Список сокращений:
SLF - верхний продольный пучок
ILF - нижний продольный пучок
IFOF - нижний лобно-затылочный пучок
UF - крючковидный пучок
AF - аркуатный пучок
ДТ МРТ - диффузионно-тензорная магнитно-резонансная томография
КСТ - кортикоспинальный тракт
1. История изучения проводящих путей белого вещества головного мозга
Согласно современным представлениям, выделяют три группы проводящих путей, в каждом из которых идентифицируют несколько структур. Межполушарные связи обеспечиваются с помощью комиссуральных волокон, которые соединяют топографически идентичные участки правого и левого полушарий головного мозга. К ним относят: мозолистое тело, переднюю спайку и спайку свода. Внутриполушарные связи обеспечиваются ассоциативными путями, делящиеся на короткие U-образные и длинные (neurofibrae associationis longae). Наиболее крупные из длинных ассоциативных путей представлены верхним и нижним продольными пучками, нижним лобно-затылочным и крючковидным трактами. Проекционные связи обеспечиваются различными восходящими и нисходящими путями.
В 1906 г. Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль получили Нобелевскую премию за описание цитоархитектоники различных областей мозга человека. Спустя 3 года К. Бродман (К. Brodmann, Германия) описал в коре больших полушарий головного мозга 11 областей, включающих 52 цитоархитектонических поля. Позже, в 30-е годы XX столетия У. Пенфилд (W. Penfield, Канада) описал правильную пространственную проекцию скелетных мышц на двигательную область коры больших полушарий головного мозга. Сформировавшаяся под влиянием этих открытий концепция позволяла нейрохирургам выполнять оперативные вмешательства на мозге с учетом функциональной анатомии коры [41].
Гораздо меньше внимания нейронауки уделяли изучению проводящих путей белого вещества головного мозга, интерес к изучению которых значительно возрос в последние десятилетия. Ниже приводятся данные об истории открытия некоторых проводящих путей головного мозга (см. таблицу).
Значимую роль в изучении проводящих путей головного мозга сыграл В.М. Бехтерев [1], который проходил стажировку в Лейпциге в 90-х годах XIX века у проф. П. Флексига. Это позволило В.М. Бехтереву в будущем создать фундаментальное руководство по проводящим путям головного и спинного мозга в 2 томах.
В 1935 г. Joseph Klinger (1888-1963) описал технику диссекции волокон, включающую заморозку предварительно фиксированного в формалине мозга в 10% растворе в течение 3 нед. В 50-х годах XX века M. Yasargil [96] впервые применил знания об анатомии волокон белого вещества и технике их диссекции во время нейрохирургических операций. В 90-х годах U. Türe [91] использовал данную технику для нейрохирургического тренинга.
В последние годы ряд исследователей описали значение и функции длинных ассоциативных путей головного мозга во время операций с интраоперационным пробуждением при опухолях головного мозга [29, 41, 72].
Внедрение диффузионно-тензорной магнитно-резонансной томографии (ДТ МРТ) открыло новые возможности в количественной и качественной оценке повреждений проводящих путей головного мозга, получении их трехмерных изображений как в норме, так и при различной патологии мозга [3-6, 10, 21]. В Институте нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко на основе ДТ МРТ получены новые данные о состоянии комиссуральных и проекционных путей в динамике при тяжелой черепно-мозговой травме [3-6, 97].
Метод ДТ МРТ оценивает диффузионные характеристики исследуемой среды, а также направленность диффузии воды (анизотропии) и, таким образом, дает информацию о степени интегрированности трактов белого вещества [75]. Диффузионная анизотропия неоднородна в разных областях белого вещества и отражает различие в миелинизации волокон, диаметре и их направленности. Патологические процессы, изменяющие микроструктуру белого вещества, такие как дезорганизация и разобщение волокон или их разрыв, сочетающиеся с повреждением миелина, ретракцией нейронов, увеличением или уменьшением внеклеточного пространства, оказывают существенное влияние на показатели диффузии и анизотропии [35, 94, 97].
На рис. 1-4 приводятся данные МР-трактографии с построением различных ассоциативных, комиссуральных и проекционных волокон, выполненной в Институте нейрохирургии как однократно, так и в динамике, в том числе с подсчетом показателей фракционной анизотропии по ходу волокон трактов.
Выявлено, в частности, что изменение показателей ДТ МРТ отражает последовательность процессов дегенерации аксонов и миелиновых оболочек проводящих путей, приводящих к их деструкции и атрофии через несколько месяцев и даже лет после диффузного аксонального повреждения, при опухолевых и других поражениях мозга [13-15, 97].
2. Анатомо-функциональные особенности длинных ассоциативных путей головного мозга
По современным представлениям, основная роль длинных проводящих путей головного мозга состоит в обеспечении языковых функций, представленной широкой мозговой сетью, включающей корковые центры речи и соединяющие их пучки - тракты [71, 78]. Схема топографоанатомического расположения некоторых длинных ассоциативных трактов представлена на рис. 5.
2.1. Верхний продольный пучок
Верхний продольный пучок - superior longitudinalis fasciculus (SLF) - большой тракт, соединяющий кору лобной, теменной и височной долей, а также область вокруг сильвиевой щели. Впервые описан Reil и Autenrieth в 1809-1812 гг. Позже строение тракта описали Burdach (1819-1826) и Dejerine (1895). Y. Fernandez-Miranda и соавт. на основании МР-трактографических исследований и данных диссекции описали три части верхнего продольного пучка. Нейровизуализационные исследования на приматах показали, что SLF состоит из горизонтального сегмента (лобно-теменная часть), вертикального сегмента (височно-теменная часть) и лобно-височного сегмента (дугообразная часть) [27, 45, 62]. Основной функцией SLF является обеспечение передачи сигналов для осуществления речевых и языковых функций [95].
Согласно другой классификации, SLF состоит из трех частей: 1) поверхностного переднего сегмента, соединяющего надкраевую извилину и верхнюю височную извилину с прецентральной извилиной и латеральной фронтальной корой; 2) поверхностного заднего сегмента, соединяющего заднюю часть средней височной извилины и надкраевую извилину; 3) глубокого длинного сегмента - дугообразного (аркуатного) пучка, соединяющего среднюю и нижнюю височные извилины с прецентральной, нижней и средней лобной извилинами. В исследовании J. Martino и соавт. [69] данные части SLF были идентифицированы отдельно с помощью посмертной диссекции анатомических препаратов мозга. Установлено, что каждый компонент тракта соединяет специфические кортикальные поля лобной, теменной и височной долей.
Интраоперационная электрическая стимуляция SLF приводит к нарушению речи, синтаксическим и фонематическим нарушениям (парафазии), особенно при поражении с доминантной стороны [39]. Описаны случаи алексии и аграфии, а также нарушения пространственной ориентировки, развития дисграфии при поражении SLF в нижней теменной области доминантного полушария [84, 86]. Анатомическое представительство тракта, по данным МР-трактографии, превышает его функциональные зоны по сравнению с данными интраоперационного нейрофизиологического исследования. Это означает, что опухоль, инфильтрирующая часть тракта, может быть удалена без нарастания неврологической симптоматики [19, 24].
2.2. Дугообразный пучок
Дугообразный пучок - arcuatus fasciculus (AF) был описан в работах Burdach (1819-1826) и Dejerine (1895). Они более точно изучили систему волокон и соединение нижней и средней височных извилин с латеральной фронтальной корой посредством AF. Эти исследователи считали AF частью верхнего продольного пучка. Данный тракт соединяет речевые центры Брока и Вернике. По данным М. Glasser and J. Rilling (2008), в левом полушарии данный тракт встречается в 100% случаев, тогда как в правом - только в 55% [50]. Кроме того, описана непрямая связь между речевыми центрами через кору нижней теменной области [48]. На рис. 6 представлена топография AF в белом веществе головного мозга и клинический пример построения SLF в интактном полушарии у пациента с внутримозговой опухолью левой гемисферы головного мозга (рис. 7).
Поражение AF часто возникает при локализации очага в белом веществе нижней теменной дольки в проекции ангулярной извилины (расстояние от островковой дольки до AF составляет 11-25 мм) [70]. Данный регион мозга является «стратегическим» и его повреждение приводит к более серьезным расстройствам, чем аналогичное по площади в другой области мозга. Соответственно, нейрохирург при работе вблизи этой зоны белого вещества должен идентифицировать данную часть тракта с помощью электростимуляции [66]. Поражение AF приводит к появлению проводниковой (кондуктивной) афазии вследствие нарушения проведения импульсов между речевыми центрами, а также артикуляторных, фонематических и синтаксических речевых нарушений (фонематическая парафазия), реже - семантической и фонологической парафазии [23, 47, 64]. Основной клинический признак проводниковой афазии - выраженное нарушение повторения фраз за врачом и чтения вслух. Описано развитие дислексии, нарушения оптико-пространственной координации (пространственной агнозии) и счета после радионекроза с поражением дугообразных пучков с двух сторон у пациента с опухолью мозга [78].
2.3. Нижний лобно-затылочный пучок
Нижний лобно-затылочный пучок - inferior fronto-occipitalis fasciculus (IFOF) - вентральный ассоциативный путь, соединяющий лобную долю с затылочной и теменной через височную область и островок. Данный тракт является одним из важнейших в головном мозге, которому не уделялось должного внимания [57]. В 1909 г. Curran впервые описал волокна IFOF на трупе в ходе анатомической диссекции. Анатомия и функциональная роль IFOF остаются плохо изученными [81]. На рис. 8 представлена фотография с диссекцией волокон данного тракта из работы М.В. Пуцилло и соавт. [9].
По данным анатомической диссекции волокон и прижизненной МР-трактографии, IFOF состоит из двух слоев: поверхностного и глубокого. Глубокий слой в свою очередь делится на переднюю, среднюю и заднюю части. Задний компонент соединяет среднюю лобную извилину и дорсолатеральные отделы префронтальной коры, в то время как средняя часть - среднюю лобную извилину и латеральную часть орбито-фронтальной коры. Передний отдел тракта проводит импульсы между орбито-фронтальной корой и полюсом лобной доли. Поверхностный слой и задняя часть глубокого слоя IFOF участвуют в семантической обработке информации. Средний компонент глубокого слоя может играть определенную роль в смешанной сенсорно-моторной интеграции. Наконец, передняя часть глубокого слоя может быть вовлечена в эмоциональные и поведенческие реакции. Таким образом, нижний лобно-затылочный пучок является мультифункциональным, в котором каждый подкомпонент участвует в определенной функции мозга [81]. Волокна данного тракта являются анатомически дискретными для его функции, что было установлено с помощью высокоточной ДТ МРТ [24]. На рис. 9 приводится клинический пример реконструкции нижнего лобно-затылочного пучка у пациента с внутримозговой опухолью левого полушария головного мозга.
Интраоперационная электрическая стимуляция нижнего лобно-затылочного пучка может приводить к семантической парафазии (лексико-семантический компонент речи), нарушению сенсорно-моторной интеграции, эмоциональным и поведенческим нарушениям [81].
2.4. Нижний продольный пучок
Нижний продольный пучок - inferior longitudinalis fasciculus (ILF) описан Burdach в 1822 г. и соединяет зрительную кору через задневисочную область с передневисочным регионом. В височной доле этот пучок соединяет полюс височной доли, парагиппокампальные извилины, гиппокамп и миндалевидное тело. МР-трактография подтверждает тесную связь между затылочной и передневисочной областью посредством нижнего продольного пучка [26].
При непосредственной стимуляции данного тракта во время нейрохирургических операций с интраоперационным пробуждением речевых нарушений не выявлено, что подтверждается работами Е. Mandonnet и соавт. [67]. Авторами на примере 12 операций с внутримозговыми опухолями левой височной доли, выполненных под местной анестезией, показано существование двух альтернативных путей, участвующих в обеспечении речевых функций, объединенных термином «semantic ventral stream»: прямой путь через нижний IFOF, обеспечивающий семантические процессы речи и непрямой - через ILF, который в норме не является важным, но может участвовать в компенсации речевых нарушений после резекции опухоли [67].
Исследования показали, что повреждения тракта могут приводить к нарушению называния предметов [44, 87, 88], а перерыв данного пути может приводить к развитию алексии [43] и нарушениям зрительной памяти [87].
2.5. Крючковидный пучок
Крючковидный пучок - uncinatus fasciculus (UF) соединяет полюс височной области с орбито-фронтальным регионом [25]. Функция данного тракта до конца не изучена. При тематическом поиске нами найдены единичные упоминания о функциональном значении этого тракта. Прямое раздражение при субкортикальной стимуляции данного пути доминантного полушария не приводило к речевым нарушениям во время операции при использовании стандартных речевых тестов [37]. Авторы описывают «semantic ventral stream», включающий прямой путь через ILF, обеспечивающий семантические процессы речи, и непрямой путь - через UF, который в норме не является важным, но может участвовать в компенсации речевых нарушений после резекции опухоли. На рис. 9 приводятся результаты МР-трактографии с построением IFOF (синий цвет), ILF и UF, выполненной в Институте нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко.
3. Интраоперационная идентификация функциональных зон коры и проводящих путей мозга
Еще в 30-е годы прошлого века были предприняты первые шаги в определении локализации корковой функциональной организации в ходе нейрохирургических операций [46, 76]. Изначально использовалась лишь прямая стимуляция коры в ходе удаления опухолей и эпилептогенных зон у больных, находящихся в сознании, что позволяло оценить взаимосвязи сознания, двигательных актов и языковой продукции на этапах хирургического вмешательства. Позднее в 70-х годах XX века в нейрофизиологическую практику вошел мониторинг соматосенсорных вызванных потенциалов (ССВП) [73], и уже совсем недавно, в 90-е годы появились моторные вызванные потенциалы, что позволило более точно локализовать функциональные зоны мозговой коры и проводящие пути.
В 1978 г. был описан феномен реверсии фазы коркового компонента ССВП в области центральных извилин и идентификация центральной борозды [51], который нашел широкое применение в хирургии внутримозговых опухолей [28, 59, 63]. В 1937 г. W. Penfield [76] описал методику прямой стимуляции коры с использованием подачи ритмических (50-60 Гц) биполярных импульсов. Этот подход в основном используется для картирования сенсорных и моторных зон речи у больных в сознании, хотя применяется и у больных, находящихся под общим наркозом [63]. Также в настоящее время применяется методика стимуляции пачками (трейнами) из 4-5 импульсов [90] для картирования и длительного мониторинга корково-подкорковых проводников [17].
Хирургия с пробуждением и прямая электрическая стимуляция коры и проводящих путей являются «золотым стандартом» при резекции глиом, расположенных рядом с речевыми зонами и другими функционально значимыми структурами [36, 38, 42, 74]. В ходе подобных операций функциональное картирование мозга проводится нейрохирургом совместно с нейропсихологом и нейрофизиологом, причем последний осуществляет настройку параметров стимуляции с одновременным контролем состояния спонтанной корковой активности с помощью электрокортикограммы (ЭКоГ) для выявления эпилептической активности. Такой подход позволяет предупреждать развитие судорожного синдрома в ходе продолжительной ритмической электростимуляции. Первым этапом электрическая стимуляция выявляет локализацию корковых зон языковых функций, при этом каждая функционально важная зона маркируется [2, 11, 12].
Зона стимуляции считается функционально значимой, когда наблюдаются речевые нарушения трижды подряд после последующих стимулов, при этом после окончания стимуляции отмечается восстановление речевой (языковой) функции. Тип речевых нарушений верифицируется нейропсихологом, а степень выраженности речевых нарушений оценивается по шкале National Institutes of Health Stroke Scale [92]. Следующим этапом выполняется резекция опухоли с учетом данных картирования, при этом проводится периодическая субкортикальная стимуляция для поиска функционально значимых проводящих путей белого вещества [2].
Таким образом, использование интраоперационного картирования и электрофизиологического мониторинга позволяет хирургам удалить максимальный объем опухоли с минимальным нарушением неврологических функций [31, 54, 61].
4. Нейропсихологические методы интраоперационного исследования
Исследование когнитивных функций в динамике (до и после операции) осуществляется с помощью хорошо подобранного комплекса нейропсихологических тестов, которые должны удовлетворять нескольким критериям: 1) позволять оценить ряд когнитивных функций, при этом тесты должны быть достаточно чувствительные для определения эффекта опухоли и проведенного лечения; 2) процедура тестирования должна быть стандартизирована для обеспечения возможности сравнения результатов динамического обследования пациентов; 3) наличие нормативов проведения тестов позволит объективно оценить выполнение тестов пациентами; 4) тесты должны быть достаточно надежные и малочувствительные к повторному тестированию для получения точных данных при динамическом обследовании; 5) тесты должны иметь альтернативные формы для повторного тестирования; 6) для предотвращения утомления общее время тестирования не должно превышать 30-40 мин.
Комплекс нейропсихологического тестирования подбирается индивидуально для каждого пациента. Поскольку при опухолях часто нарушаются память, внимание, скорость переработки информации, управляющие функции и речь, то соответствующие тесты должны обязательно использоваться при тестировании. В качестве примера можно привести тесты на вербальные ассоциации (ассоциации на заданную букву алфавита и на определенную семантическую категорию), нахождение сходства между двумя понятиями (например, «что общего между яблоком и бананом»), тест следования по маршруту А и Б (позволяет оценить зрительное внимание, распределение и переключение внимания) [65], запоминание списка слов (позволяет оценить слухоречевую память) [55, 60, 83], тест шифровка (позволяет оценить скорость переработки информации) [93], тестом на тонкую моторику [53]. В зависимости от локализации поражения исследование может быть дополнено тестом интеллекта Векслера (WAIS-IV), который позволяет получить суммарную оценку вербального и невербального интеллекта [93]. Тест составной фигуры Рея (Rey Complex Figure Test) позволяет оценить зрительно-конструктивные функции. Используются также тесты на запоминание невербализуемых фигур (Rey Visual Design Learning Test, Rey Complex Figure Test) [65, 89], тесты на речевую и неречевую рабочую память (Digit Span Forward, Digit Span Backward, Spatial Span Forward, Spatial Span Backward) [65, 89], тесты для исследования речи [22].
Для интраоперационного картирования используется небольшой набор относительно несложных тестов, доступных для выполнения в условиях интраоперационного пробуждения. Каждый тест должен включать достаточное количество проб, позволяющих непрерывно тестировать функцию по ходу мозговой стимуляции. В качестве примера приведем несколько проб, используемых для интраоперационной локализации моторных и речевых зон, чаще всего определяемых в ходе подобных операций. Для локализации моторной зоны руки используется проба на сжимание и разжимание кулака, для локализации моторной зоны ноги используется проба на сгибание и разгибание ноги в коленном суставе. Для оценки речевых функций используется проба на называние картинок, при этом называние глаголов является более чувствительным для локализации зоны Брока, чем называние существительных. Порядковый счет в прямом и обратном порядке позволяет оценить плавность речи и переключение.
Таким образом, нейропсихологическое обследование когнитивных функций является важным составляющим комплексного обследования пациентов с опухолями мозга в до- и послеоперационном периоде, определяя как хирургическую тактику, так и последующие реабилитационные мероприятия.
5. Заключение
Первые операции с интраоперационным пробуждением пациентов были выполнены У. Пенфильдом и Г. Оджеманном в Монреальском неврологическом институте в 30-40-х годах прошлого столетия. Их исследования позволили составить представление о более подробной локализации различных корковых функций мозга человека. Несмотря на то что большая часть длинных ассоциативных путей мозга человека была описана в XIX веке, до последнего времени интраоперационные исследования трактов белого вещества мозга человека широко не проводились.
Внедрение ДТ МРТ позволило идентифицировать функционально значимые проводящие пути белого вещества мозга и их топографоанатомические отношения как в норме, так и при патологии [18, 33]. С этого момента во всем мире начинается широкое использование МР-трактографии для предоперационной и интраоперационной визуализации проводящих путей. Однако основное внимание долгие годы было сосредоточено на пирамидном и в меньшей степени зрительном трактах мозга. Остальные тракты были изучены значительно меньше [20]. С помощью ДТ МРТ стало возможным планировать операционный доступ и объем оперативного удаления внутримозговых опухолей с учетом расположения проводящих путей, их заинтересованности в патологическом процессе (смещение, деформация, инвазия, повреждение) с целью максимально радикального удаления опухоли с минимальными послеоперационными повреждениями [80]. Подробное описание микрохирургической анатомии белого вещества головного мозга приведено в работах М.В. Пуцилло и соавт. [9] и J. Fernandez-Miranda и соавт. [45].
В последующих работах проф. H. Duffau и соавт. [40, 42] показана важная роль длинных ассоциативных путей для различных функций мозга человека. Современная нейроанатомическая концепция языковой функции мозга включает «задний» путь (акустико-фонологически-моторная система), вовлекающий зоны Брока, Вернике и Гешвильда, соединенные дугообразным пучком; и «передний» путь (лексико-семантическая система), расположенный в лобной и задневисочной областях, соединенный нижним лобно-затылочным пучком и, возможно, нижним продольным пучком и крючкообразным трактом [56]. Таким образом, при удалении внутримозговых опухолей, расположенных в лобно-теменно-височной области доминантного по речи полушария, необходима идентификация как корковых представительств речи, так и соединяющих их проводящих путей.
Изучение предоперационной анатомии длинных ассоциативных путей головного мозга и интраоперационной нейрофизиологии с применением современных методов тестирования позволяет планировать оптимальный подход к удалению внутримозговых опухолей, а также определяет прогноз в отношении радикальности хирургического вмешательства. Так, состояние нижнего лобно-затылочного пучка может быть предиктором тотального удаления опухоли, расположенной вблизи данного тракта, а критической точкой в данном случае считается инфильтрация опухолью волокон тракта в области наружней капсулы [24].
Разработана новая концепция хирургии внутримозговых опухолей, получившая название «превентивная хирургическая нейроонкология», получила широкое распространение в литературе. Сохранение и улучшение качества жизни пациентов в настоящее время является приоритетным направлением в хирургии глиом [39]. В этих условиях целью настоящего обзора является пересмотр технических аспектов развития хирургии глиом с учетом последних достижений нейронаук о значении и функциях длинных ассоциативных путей головного мозга. Иными словами, нейрохирург во время операции должен видеть прежде всего мозг с его трехмерной анатомо-функциональной организацией [39].
Диссекция проводящих путей головного мозга дает возможность изучения их анатомо-топографических особенностей и помогает улучшить нейрохирургическую стратегию планирования в ходе резекции внутримозговых опухолей, артерио-венозных мальформаций и других очаговых поражений мозга. Рекомендуется использование клинглеровского метода диссекции трактов для обучения нейрохирургов [70].
Изучение предоперационной анатомии корковых представительств и проводящих путей головного мозга с применением интраоперационной нейрофизиологии и современных методов тестирования позволяет планировать оптимальный подход и тактику нейрохирургических вмешательств у пациентов с различной патологией головного мозга.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 14-15-01092.
Комментарий
В современной нейрохирургии важнейшая роль придается корковым функционально важным зонам, в то время как изучению анатомофизиологических особенностей проводящих путей белого вещества уделяется существенно меньшее внимание. При удалении патологических образований мозга могут быть повреждены не только корковые функционально значимые зоны, но и проводящие пути, что также может привести к нарастанию неврологического дефицита в послеоперационном периоде. В связи с этим точное знание анатомо-функциональных особенностей различных трактов белого вещества представляется весьма актуальным для нейрохирурга.
В настоящем обзоре представлены основные сведения о ряде длинных ассоциативных путях белого вещества головного мозга (верхний и нижний продольный пучки, нижний лобно-затылочный пучок, дугообразный пучок и крючкообразный тракт). В историческом аспекте приводятся данные о их строении, функциях и методах пред- и интраоперационной идентификации. Целесообразно было бы привести морфометрические данные по каждому тракту.
Работа иллюстрирована рисунками из зарубежных статей, авторами которых являются ведущие мировые эксперты в области изучения трактов мозга человека (Catani, Duffau и др), что позволяет читателю представить расположение части длинных ассоциативных путей белого вещества в мозге человека на анатомических препаратах и МР-трактографических изображениях.
К сожалению, до настоящего времени остаются не до конца изученными вопросы о структуре и функциях некоторых из описанных путей, что требует дальнейшего детального изучения как на анатомических препаратах без патологии ЦНС, так и при различных поражениях (в частности, при полушарных глиомах) головного мозга. Необходимо также проведение сравнительно-сопоставительного анализа получаемых данных с МР-трактографией.
В работе отсутствует подробное описание методики фиксации и анатомической препаровки описываемых трактов мозга.
Данная работа является весьма актуальной и будет не только интересна, но и полезна для практикующих нейрохирургов.
В.Л. Пучков, Г.Ф. Добровольский (Москва)