Интерпретация десятков тысяч исследований в области функциональной визуализации мозга поставлена под сомнение
Новое исследование показало, что связь между BOLD-сигналом, используемым в функциональной МРТ, и реальным потреблением кислорода нервными клетками мозга не всегда очевидна. Примерно в 40% случаев наблюдается несоответствие, что заставляет научное сообщество переосмыслить интерпретацию результатов тысяч предыдущих работ.
В науке предпочтение традиционно отдается прямому измерению — точному замеру физиологических показателей, например, частоты сердечных сокращений в ответ на внешний раздражитель. Однако, когда объектом исследования является мозг, измерить нейронную активность напрямую крайне сложно, так как он защищен черепом. Хотя посмертные исследования тканей дают много информации, они не позволяют наблюдать за динамикой процессов в режиме реального времени.
Одним из наиболее распространенных методов в нейробиологии является функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). Сигнал, измеряемый этим методом, называется BOLD-сигналом (Blood Oxygenation Level Dependent — зависящий от уровня оксигенации крови). Он отражает изменение уровня оксигенации гемоглобина. Исходная гипотеза заключается в том, что активные нервные клетки потребляют больше энергии и кислорода, что провоцирует приток эритроцитов в соответствующую область.
В результате возникает сигнал с характерной формой, называемой гемодинамической ответной функцией. Нервные клетки работают быстро, в интервалах, измеряемых миллисекундами, тогда как изменения диаметра кровеносных сосудов занимают несколько секунд. Поэтому BOLD-сигнал медленнее нейронной активности, но он позволяет проводить неинвазивные измерения у бодрствующих испытуемых. Этот метод стал стандартом, на базе которого проведены десятки тысяч исследований.
Однако новое исследование, отслеживавшее потребление кислорода, показало, что связь между ним и BOLD-сигналом не всегда однозначна: примерно в 40% случаев потребление кислорода нервными клетками не соответствует росту BOLD-сигнала. Иногда связь и вовсе обратная: в областях, где сигнал падает, потребление кислорода растет, и наоборот.
Расширение картины
Новизна работы заключается в использовании МРТ в сочетании с количественными показателями мозгового кровотока и объема крови. Это позволило оценить потребление кислорода без прямого измерения из сосудов, опираясь на закон Фика: потребление кислорода равно произведению скорости кровотока на коэффициент экстракции кислорода. Таким образом, для понимания метаболизма нужно знать не только приток крови, но и то, сколько кислорода из нее усваивают клетки.
Результаты исследования добавляют в уравнение новый фактор — коэффициент экстракции кислорода из тканей. Когда клетки активны, они могут либо получать больше крови, либо эффективнее извлекать кислород из уже имеющегося объема без изменения скорости кровотока. Именно этот показатель, вероятно, ответственен за высокую вариативность и несоответствие между потреблением кислорода и BOLD-сигналом.
Разные области мозга — разная экстракция кислорода
В исследовании приняли участие 40 испытуемых, выполнявших задачи на память, вычисления, языковые тесты и состояние покоя. Было обнаружено, что лишь в 32% областей серого вещества изменение BOLD-сигнала соответствовало изменению потребления кислорода. В 22% областей связь была обратной, а в 46% значимых изменений активности не наблюдалось.
Исследователи заметили, что большинство зон с «противоположной» активностью относятся к сети пассивного режима работы мозга (DMN), которая активируется во время отдыха или мечтаний. При проверке экстракции кислорода около двух третей областей этой сети продемонстрировали реакцию, не соответствующую BOLD-сигналу.
В свете этих данных научному сообществу, возможно, следует пересмотреть интерпретацию предыдущих исследований фМРТ: не исключено, что колебания BOLD-сигнала отражают изменения в кровотоке, а не обязательно прямую нейрональную активность. Результаты напоминают о фундаментальных принципах науки — сомнении и гибкости мышления. В будущем использование методов оценки экстракции кислорода позволит лучше понять изменения в мозгу при психиатрических состояниях, процессах старения или дегенеративных заболеваниях.
