Исследователи используют функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), чтобы определить, какие области мозга активны при выполнении конкретных задач. Этот метод выявляет области мозга, в которых изменяется потребление энергии и, следовательно, содержание кислорода в крови, таким образом косвенно показывая, какие популяции клеток особенно активны в данный момент. Исследователи из Института биологической кибернетики Макса Планка в Тюбингене теперь демонстрируют, что активность, вызванная сигнальными молекулами, такими как дофамин, может приводить к непредсказуемым до сих пор повышающим или понижающим модуляциям сигналов фМРТ, в результате чего нервные и сосудистые реакции диссоциируют. В таких случаях можно получить гораздо более точные данные, когда фМРТ сочетается с одновременными измерениями мозгового кровотока.
Когда ты много работаешь, ты тяжело дышишь. То же самое и с нервными клетками. Когда нейроны срабатывают, они потребляют больше кислорода, который доставляется через кровь. Чтобы гарантировать отсутствие дефицита, избыток насыщенной кислородом крови немедленно транспортируется в активные области мозга. В результате содержание кислорода в крови повышается в этих областях. В магнитно-резонансном сканере этот процесс измеряется в виде сигнала, зависящего от уровня оксигенации крови (ЖИРНЫЙ). Когда активность нервных клеток увеличивается, сигнал BOLD тоже увеличивается – теоретически.
Однако внешние воздействия, такие как настроение, возраст, лекарства и еда, могут изменить СЛЕДУЮЩИЕ сигналы и, таким образом, изменить интерпретацию результатов фМРТ. Кроме того, на результаты также влияют различные состояния мозга, такие как внимание, память и вознаграждение. "Абсолютной корреляции между нейрональной активностью и жирными сигналами нет. Следовательно, наша способность интерпретировать сигналы от сканирования фМРТ ограничена," – говорит Даниэль Зальдивар из Института биологической кибернетики Макса Планка, описывая мотивационную отправную точку своего исследования. Вместе со своими коллегами он изучал, как нервные клетки в зрительной коре головного мозга макак обезьян реагируют на зрительные стимулы, когда мозг одновременно находится под воздействием дофамина. Удивительный результат: хотя активность нервных клеток увеличивается, сигнал BOLD уменьшается примерно на 50 процентов. Это может привести к тому, что наблюдатель сканирования мозга ошибочно сделает вывод, что эти нейроны менее активны.
"Допамин предположительно заставляет активные клетки потреблять больше кислорода, чем может быть доставлено," говорит Залдивар. Парадоксально, но дофамин увеличивает активность нейронов до такой степени, что ЖИРНЫЙ сигнал показывает прямо противоположное тому, что происходит на самом деле. Таким образом, под влиянием дофамина и, возможно, других нейромодуляторов, изменений только BOLD-сигнала недостаточно, чтобы делать выводы об активности нейрональных клеток.
Измерения мозгового кровотока в сочетании с BOLD и нейрофизиологией позволяют лучше понять изменения энергетического метаболизма и помочь сделать лучший вывод об активности нейрональных клеток. Это потому, что церебральный кровоток предоставляет более прямую информацию о доставке кислорода. Интересно, что Залдивар и колледжи обнаружили, что под действием дофамина кровоток увеличивается. Эти результаты позволяют сделать вывод о том, что увеличение активности нейронов вызвано повышенным потреблением энергии.
"Если мы сможем улучшить наше понимание того, как BOLD-сигналы меняются под влиянием нейромодуляторов, мы сможем лучше интерпретировать сканирование мозга и обнаруживать проблемы на более ранней стадии," говорит Залдивар. Например, у пациентов с шизофренией дофаминовая система в головном мозге регулируется плохо. Если бы ученые знали, какое влияние нейромодуляторы, такие как дофамин, оказывают на изображения сканирования мозга, можно было бы диагностировать такие заболевания раньше. "Прежде чем делать выводы об активности нейронов на основе ЖИРНЫХ сигналов, нам сначала нужно знать, какое влияние нейромодуляторы оказывают на изображения," говорит Залдивар.