Первые попытки получения магнитно-резонансного (МР) спектра мозгового вещества основывались на использовании ядра фосфора ³¹P. Первый МР-спектр по фосфору головного мозга крысы был получен B. Chance в 1978 г. [1]. Этот метод позволял исследовать метаболические изменения в энергетическом обмене в веществе мозга крысы. После того как была освоена фосфорная МР-спектроскопия (МРС), ученые переключились с атома фосфора на атом водорода. Основное отличие этих методик заключается в том, что фосфорная МРС позволяет исследовать метаболические изменения в энергетическом обмене тканей, в то время как протонная МРС позволяет получать сведения о химическом составе. Исследования в этой области начинались с изучения свойств тканевой воды. Впервые протонный спектр вещества мозга человека получили P. Bottmley и соавт. [1] в 1984 г. при использовании 1.5Т МР-томографа. В 1994 г. FDA (U.S. Food and Drug Administration) одобрила применение импульсной последовательности PROBE (PROton Brain Examination) для проведения одновоксельной МРС в клинике. Далее вышла достаточно большая серия работ, посвященных клиническому использованию протонной МРС, которые касались многих диагностических аспектов, включая дифференциальную диагностику опухолевых и неопухолевых образований головного мозга [2], оценку степени злокачественности глиальных опухолей [3], изучение ишемии [4] и многое другое [5—7]. Следующим шагом в освоении МРС на основе развития вычислительной техники и электроники стала возможность преобразовать спектроскопические данные, представленные в виде пиков отдельных метаболитов, в метаболические цветовые карты. Это позволило более наглядно отображать особенности распределения и соотношение различных метаболитов в здоровых и патологически измененных тканях мозга (рис. 1).

Постепенно в клиническую практику стала входить не только одновоксельная МРС, но и мультивоксельная (Chemical shift imaging) технология, которая позволяла уже изучать достаточно большую область интереса с включением в нее не только зоны патологии, но и перифокального и даже отдаленного вещества мозга. Появилась возможность за время одного сканирования сравнивать различные участки, например, как внутри самой опухоли, так и за ее пределами. Протонная МРС со временем стала источником важнейшей информации в диагностике различной нейрохирургической патологии: первичных и вторичных опухолей мозга, опухолевых и неопухолевых поражений, продолженного роста опухолей мозга после лечения и постлучевых реакций, инфильтративного роста опухоли в области перитуморального отека и др. [1, 9, 12].

В последнее время прогресс медицинских МРТ-технологий позволил перейти на использование 3D протонной МРС на клинически доступных МР-сканерах. Главным преимуществом 3D-метода над 2D-мультивоксельной спектроскопией стала возможность наложения цветных карт метаболитов или их соотношений на достаточно большой по размерам объем мозга, включающий не только зону измененного мозгового вещества, но даже противоположное полушарие, причем на разных анатомических уровнях (рис. 2).

Цель исследования — оценить возможность применения мультивоксельной 3D протонной МР-спектроскопии у здоровых добровольцев без органической патологии головного мозга с анализом ее информативности в определении соотношений основных метаболитов белого и серого вещества головного мозга.

Обследованы 15 добровольцев в возрасте от 28 до 62 лет без органической патологии головного мозга (средний возраст 39,7 года). Исследования проводились на МР-томографе Signa HDxt 3.0T (GE, Healthcare) с использованием головной 8-канальной катушки. Все добровольцы подписывали информированное согласие на проведение МР-исследования с включением в протокол МРС. Протокол исследования был одобрен этическим комитетом ФГАУ «НМИЦ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко». На первом этапе добровольцам выполнялась стандартная МРТ головного мозга в режимах Т1, Т2, T2-FLAIR, ДВИ в аксиальной и сагиттальной проекциях. Далее выполняли последовательности T1 FSPGR и 3D Cube T2, и с помощью функции Batch производилось построение реформатов в аксиальной, фронтальной и сагиттальной проекциях с толщиной среза 3,0 мм и межсрезовым интервалом 1,0 мм. На изображениях в последовательности T1 FSPGR или 3D Cube Т2 выбиралась зона интереса и выставлялась рамка вокселов, включающая в себя выбранную область. С помощью полос сатурации подавлялись сигналы от жировой ткани и воды. В данной методике использовалось не только шиммирование (оптимизация однородности магнитного поля) первого порядка, но также и шиммирование второго порядка.

При 3D МРС используется несколько дополнительных градиентов, действующих по осям Х, Y, Z. Действие этих градиентов приводит к вариации вектора магнитного поля Во. Для получения качественного изображения очень важно, чтобы поле в области интереса было как можно более однородным. Для этого выбирается область, в которой будет проводиться шиммирование по всем плоскостям. Программа производит расчет вариации поля, затем производится коррекция текущей (Current RMS) вариации до теоретического значения (Predicted RMS). Эффективному шиммированию соответствует отличие текущего от теоретического не более чем на 3 ед. С целью получения МР-спектров и параметрических карт нами запускалась последовательность HOS PROBE 3D с ТЕ=144 мс. Контроль качества построения выполнялся в режиме Prep Scan и включал оценку ширины спектральной линии и процент подавления воды. Для аппарата с напряженностью магнитного поля 3,0 T ширина спектральной линии не должна превышать 25 Гц, а процент подавления воды не должен быть ниже 95%.

Данные обрабатывали с помощью программного пакета Ready View (GE). Сетка вокселов, выставленная в зоне интереса, включала в себя структуры как серого, так и белого вещества головного мозга (рис. 3).

Измерения проводили в участках мозга, представляющих интерес для нашего исследования, а именно в структурах белого вещества мозга (колено, валик и тело мозолистого тела (МТ), белое вещество лобной и теменной долей) и серого вещества головного мозга (височная область, таламус и скорлупа). Измерения проводились на симметричных вокселах правого и левого полушарий головного мозга. Для отдельных вокселов, содержащих белое или серое вещество мозга, получены МР-спектры и проведена оценка индексов основных исследуемых метаболитов, к которым мы относили NAA — N-ацетиласпартат, Cho — холин, Сr — креатин (рис. 4).

NAA — N-ацетиласпартат — аминокислота, которая синтезируется в митохондриях нейронов из аспартата и ацетил-кофермента, А посредством аспартат-N-ацетилтрансферазы (ANAT). NAA содержится в тканях в больших количествах и составляет 1% сухого веса, отвечая при этом за 3—4% суммарной осмолярности [9]. Концентрация в мозговом веществе составляет 6—7 нмоль/г, и в этом N-ацетиласпартат уступает лишь глутамату. Снижение уровня NAA считается достоверным индикатором нейрональной дисфункции и гибели нейронов [10]. Кроме того, установлено, что комплекс NAA выполняет протекторные, антитоксические и антиоксидантные функции, а также, возможно, участвует в процессе перекисного окисления липидов.

Cho — холин (компонент клеточных мембран) — является структурным компонентом более сложного органического фосфорсодержащего соединения — фосфатидилхолина, или лецитина, а также биологически активного ацетил-холина — медиатора нервного импульса. Он участвует в процессе синтеза и деградации фосфолипидов клеточных мембран.

Сr — креатин — участвует в энергетическом обмене клетки. Является поставщиком фосфатных групп для превращения аденозиндифосфата в аденозинтрифосфат. Принято считать, что общий уровень креатина стабилен в разных ситуациях, поэтому пик креатина часто используют в качестве референсного при сопоставлении с пиками других метаболитов [11].

Результатом спектроскопии является спектр, представляющий собой кривую из пиков метаболитов, каждый из которых имеет строго определенное значение резонансной частоты, что отражается в четкой локализации пиков вдоль шкалы относительных резонансных частот, значения которой принято считать в миллионных долях (ppm — parts per million) [12].

Сетка вокселов, выставленная в зоне интереса, включала структуры как серого, так и белого вещества головного мозга (см. рис. 2 д, е). Оценка соотношений пиков основных метаболитов произведена в различных вокселах, содержащих белое и серое вещество больших полушарий. Измерения проводились на симметричных участках обоих полушарий головного мозга (табл. 1).

В белом веществе лобной и теменной области статистически значимых отличий между отношениями всех метаболитов не выявлено. Однако в области колена МТ отношение NAA/Cr, равное 2,00±0,43, оказалось значимо ниже, чем в валике (2,77±0,75) и теле (2,48±0,37) (p<0,05), а также ниже, чем в лобных и теменных долях (2,59±0,45 и 2,89±0,65 соответственно). Вероятнее всего это связано с тем, что в колене МТ содержатся волокна малого диаметра, а по направлению к валику МТ их диаметр увеличивается [14].

В различных анатомических структурах, содержащих серое вещество, статистически значимых отличий отношений основных метаболитов не обнаружено (p>0,05), хотя в височных долях отношение Cho/Cr было выше, чем в скорлупе (p=0,05).

Значимых межполушарных отличий отношений метаболитов Cho/NAA, Cho/Cr, NAA/Cr не выявлено (p>0,05).

Объединенные по всем отделам неизмененного серого и белого вещества двух полушарий головного мозга средние значения соотношений основных метаболитов представлены в табл. 2.

Оказалось, что между серым и белым веществом мозга наблюдаются статистически значимые отличия. Это в целом согласуется с данными других исследователей [15], подтверждающих факт высокой концентрации NAA-ацетиласпартата в белом веществе мозга.

P. Pouwels и J. Frahm [15] методом одновоксельной МРС, проведенной в поле 2,0 Тл, определяли содержание метаболитов мозговой ткани в вокселах, расположенных в белом веществе (лобная, затылочная и теменная области) и сером веществе (лобная, затылочная, теменная области, островок, таламус и мозжечок). В нашем исследовании содержание NAA в белом веществе оказалось значимо выше, чем в сером. Содержание Cr в белом веществе было стабильно (p>0,05). Содержание Сho в сером веществе было ниже содержания этого метаболита в белом веществе. Уровень Cr во всех отделах серого вещества оказался выше, чем в белом. Гендерных и межполушарных отличий не выявлено. В работе M. Stromillo и соавт. [18] методом 3D МРС получены значения отношения NAA/Cr=3,1±0,2 в подкорковом белом веществе и 2,4±0,1 в сером веществе коры в группе добровольцев. Š. Sivák и соавт. [19] для группы добровольцев (n=11) приводят значение NAA/Cr=1,80±0,13 в левой височной доле и 1,90±0,18 и 2,08±0,21 в правой и левой областях прецентральной извилины соответственно. В работе M. Donadieu и соавт. [16] для неизмененного белого вещества содержание NAA и Cho составило 10,0±0,68 и 4,30±0,60 соответственно. При этом отношение NAA/Cr составило 2,33.

Таким образом, полученные нами данные в целом согласуются с результатами работ, проведенных ранее другими исследователями. Это позволяет нам сделать вывод о высокой сопоставимости результатов, полученных методами 2D и 3D ¹Н-МРС, и рекомендовать второй из них как более информативный метод исследования метаболизма вещества головного мозга за счет его преимуществ в охвате анатомического пространства за клинически адекватное короткое время сканирования. Интересный факт различия в соотношениях основных метаболитов в проекции МТ требует дальнейшего изучения и сопоставления с его структурной и функциональной организацией.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (Грант РНФ 18−15−00337 «Неинвазивное изучение энергетического метаболизма опухолей головного мозга»).

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — И.П., Л.Ф., А.Т.

Сбор и обработка материала — А.Т., А.Б., Н.З.

Написание текста — А.Т.

Редактирование — И.П., Н.З., Л.Ф.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

*e-mail: aturina@nsi.ru

Научная статья А.Н. Тюриной и соавт. посвящена применению метода 3D МР-спектроскопии в диагностике здоровых добровольцев без органической патологии головного мозга. В работе представлен обзор клинических методов МР-спектроскопии, начиная от ставшей стандартной одновоксельной МРС до объемной 3D МРС. Приведено подробное описание всех этапов проведения объемной МР спектроскопии, рассмотрены особенности клинического применения и проанализированы литературные данные по использованию 3D МРС в нейрохирургической клинике. Эти исследования позволили оценить диапазон значений основных метаболитов в отдельных анатомических образованиях неизмененного белого и серого вещества головного мозга.

Результатами данной работы являются показатели соотношений основных метаболитов, которые можно использовать в диагностике объемных образований головного мозга на предоперационном этапе, в дифференциальной диагностике опухолевых и неопухолевых поражений вещества мозга, а также в дифференциальной диагностике глиальных объемных образований.

Статья выполнена на высоком современном научно-методическом уровне и представляет научный интерес для читателей.

М.Б. Долгушин (Москва)