Один из главных инструментов нейронаук — что ещё более верно в отношении неврологии — магниторезонансный томограф. Из года в год мощность этих устройств растёт, и вот уже на рынок выходят коммерческие сканеры с индукцией магнитного поля в 7 Тесла.
Мы поговорили с одним из немногих учёных, которые работают в этой области: Мауро Костальи. Он трудится в исследовательском консорциуме IMAGO7 в Пизе. Редакция встретилась с ним на конференции «Обработка сигналов изображения и звука в контексте нейротехнологий». Этот симпозиум был организован Федеральным агентством научных организаций (ФАНО), Институтом физиологии им. И.П. Павлова, РАН, Санкт-Петербугским государственным институтом кино и телевидения, ООО «Нейроиконика-Нейромеханика»и университетом ИТМО, а также при технической поддержке IEEE Russia Northwest BT/CE/COM Chapter.
Мауро, сначала несколько личных вопросов. Я знаю, ты начинал свою научную карьеру в других областях, у тебя есть работы по астрофизике… Расскажи об этом!
Да, я начинал свой путь в науке как астрофизик. В юности у меня была страсть к космологии, я зачитывался Стивеном Хокингом, Полом Дэвисом, Туллио Редже и многими другими… Но я тогда и представить себе не мог, что астрофизика станет моей работой. Но так получилось, что в конце моей магистратуры по инженерии (я специализировался в области обработки сигнала) мне повезло быть стажёром в Итальянском национальном исследовательском совете, одним из проектов которого был связан с будущим спутником Европейского космического агентства PLANCK. И моя первая тема исследования, моя первая работа стала разработкой новых алгоритмов, которые позволили бы отделить сигналы реликтового микроволнового излучения, этого свидетеля Большого Взрыва, от других сигналов: синхротронного излучения, излучения космической пыли и так далее. Я считаю, что мне повезло принять участие в этом грандиозном проекте.
И как тебе удалось попасть из космологии в нейронауки?
Я бы сказал, случайно. Сразу по окончании магистратуры я даже не был уверен, что хочу заниматься наукой. Мне было 25, меня влекла возможность пожить за границей – это и было моей главной целью. И тут я узнаю, что в одном из крупнейших институтов по изучению мозга, в японском RIKEN, искали младшего инженера по обработке сигнала их новейшего 4Тл-томографа. И я пошёл туда, считая, что обработка сигнала от реликтового излучения инженерно не сильно отличается от обработки сигнала мозга. Но понемногу наука о мозге меня увлекла, и я решил получить PhD в области нейронаук.
Вы работаете с томографом с индукцией магнитного поля в 7 Тесла. Что может он, чего не может стандартный полуторатесловик. Какие есть основные направления работы с этим инструментом?
1,5Тл-томографы – прекрасный клинический инструмент. Радиологи отлично знают все типы контрастов, прекрасно работают с изображениями, которые получаются с помощью этих обычных сканеров, которые, наряду с 3Тл-системами, безусловно являются одними из самых мощных инструментов диагностики в клинических условиях. Напротив, 7Тл-системы пока не получили одобрение на клиническое использование и могут применяться только в исследовательских целях. Эти новые системы имеют соотношение сигнал/шум, которое выражается в лучшем пространственном разрешении, для биологических тканей – в более коротком времени релаксации. К тому же, 7Тл-изображения обладают беспрецедентным контрастом.
С другой стороны, так как резонансная длина волны обратно пропорциональна статической магнитной напряженности поля, у 7Тл-МРТ есть ряд проблем: в первую очередь, это пространственная неоднородность сигнала и контрастности. Мои исследования как инженера сосредотачиваются на попытках смягчить эти неоднородности и на изучении возможностей применения 7Тл-МРТ в неврологии и нейрорадиологии.
Очень важно отметить, что на «дистанции» от 1,5 Тл до 7Тл-МРТ увеличение индукции статического магнитного поля настолько велико, что эти системы сегодня следует рассматривать как два совершенно разных инструмента с разными целями. Например, в неврологии для исследования всего мозга (скажем, целостной анатомии мозга или крупных функциональных исследований) я бы предпочёл использование обычной системы МРТ (3Тл). А вот для очень узконаправленных исследований (например, изучение тонкой анатомии ствола мозга или мелкой функциональной архитектуры зрительной коры) «семитесловик», вероятно — лучший инструмент.
Используешь ли ты технологии глубокого обучения в своей работе?
Нет, но мои коллеги — да. Глубокое обучение хорошо подходит для изучения различных проблем, и в МРТ есть несколько потенциальных применений этой технологии. Например, глубокое обучение можно применять для использования в серии измерений МРТ с различными параметрами для получения точных, количественных характеристик физических свойств биологических тканей, которые нельзя непосредственно измерять при помощи МРТ.
Итак, 7Т-сканер пока не используется для клиники. Есть ли у него будущее? Какой сканер лучше всего использовать в клинике – полтора или три Тесла?
Да, сейчас 7Тл — не для диагностических целей. В будущем он может иметь клиническое использование для некоторых приложений – узких диагностических исследований, дополнительных после основного МРТ-исследования.
Что же касается выбора, что лучше — 3Тл или 1,5Тл для клиники — сможет сказать именно радиолог, я же не врач. Как учёный-медик, я бы сказал, что в приложении к нейронаукам большинство исследований лучше делать на 3Тл. Но в нескольких анатомических приложениях, таких как МРТ больших органов и спинного мозга, 1,5Тл может стать всё-таки преимущественным.
Безопасность 7Тл для человека дискутируется среди специалистов. В чём может быть потенциальная опасность?
Если все меры предосторожности приняты, высокопольные томографы не должны приводить к дальнейшей потенциальной опасности для человека в томографе и оператора. Для пациента критерии исключения такие же, как для обычных магнитов (металлические импланты, протезы и так далее).
Из-за сильного статического магнитного поля некоторые люди испытывают кратковременные побочные эффекты, как сообщалось многими исследователями, в том числе и нашей командой. Это преходящие эффекты: тошнота, головокружение, странный привкус во рту… Они исчезают вскоре после исследования. Более короткие радиочастотные волны, используемые в случае высоких магнитных полей, являются более серьёзной проблемой, потому что передача энергии не может равномерно распределяться по области тела при обследовании, что может привести к перегреву биологических тканей. Однако, все системы имеют очень строгие протоколы безопасности для того, чтобы оценить удельный коэффициент поглощения (SAR) и автоматически предотвратить дальнейшее сканирование, если достигаются ограничения, налагаемые международными правилами. Во всяком случае, SAR — это важный вопрос, и наша работа как раз посвящена этой теме.
Самый «большой» сканер пока – это 11,7 Тл. Пока что он не работает с людьми. Зачем нам он нужен?
Ну, вообще-то, на самом деле люди уже говорят о 14Тл и 20Тл для исследований на людях! Недавно была опубликована одна статья, озаглавленная «К вопросу о применерии 20-теслового магнитного резонанса для исследования человеческого мозга: открывающиеся возможности и неврологическое обоснование».
Область применения томографов 11.7 Тл и выше представляет собой важную проблему. Даже если эти системы и протоколы ещё не оптимизированы для применения в клинике, есть огромный потенциал для будущего.
В томографии соотношение сигнал-шум увеличивается примерно линейно с напряжённостью поля, и этот рост можно было бы использовать для повышения пространственного разрешения, чтобы проводить анатомические и функциональные исследования. Представьте: поле в 14Тл и, конечно, наличие соответствующей аппаратной, радиочастотной и новой собственной технологии и методики может дать нам томограмму с размером воксела (объёмного пиксела) 0.05 микролитра!!! Кроме того, у нас было бы отличное увеличение спектрального разрешения в МР-спектроскопии. Эксперименты функциональной МР спектроскопии человека не будут столь же сложными, как сегодня. Далее при таких высоких магнитных полях проще было бы делать не-протонную томографию: сегодня МРТ собирает сигнал, поступающий из водородного протона, но есть несколько исследований, нацеленных на другие ядра (натрий, углерод, фосфор, калий, кислород), которые имеют решающее значение для понимания функций мозга.
Суммирую: сейчас полёт на Марс для людей невозможен, но я ожидаю, что в один прекрасный день мы (как биологический вид) там будем. Очень вероятно, что сканирование человека на МРТ, работающих при 11.7 Тл и более, случится гораздо раньше!
Какие публикации в области нейронаук за последнее время вас более всего поразили?
Что касается неврологии, я в первую очередь слежу за статьями о зрении и визуализации. Однако, работы о сознании и свободе воли являются тем, что меня восхищает больше всего. Я стараюсь быть в курсе того, что происходит в этих областях, и моё последнее чтение о короткой статье, опубликованной в начале 2016 года Аароном Шургером и коллегами, было действительно захватывающим. После известных экспериментов Бенджамина Либета в 80-х идея сознательной свободной воли многими была «сожжена на костре». Последние эксперименты Шургера заставляют предположить, что сторонники точки зрения «я не отвечаю за свои действия потому, что они вызваны основной нейронной активностью, которую я не контролирую» не совсем правы … и мне это нравится.
И последний вопрос. Я знаю, что ты ещё и музыкант. Расскажи об этой стороне своей жизни. Не хотелось ли написать песню о своей научной работе?
Хаха, да, это важная сторона моей жизни, мое хобби. В прошлом я играл очень часто, со многими группами, да и сейчас я руковожу небольшим лейблом, хотя и играю реже. Что же касается песни… Раньше я думал об этом, но, возможно, я не столь талантлив… Знаешь, Эйнштейн говорил, что «всё должно быть сделано просто, но не проще». Возможно, песня просто не подходит по своей структуре для науки и её популяризации. Хотя возможны же другие жанры: мне вот нравится опера «Кеплер» Филиппа Гласса о жизни и работе великого астронома. Если честно, я пока что не встречал ни одной хорошей песни о науке.
Беседовал Алексей Паевский