МРТ могло читать мозг наоборот

Стандартная МРТ может ошибаться в трактовке активности мозга
Исследование, опубликованное в Nature Neuroscience, показало: сигнал, по которому обычно судят об активности мозга, примерно в 40% участков с выраженной реакцией может указывать на изменение потребления кислорода в противоположную сторону. Речь идет о функциональной магнитно-резонансной томографии — fMRI.
Обычная fMRI не регистрирует электрические импульсы нейронов напрямую. Она отслеживает изменения содержания кислорода в крови с помощью BOLD-сигнала — blood-oxygenation-level-dependent signal. По принятой схеме положительный BOLD-сигнал означает усиление работы нервных клеток, а отрицательный — ее снижение.
Логика выглядит убедительно: активным нейронам нужен кислород, поэтому к работающему участку быстро приливает богатая кислородом кровь. Ее поступает больше, чем клетки успевают использовать, и избыток кислорода дает положительный сигнал. Но мозг, как выясняется, не обязан работать по одному удобному для учебника сценарию.
Команда Samira M. Epp, Valentin Riedl и коллег проверила это на 40 здоровых добровольцах. Участники выполняли арифметическое задание, тест на автобиографическую память и простую зрительную задачу, находясь внутри МРТ-сканера. Арифметика должна была активировать сети внимания и подавить так называемую сеть пассивного режима работы мозга, а воспоминания — стимулировать ее.
Исследователи применили количественную fMRI. Она одновременно оценивает BOLD-сигнал, абсолютный кровоток, объем крови и долю кислорода, извлекаемую тканью из крови. Дополнительная проверка на десяти участниках с сопоставимым разрешением помогла исключить искажения, связанные с особенностями сканирования.
В областях с положительным BOLD-сигналом привычная модель в среднем сработала: кровоток резко увеличивался и приносил больше кислорода, чем поглощали нейроны. А вот отрицательный сигнал преподнес сюрприз, хотя мозг, похоже, давно намекал, что сюрпризы — его профиль.
В некоторых таких областях потребление кислорода не снижалось, а, напротив, возрастало. На уровне вокселей — крошечных трехмерных участков ткани — примерно 40% единиц с сильной реакцией оказались «несогласованными»: знак BOLD-сигнала противоречил реальному изменению энергетического обмена.
Положительный сигнал в таком вокселе мог означать, что ткань потребляет меньше кислорода, чем в покое. Отрицательный — что нейроны потребляют больше. Иными словами, одна только стандартная fMRI иногда способна прочитать работу клеток задом наперед.
Ученые связывают это с двумя механизмами. В обычных участках мозг резко усиливает местный кровоток, создавая избыток кислорода. В «несогласованных» областях кровоток почти не меняется: клетки просто извлекают из уже имеющейся крови больше кислорода. В результате в капиллярах остается больше дезоксигенированной крови, которая затемняет МРТ-изображение и формирует отрицательный BOLD-сигнал, хотя нейроны активно работают.
В состоянии покоя такие участки имеют более низкий исходный уровень извлечения кислорода. Это создает запас, который можно использовать во время умственной нагрузки без мощного притока новой крови. Одна и та же область также способна менять тип реакции в зависимости от задачи.
У работы есть ограничения. Измерение общего объема крови технически сложнее, чем хотелось бы, а метод оценивает именно общий объем, не только венозную кровь. Кроме того, расчеты обмена кислорода лучше подтверждены для наружного серого вещества и хуже применимы к глубокой белой субстанции.
Авторы не предлагают отправить десятилетия исследований fMRI в мусорную корзину. В среднем положительный BOLD-сигнал по-прежнему надежно связан с усилением потребления кислорода. Но точное место и масштаб активности могут быть определены неверно, если учитывать только стандартный сигнал и игнорировать региональные различия кровотока.
Результаты особенно важны для исследований старения и сосудистых заболеваний, при которых реакция кровеносной системы может меняться. В таких случаях количественная fMRI, измеряющая не только сигнал, но и реальное потребление кислорода, способна дать более точную картину того, как мозг распределяет энергию.
Исследование «BOLD signal changes can oppose oxygen metabolism across the human cortex» подготовили Samira M. Epp, Gabriel Castrillón, Beijia Yuan, Jessica Andrews-Hanna, Christine Preibisch и Valentin Riedl.