Μια νέα προσέγγιση στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού θα μπορούσε να επιτρέψει στους νευροεπιστήμονες να παρακολουθούν μη επεμβατικά τη διάδοση των εγκεφαλικών σημάτων σε χρονικές κλίμακες χιλιοστού του δευτερολέπτου, σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσιεύθηκε χθες (13 Οκτωβρίου) στο Science (SCIENCE 13 Oct 2022 DOI: 10.1126/science.abh4340).
Η τεχνική, την οποία οι δημιουργοί της αποκαλούν «άμεση απεικόνιση της νευρωνικής δραστηριότητας» DIANA (direct imaging of neuronal activity), χρησιμοποιεί την υπάρχουσα τεχνολογία απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού (MRI) για να τραβήξει ταχύτατα σειρές εικόνων και στη συνέχεια να τις συνδυάζει ώστε να δημιουργήσει μια εικόνα υψηλής ανάλυσης για τα κομμάτια του εγκεφάλου που είναι ενεργά.
Το DIANA έχει μέχρι στιγμής δοκιμαστεί μόνο σε αναισθητοποιημένα ποντίκια και οι μηχανισμοί κάτω από αυτό δεν είναι απολύτως σαφείς, σημειώνει ο Μάθιου Σελφ, νευροεπιστήμονας στο Ολλανδικό Ινστιτούτο Νευροεπιστημών που δεν συμμετείχε στην εργασία. Αλλά υπό τον όρο ότι μπορεί να αναπαραχθεί σε άλλα εργαστήρια, η μέθοδος θα μπορούσε να αντιπροσωπεύει μια «σημαντική πρόοδο» στην απεικόνιση του εγκεφάλου, αναφέρει.
«Αυτή θα ήταν η πρώτη τεχνική που θα μπορούσε να μετρήσει μη επεμβατικά τη νευρική δραστηριότητα με υψηλή χωρική και χρονική ανάλυση», εξηγεί ο Self. «Σίγουρα θέλω πολύ να το δοκιμάσω».
Η τεχνολογία MRI χρησιμοποιεί μαγνητικά πεδία και ραδιοκύματα για να παράγει λεπτομερείς εικόνες ιστού. Η χρήση του βασίζεται στο γεγονός ότι διαφορετικά υλικά έχουν διακριτές μαγνητικές ιδιότητες, επιτρέποντας σε έναν σαρωτή να διακρίνει μεταξύ διαφορετικών ιστών ή να παρακολουθεί τις αλλαγές στον ιστό με την πάροδο του χρόνου.
Οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει εδώ και καιρό μια εκδοχή αυτής της τεχνολογίας, γνωστής ως λειτουργική μαγνητική τομογραφία που εξαρτάται από το επίπεδο οξυγόνου του αίματος (BOLD fMRI), για να μελετήσουν πώς λειτουργεί ο ανθρώπινος εγκέφαλος. Αυτή η μέθοδος ανιχνεύει αλλαγές στη ροή του αίματος σε συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου ως υποκατάστατο της νευρωνικής δραστηριότητας
Το BOLD fMRI μπορεί να εντοπίσει τη δραστηριότητα σε ένα χιλιοστό ή λιγότερο εγκεφαλικού ιστού. Αλλά η χρονική ανάλυση της τεχνικής είναι λιγότερο εντυπωσιακή. Οι αλλαγές στη ροή του αίματος συμβαίνουν σε δευτερόλεπτα – πολύ πιο αργά από τη χρονική κλίμακα του χιλιοστού του δευτερολέπτου των νευρωνικών σημάτων. Οι εικόνες από το fMRI θα δείχνουν συχνά μια ολόκληρη νευρική οδό ενεργή ταυτόχρονα, όταν πραγματικά, υπάρχει ένα νευρικό σήμα που διαδίδεται από το ένα μέρος του μονοπατιού στο άλλο.
Άλλες μη επεμβατικές τεχνικές που μετρούν άμεσα την ηλεκτρική δραστηριότητα, όπως η ηλεκτροεγκεφαλογραφία (EEG) και η μαγνητοεγκεφαλογραφία (MEG), είναι πολύ καλύτερες στον εντοπισμό του χρόνου πυροδότησης των νευρώνων, αλλά πολύ χειρότερες όταν πρόκειται για χωρική ανάλυση.
Στη νέα μελέτη, ο Jang-Yeon Park, μηχανικός βιοϊατρικός στο Πανεπιστήμιο Sungkyunkwan στη Νότια Κορέα, και οι συνεργάτες του βρήκαν έναν νέο τρόπο αντιμετώπισης του προβλήματος. Αντί να παίρνουν πλήρεις εικόνες μιας συγκεκριμένης διατομής του εγκεφάλου κάθε λίγα δευτερόλεπτα, όπως στη συμβατική fMRI, αυτός και οι συνάδελφοί του έθεσαν τον εξοπλισμό μαγνητικής τομογραφίας έτσι ώστε να συγκεντρώνει αλληλουχίες πολύ μικρότερων, τμημάτων εικόνων σε πολύ μικρά διαστήματα. λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου μεταξύ τους. Στη συνέχεια, θα μπορούν να συρράψουν αυτές τις τμηματικές εικόνες για να έχουν μια πλήρη εικόνα αυτής της εγκεφαλικής διατομής σε κάθε χρονικό σημείο.
Για να δουν εάν μπορούσαν να αναγνωρίσουν οποιοδήποτε σήμα εγκεφαλικής δραστηριότητας με αυτήν την προσέγγιση, οι ερευνητές έριξαν αναισθητοποιημένα ποντίκια στον σαρωτή μαγνητικής τομογραφίας και στη συνέχεια έπληξαν ελαφρά τα μουστάκια των ζώων με ηλεκτρικό ρεύμα. Διαπίστωσαν ότι οι εικόνες που παρήχθησαν με την τεχνική τους κατέγραφαν κάποιο είδος σήματος στον σωματοαισθητικό φλοιό – το κομμάτι του εγκεφάλου του ποντικιού που αισθάνεται τη διέγερση του μουστκίου – στα 25 χιλιοστά του δευτερολέπτου περίπου μετά το έρεθισμα.
Εξερευνώντας αυτό περαιτέρω, ανακάλυψαν ότι το «σήμα DIANA» στην πραγματικότητα μετακινήθηκε με την πάροδο του χρόνου. Εμφανίστηκε σε μια περιοχή του εγκεφάλου που ονομάζεται θάλαμος περίπου 10 χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά το ερέθισμα στο μουστάκι, μετακινήθηκε σε ένα τμήμα του σωματοαισθητηριακού φλοιού περίπου στα 25 χιλιοστά του δευτερολέπτου και στη συνέχεια αναπτύχθηκε σε ένα άλλο μέρος του σωματοαισθητηριακού φλοιού λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου αργότερα.
Λαμβάνοντας μετρήσεις της ίδιας περιοχής του εγκεφάλου με επεμβατικές τεχνικές όπως η ηλεκτροφυσιολογία και η οπτογενετική, η ομάδα έδειξε ότι το σήμα DIANA στην πραγματικότητα εντόπισε τη διάδοση της νευρωνικής δραστηριότητας ως απόκριση στη διέγερση του μουστακίου.
Ο Peter Bandettini, νευροεπιστήμονας και φυσικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Ψυχικής Υγείας (NIMH) που δεν συμμετείχε στη μελέτη, αποκαλεί το έργο της ομάδας «απίστευτα πειστικό». Αρκετές ομάδες έχουν προσπαθήσει να ενισχύσουν τη χρονική ανάλυση της μαγνητικής τομογραφίας στο παρελθόν, προσθέτει, αλλά λίγες έχουν κάνει τέτοια μήκη για να ενισχύσουν τους ισχυρισμούς τους. Το έγγραφο περιελάμβανε ένα «tour de force πειραματισμού» για να δείξει ότι η τεχνική όντως παρακολουθούσε τη διάδοση των νευρωνικών σημάτων.
Ο Park λέει στο The Scientist ότι δεν είναι σίγουρος γιατί οι ερευνητές δεν έχουν αναφέρει αυτό το φαινόμενο στο παρελθόν, δεδομένου ότι δεν απαιτεί ιδιαίτερα ειδικό εξοπλισμό, αλλά λέει ότι είναι πιθανό ότι οι άνθρωποι απλώς δεν σκέφτηκαν να δημιουργήσουν εικόνες με αυτόν τον τρόπο. Ο Bandettini σημειώνει ότι το να ¨χακάρεις¨ ένα μηχάνημα μαγνητικής τομογραφίας για τη λήψη γρήγορων μερικών εικόνων όπως το DIANA απαιτεί σημαντική τεχνογνωσία – και μια πεποίθηση ότι μπορεί να προκύψει κάτι ενδιαφέρον.
Ένα μεγαλύτερο παζλ είναι αυτό που εντοπίζει η DIANA, ακριβώς. Ο Park και οι συνεργάτες του δείχνουν στη μελέτη τους ότι τα φαινόμενα BOLD είναι απίθανο να είναι υπεύθυνα και προτείνουν ότι η μέθοδός τους καταγράφει αλλαγές στο δυναμικό της μεμβράνης των νευρώνων πυροδότησης, ίσως μέσω διακυμάνσεων στην ποσότητα νερού στην επιφάνεια της μεμβράνης ή μέσω διόγκωσης των κυττάρων. Αυτό είναι μια πιθανότητα, λέει ο Self, αλλά συνολικά, «ο μηχανισμός δεν είναι εξαιρετικά σαφής. . . . Νομίζω ότι αυτό πρέπει να αποδειχθεί σε μελλοντικές μελέτες».
Στην τρέχουσα μορφή της, η DIANA έχει μερικούς περιορισμούς, σημειώνει ο Park, ο οποίος ονομάζεται συν-εφευρέτης σε ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που σχετίζεται με τη μέθοδο. Λόγω του τρόπου με τον οποίο συνδυάζει στιγμιότυπα πλήρους εγκεφάλου συνδυάζοντας μερικές εικόνες που λαμβάνονται σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, η τεχνική είναι πιθανό να είναι ευαίσθητη στα λεγόμενα τεχνουργήματα κίνησης – διακοπές που προκαλούνται από το ζώο που κινεί το κεφάλι του μεταξύ των λήψεων. Αυτό θα μπορούσε να παρουσιάσει κάποιες προκλήσεις στη μετάφραση του DIANA σε αφύπνιση ζώων ή ανθρώπων.
Το σήμα που λαμβάνει η DIANA είναι επίσης σχετικά αδύναμο—περίπου μια τάξη μεγέθους μικρότερο από αυτό στο BOLD fMRI, σημειώνει ο Bandettini. Οι ομάδες θα χρειάζονταν σχετικά εξελιγμένο εξοπλισμό μαγνητικής τομογραφίας για να μπορούν να μιμηθούν την προσέγγιση της ομάδας, καθώς και ένα πειραματικό πρωτόκολλο που περιελάμβανε επαναλαμβανόμενες εργασίες ή ερεθίσματα για να επιτρέψει τον μέσο όρο των αποτελεσμάτων από πολλαπλές σαρώσεις, λέει. «Χρειάζεσαι πολλές επαναλήψεις του ίδιου πράγματος και πολύ, πολύ ακριβή ανάλυση».
Ωστόσο, οι ερευνητές που μίλησαν στο The Scientist λένε ότι είναι ήδη ενθουσιασμένοι με τις δυνατότητες της νέας τεχνικής. Ο Bandettini επισημαίνει ένα άλλο από τα πειράματα της ομάδας που υποδηλώνει ότι το DIANA μπορεί να είναι σε θέση να διακρίνει μεταξύ διεγερτικών και ανασταλτικών νευρωνικών σημάτων – κάτι που είναι δύσκολο ακόμη και με επεμβατικές τεχνικές όπως η ηλεκτροφυσιολογία. «Αυτό είναι εξαιρετικά συναρπαστικό. Αυτό θα άνοιγε μια ολόκληρη περιοχή κατανόησης του πώς αλληλεπιδρά ο εγκέφαλος».
Ο Self, που σπουδάζει οπτική επεξεργασία, λέει ότι γνωρίζει αρκετές ομάδες που ήδη προσπαθούν να βάλουν τη DIANA να δουλέψει σε ανθρώπους. Αν και η τεχνική εξακολουθεί να μην μπορεί να προσφέρει την ανάλυση ενός κυττάρου που μπορεί να επιτευχθεί με ορισμένες επεμβατικές τεχνολογίες, υπάρχουν ευρείες επιπτώσεις εάν λειτουργήσει σε άλλα εργαστήρια, λέει. «Καταρχήν, θα μπορούσε να ληφθεί σε ανθρώπους, θα μπορούσε να ληφθεί ίσως ακόμη και σε μελέτες ασθενών – θα μπορούσε να ανοίξει έναν ολόκληρο κόσμο έρευνας για την κατανόηση του εγκεφάλου στην υγεία και τις ασθένειες».
¨ Η «DIANA», θα μπορούσε να μεταμορφώσει την κατανόηση των νευροεπιστημόνων για το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος.
Σίγουρα μία πολλά υποσχόμενη μέθοδος για να χρησιμοποιηθεί μελλοντικά σε ανθρώπους και μελέτες ασθενών με νευροεκφυλιστικά νοσήματα όπως το εγκεφαλικό και η Σκλήρυνση Κατά Πλάκας καθώς και άλλα νοσήματα .¨
Σχόλιο Ελένη Παξιμάδη
Επιμέλεια μετάφρασης
Dr Ελένη Παξιμάδη
