вынуждены «говорить приглушенно». Как сказал мне однажды один из ярчайших исследователей мозга, великий испанец Хосе Дельгадо, на ухо, но достаточно громко: «Нейроны шепчут друг другу». Шепот трудно расслышать, поэтому его повторяют много раз. В реальности, когда идет запись сигнала на МРТ, человек попеременно то выполняет заданную деятельность, то не выполняет ее. А дальше мы ищем не сигнал, а колебания сигнала с той же частотой, что и частота повторения деятельности. Там, где это обнаружено, и происходит искомая работа нейронов (рис. 36).