«Линия жизни» мозга, его сеть кровеносных сосудов, подобна дереву, — говорит Матье Перно, заместитель директора Парижской лаборатории физики и медицины. Ствол начинается на шее с сонных артерий, пары широких каналов, которые затем разветвляются на ветви, поднимающиеся к различным долям головного мозга. Эти каналы бесконечно разветвляются на паутину крошечных сосудов, образующих своего рода сень. Самые узкие из этих сосудов достаточно широкие, чтобы через них мог пройти один эритроцит, и в каком-то смысле эти сосуды схожи с листьями дерева. 

«Когда вы хотите посмотреть на патологию, обычно вы видите болезнь не на дереве, а на его листьях», — говорит Перно. Так же, как и листья, мельчайшие кровеносные сосуды в мозге часто сначала регистрируют изменениями в активности нейронов и синапсов, включая реакцию на такие болезни, как развитие раковых образований в головном мозге.^{1, 2}Но только в последнее десятилетие была разработана технология обнаружения этих микроскопических изменений в кровотоке: она называется сверхбыстрым ультразвуком.

Изображения показывают активность в глубоких областях мозга, которых ранее не удавалось достигать.

Стандартное ультразвуковое исследование уже популярно в клинической практике, поскольку оно оказывает минимальное воздействие на организм, является недорогим, портативным и может генерировать изображения в режиме реального времени.³ Но до сих пор оно редко использовалось для визуализации головного мозга. Отчасти это связано с тем, что череп мешает — кости имеют тенденцию рассеивать ультразвуковые волны — и технология слишком медленная, чтобы обнаружить кровоток в более мелких артериях, которые поддерживают большинство функций мозга. Неврологи в основном использовали технологию для обследования новорожденных, чьи черепа имеют промежутки между костными пластинами, или для руководства хирургами при некоторых операциях на головном мозге, когда часть черепа обычно удаляется. Исследователи-нейробиологи также использовали его для изучения функциональных различий между двумя полушариями мозга на основе визуализации основных мозговых артерий путем размещения устройства над височной костью, самой тонкой областью черепа.

Но сверхбыстрый ультразвук экспоненциально быстрее, мощнее и более чувствителен к пространству, чем стандартный ультразвук: он может производить тысячи подробных изображений с высоким разрешением.³ Если обычный ультразвук похож на просмотр в замочную скважину, сверхбыстрый ультразвук «открывает все двери», — говорит Пейфэн Сонг, который исследует ультразвуковые методы в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне. Нейробиологи говорят, что это может не только помочь врачам ставить диагнозы на более ранних стадиях заболеваний поражающих мозг, таких как рак мозга или болезнь Альцгеймера, но также может помочь нейробиологам, работающим с моделями животных, в решении основных исследовательских вопросов и ускорить разработку нейрокомпьютерных интерфейсов таких, как роботизированные конечности.

«Если говорить о нейронауке и о том, как устроен мозг, там много неизвестного, — говорит Сонг. «Это дикий запад». Сверхбыстрый ультразвук может с большой точностью отслеживать передачу сигналов в мозге, документируя, как цепи и группы клеток взаимодействуют, когда мозг выполняет функции от восприятия до принятия решений.

Функциональная ультразвуковая визуализация работает с помощью процесса эхолокации, того же процесса, который летучие мыши используют для навигации. Слишком высокие для того, чтобы их мог слышать человек ультразвуковые волны сталкиваются с тканями или клетками тела и отражаются наружу. Затем их эхо может быть захвачено и использовано для расчета местоположения и скорости клеток крови. Частоты возвращающихся ультразвуковых волн показывают, куда течет кровь, снабжая кислородом и глюкозой области мозга, которые работают особенно интенсивно, или, наоборот, какие части мозга не получают необходимую им кровь и питательные вещества. Эти изображения позволяют исследователям и врачам понять, какие части мозга активны, например, области, ответственные за принятие решений, или какие из них могут быть повреждены.⁴

За последнее десятилетие достижения в вычислительной мощности компьютеров позволили исследователям трансформировать ультразвуковые технологии. Вместо того, чтобы отображать отдельные лучи, эти более новые ультразвуковые системы посылают серию плоских волн — массив ультразвуковых лучей, вместе образующих плоскость, — которые поражают цель под разными углами. Полученный результат представляет собой составные изображения, которые на несколько порядков более четкие, чем обычные УЗИ, МРТ или КТ, осуществляемые с помощью других методов визуализации. Для аппаратов МРТ, например, требуются чрезвычайно мощные и дорогие магниты для улучшения разрешения изображения.⁵ Новые формы ультразвука также могут работать в 100 раз быстрее, чем обычные ультразвуковые инструменты, что особенно полезно во время неотложной медицинской помощи, когда время имеет решающее значение. По словам Перно, такие скорости позволяют ультразвуку отслеживать приступы болезней по мере их возникновения.

«Даже всего несколько лет назад такая скорость передачи данных была бы просто громадной», — говорит Самнер Норман, постдоктор Калифорнийского технологического института. — С ней не смогли бы много, что. Но по мере того, как вычислительные мощности догоняли спрос, сверхбыстрый ультразвук становился все более доступным. В лаборатории Сонга требуется около 10 терабайт данных для полного трехмерного изображения мозга каждого лабораторного животного — столько же потребуется для потоковой передачи Netflix в стандартном разрешении в течение 10 000 часов.

Теперь, когда у исследователей есть вычислительная мощность для создания таких высокоскоростных, мелкозернистых изображений, они также могут отслеживать движение клеток во времени. Исследование, опубликованное в августе лабораторией Микаэля Тантера из Исследовательского университета PSL во Франции, показало активность во всем мозге крысы на микроскопическом уровне.⁶ Потрясающая детализация — гораздо более высокое разрешение, чем у МРТ или КТ. Снимки показывали активность каждую секунду вплоть до масштаба нескольких тысяч миллиметров.

У людей исследователи ультразвука находят творческие способы обойти препятствие черепа. Фабьен Перрен из Женевского университета и ее коллеги, в том числе Тантер, использовали контрастное вещество — микропузырьки газа, вводимые в кровь пациентов.⁷ Некоторые волны по-прежнему сталкиваются с черепом и рассеиваются, но те, которые проходят через него с большей вероятностью отражаются обратно, когда отскакиваются от пузырьков. Там, где компьютерная томография показывала только каплю, ультразвуковое изображение позволяло команде увеличивать масштаб до тех пор, пока они не могли точно определить активность внутри выбухшего кровеносного сосуда. Лаборатория Тантера также посылала ультразвуковые сигналы через промежутки между черепными пластинами новорожденных, чтобы фиксировать активность мозга во время судорог и сна.⁸

Ученые также могут удалить небольшой кусочек черепа, чтобы облегчить работу с ультразвуком. Работая с обезьянами, Норман и его коллеги заменили кусок черепа размером с домино на ультразвуковое устройство. Образы активности в части мозга, которая планирует движение, появлялись, когда обезьяна намеревалась пошевелить рукой. Фактически, они могли предсказать направление движения примерно в 89% случаев.⁹ Это сравнимо с методами имплантации электродов в кожу головы, которые, как сообщается, точно предсказывают направление движения примерно в 70–90% случаев.

Вы не можете выкатить аппарат МРТ на поле боя. Но можно взять ручные девайсы.

Но ультразвуковая визуализация лучше обнаруживает активность глубоко в мозгу, которую сложнее обнаружить электродам на коже головы. Электроды также гораздо более инвазивны и могут вызвать повреждение тканей. Исследователи ожидают, что быстрорастущие возможности ультразвука принесут улучшения. Эти результаты были опубликованы в прошлом году в журнале Neuron и могут проложить путь к роботизированным конечностям, которые позволят переводить мысли в действие: ультразвуковая визуализация может считывать активность мозга, показывая, как человек хочет двигать рукой, и эти данные могут быть переданы, например в компьютер, управляемый роботом-манипулятором. «Мы уже движемся к людям», — говорит Норман.

Сверхбыстрый ультразвук также может помочь хирургам, которые вынужденно удаляют фрагменты кости перед операцией. Зин Кхаинг, доцент кафедры неврологической хирургии Вашингтонского университета, в настоящее время тестирует усиленный ультразвук на пациентах, перенесших операции на позвоночнике. «Если бы я сегодня получила травму, — говорит она, — вы бы сделали компьютерную томографию или рентген». Возможно, МРТ тоже. Но они производят только анатомические изображения. Визуализация, которая отслеживает кровоток, сейчас не является частью диагностики.

В её клинических испытаниях сверхбыстрый ультразвук используется в операционных, чтобы врачи могли следить за движением крови. Чжаинг стремится выявить, в каких тканях все еще есть кровоток, чтобы врачи могли знать, какие области можно спасти, а какие области все еще опухшие — возможно, где хирург должен уменьшить давление. Она надеется, что ультразвук может направлять хирургию даже в регионах с меньшими ресурсами. «Вы же не можете везти аппарат МРТ в условиях войны, верно? Но у вас может быть портативный ультразвуковой прибор», — говорит она. Кроме того, она представляет ультразвуковую технологию, которую даже проще использовать, чем датчик: внешне он представляет собой подобие пластыря. Исследователи из Массачусетского технологического института уже разработали тонкие ультразвуковые наклейки, которые могут контролировать органы с течением времени без врача, держащего ультразвуковую палочку.¹⁰

В парижской лаборатории физики для медицины Перно надеется, что ученые смогут скорректировать влияние черепа на ультразвуковые волны. Точно так же, как исследователи могут компенсировать дефект линзы телескопа, они также могут использовать алгоритм для корректировки того, как череп рассеивает ультразвуковые сигналы, говорит Перно. Рентгеновские снимки, отображающие точную геометрию черепа, могут помочь в моделировании того, как именно череп искажает ультразвуковые волны, говорит Цзюньцзе Яо, исследователь из Университета Дьюка, который разрабатывает технологию, использующую как ультразвуковую, так и световую визуализацию. И эту модель можно использовать для коррекции ультразвуковых изображений, чтобы они выглядели неискаженными. «Я бы не сказал, что преодолеть препятствие в виде черепа невозможно, но это будет инженерная задача», — добавляет Яо.

Ультразвуковая визуализация все еще быстро развивается. «Новые идеи появляются каждый день, — говорит Яо. Норман был впечатлен тем, как быстро продвигалась его работа: всего за несколько лет он перешел от экспериментов на небольших животных к экспериментам на крупных животных и продемонстрировал потенциал ультразвука в считывании мозговой активности, которую можно передать в компьютер. «Было невероятно, как быстро двигался процесс. Обычно, когда вы запускаете новую технологию, вас ждут десятилетия, чтобы заставить ее работать», — говорит он. Но когда компьютерная обработка данных ускорилась, преимущества сверхбыстрого ультразвука стали очевидны. Теперь исследователи могут проследить ручейки крови глубоко в мозгу. «У нас будет техника визуализации, позволяющая попасть в другой мир, — говорит Тантер.

Источники:

1. Guyon, J., Chapouly, C., Andrique, L., Bikfalvi, A., & Daubon, T. The normal and brain tumor vasculature: Morphological and functional characteristics and therapeutic targeting. Frontiers in Physiology 12, 622615 (2021).

2. Baloyannis, S. Brain capillaries in Alzheimer’s disease. Hellenic Journal of Nuclear Medicine1:152 (2015).

3. Deffieux, T., Demené, C., & Tanter, M. Functional ultrasound imaging: A new imaging modality for neuroscience. Neuroscience 474, 110-121 (2021).

4. Montaldo, G., Urban, A., & Macé, E. Functional ultrasound neuroimaging. Annual Review of Neuroscience 45, 491-513 (2022).

5. Nowogrodzki, A. The world’s strongest MRI machines are pushing human imaging to new limits. Nature (2018).

6. Renaudin, N., et al. Functional ultrasound localization microscopy reveals brain-wide neurovascular activity on a microscopic scale. Nature Methods 19, 1004-1012 (2022).

7. Demené, C., et al. Transcranial ultrafast ultrasound localization microscopy of brain vasculature in patients. Nature Biomedical Engineering 5, 219-228 (2021).

8. Demené, C., et al. Functional ultrasound imaging of brain activity in human newborns. Science Translational Medicine 9 (2017).

9. Norman, S.L., et al. Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging. Neuron 109, 1554-1566 (2021).

10. Wang, C., et al. Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs. Science 377, 517-523 (2022).