Новое исследование показывает, как нейрохимические вещества влияют на показания фМРТ

Мозг — невероятно сложный и активный орган, который использует электричество и химические вещества для передачи и получения сигналов между своими субрегионами.

Исследователи изучили различные технологии для прямого или косвенного измерения этих сигналов, чтобы узнать больше о мозге. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), например, позволяет обнаруживать активность мозга по изменениям, связанным с кровотоком.

Йен-Ю Ян Ши, доктор философии, профессор неврологии и заместитель директора Центра визуализации биомедицинских исследований Университета Северной Каролины, и его коллеги по лаборатории уже давно интересуются тем, как нейрохимические вещества в мозге регулируют и влияют на нервную активность, кровоток и, как следствие, на , измерение фМРТ в головном мозге. Новое исследование лаборатории подтвердило их подозрения, что интерпретация результатов фМРТ не так проста, как кажется.

«Нейрохимическая передача сигналов кровеносным сосудам реже учитывается при интерпретации данных фМРТ», — сказал Ши, который также возглавляет Центр МРТ животных. «В нашем исследовании на моделях грызунов мы показали, что нейрохимические вещества, помимо их хорошо известного сигнального действия на типичные клетки мозга, также передают сигналы кровеносным сосудам, и это может иметь значительный вклад в измерения фМРТ».

Их выводы, опубликованные в Природные коммуникациистали возможными благодаря установке и модернизации двух систем МРТ животных с силой 9,4 Тесла и системы МРТ человека с силой 7 Тесла в Центре биомедицинских исследований.

Когда активность нейронов в определенной области мозга увеличивается, кровоток и уровень кислорода в этой области увеличиваются, обычно пропорционально силе нейронной активности. Исследователи решили использовать это явление в своих интересах и в конечном итоге разработали методы фМРТ для обнаружения этих изменений в мозге.

В течение многих лет этот метод помогал исследователям лучше понять работу мозга и повлиял на их знания о человеческом познании и поведении. Однако новое исследование лаборатории Ши показывает, что эта устоявшаяся нейро-сосудистая связь не распространяется на весь мозг, поскольку типы клеток и нейрохимические вещества различаются в зависимости от области мозга.

Команда Ши сосредоточилась на полосатом теле, области глубоко в мозге, участвующей в познании, мотивации, вознаграждении и сенсомоторной функции, чтобы определить, каким образом определенные нейрохимические вещества и типы клеток в области мозга могут влиять на сигналы фМРТ.

В ходе своего исследования лаборатория Ши контролировала нервную активность мозга грызунов, используя световую технику, одновременно измеряя электрические, оптические, химические и сосудистые сигналы, чтобы помочь интерпретировать данные фМРТ. Затем исследователи манипулировали химической передачей сигналов мозга, вводя в мозг различные лекарства, и оценивали, как лекарства влияют на реакцию фМРТ.

Они обнаружили, что в некоторых случаях нервная активность в полосатом теле повышалась, но кровеносные сосуды сужались, вызывая отрицательные сигналы фМРТ. Это связано с внутренней передачей сигналов опиоидов в полосатом теле. И наоборот, когда в полосатом теле преобладал другой нейрохимический препарат, дофамин, сигналы фМРТ были положительными.

«Мы выявили несколько случаев, когда сигналы фМРТ в полосатом теле могут выглядеть совершенно иначе, чем ожидалось», — сказал Ши. «Важно помнить об основных нейрохимических сигналах, которые могут параллельно влиять на кровеносные сосуды или периваскулярные клетки, потенциально затмевая изменения сигнала фМРТ, вызванные нервной активностью».

Члены лаборатории Ши, в том числе первый и соавторы Доминик Серри, доктор философии, и Линдси Уолтон, доктор философии, отправились в Университет Сассекса в Соединенном Королевстве, где они смогли провести эксперименты и дополнительно продемонстрировать сосудистые эффекты опиоидов.

Они также собрали данные фМРТ человека на системе МРТ 7 Тесла Университета Северной Каролины и сотрудничали с исследователями из Стэнфордского университета, чтобы изучить возможные результаты с помощью транскраниальной магнитной стимуляции — процедуры, которая использует магнитные поля для стимуляции человеческого мозга.

Лучше понимая передачу сигналов фМРТ, исследователи фундаментальной науки и ученые-медики смогут предоставить более точное представление об изменениях нейронной активности в здоровом мозге, а также в случаях неврологических и психоневрологических расстройств.