Так называемое поверхностное белое вещество, которое находится между серым (корой головного мозга) и белым веществом, содержит наибольшее количество корковых нейронных связей, покрытых миелиновой оболочкой. С помощью высокоразрешающей магнитно-резонансной томографии исследователи смогли тщательно изучить устройство этого тонкого, но функционально важного участка и выяснить, что в нем содержится много железа. О результатах своей работы, которые должны стать основой для лучшего понимания патологических процессов в коре, ученые рассказали в журнале Science Advances.
Количественные карты мозга. Желтым маркировано серое вещество. Стрелки указывают на тонкую полоску поверхностного белого вещества. Credit:Evgeniya Kirilina, et al. / Science Advances 2020
Большая часть всех связей белого вещества головного мозга приходится на тот его небольшой участок, который плотно прилежит к коре и называется поверхностным белым веществом (superficial white matter, SWM). Этот слой существенно отличается и по структуре, и по функциям от собственно глубокого белого вещества. Его составляют U-волокна (отростки нейронов), которые получили свое называние из-за специфического строения – они обеспечивают кортикальные межнейронные взаимодействия и связывают между собой соседние извилины, подковообразно охватывая их.
Но интересны U-волокна еще и тем, что «обрастают» миелиновой оболочкой позже всего: процессы миелинизации в мозге завершаются лишь к 40 годам. Причем, в самую последнюю очередь миелинизируются U-волокна лобной доли. Однако теряется миелин здесь, напротив, раньше всего – снижение плотности волокон начинается с лобной доли и наблюдается при расстройствах аутистического спектра, нейродегенеративных патологиях, эпилепсии.
Несмотря на прямое участие в процессах нейропластичности, в синхронизации передачи кортико-кортикальных сигналов и прочих необходимых для эффективной работы мозга функциях, SWM у людей изучено плохо. Это, по большей степени, связано с нехваткой разрешения в имеющихся неинвазивных инструментах, так как по-другому структуру живого человеческого мозга изучать не получится. Однако, междисциплинарная команда из Института исследований человеческого мозга и когнитивных наук Общества Макса Планка воспользовалась передовыми технологиями – количественными методами магнитно-резонансной томографии (МРТ) ультравысокого разрешения, которое доступно при большой напряженности магнитного поля в 7 Тесла (для сравнения – клинические томографы в России имеют 1,5-3 Тесла).
Количественные методы МРТ хороши тем, что позволяют каждому участку трехмерного пространства – вокселю – назначить свое цифровое значение. Это обеспечивает возможность более детально анализировать получаемые томограммы с помощью компьютера и находить те изменения, которые человеческий глаз увидеть не способен. Тем не менее, более тонкие структуры мозга, такие как поверхностное белое вещество, доступны для изучения только в случае высокой напряженности магнитного поля, поскольку разрешения, которое может дать обычный томограф, не хватает.
Авторы с помощью структурной МРТ сверхвысокого разрешения впервые смогли картировать поверхностное белое вещество живого мозга, объединив полученные данные с биофизической моделью МР-контрастирования в мозге post mortem. Некоторые ученые уже сообщали о том, что в U-волокнах содержится много железа, но сейчас удалось связать эти данные с изображениями живого мозга и получить представление о том, как это железо «выглядит» in vivo, а также о том, какая структура обеспечивают наибольший вклад в контрастность на МРТ. Ей оказался миелин.
Количественная карта железа (А) и карта расчетной объемной доли миелина. Стрелка указывает тонкую (0,5 мм) полоску SWM. Credit: Evgeniya Kirilina, et al. / Science Advances 2020
Интересно, что контраст, обеспечиваемый железом, в SWM варьировался между различными областями коры. Более массивные отложения железа наблюдались в богатых U-волокнами лобных, височных и теменных ассоциативных областях, потенциально отражая более высокую плотность волокон или позднюю миелинизацию в этих зонах. То есть, по сути, появилась количественная связь между микроструктурой мозга и параметрами МРТ.
А если можно количественно измерить микроструктуру границы серого и белого вещества, то можно и определить, как она меняется с возрастом и при различных заболеваниях.
«Мы надеемся, что этот метод может быть использован для того, чтобы улучшить наше понимание о взрослении мозга, а также о развитии патологических состояний, напрямую связанных с деградацией поверхностного белого вещества», — говорят авторы.
Текст: Анна Хоружая
Superficial white matter imaging: Contrast mechanisms and whole-brain in vivo mapping by Evgeniya Kirilina, Saskia Helbling et al. in Science Advances. Published October 2020
DOI: 10.1126/sciadv.aaz9281
