18.05.2017 12:54 «Носимый» сканер мозга, выпущенный Brookhaven Technology

Сканер мобильной позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), предназначенный для изучения взаимодействия человека с двигательными нарушениями разработан на основе сканера Брукхейвенской лаборатории для изучения изображений мозга у свободно движущихся животных.

Пациенты, подвергшиеся сканированию позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ) в современных громоздких "пончиковых" машинах, должны лежать полностью неподвижно. Из-за этого ученые не могут использовать сканеры, чтобы выявить связи между движением и мозговой деятельностью. Что происходит там, когда мы киваем в знак согласия или пожимаем руки? Чем мозг людей, пытающихся ходить после инсульта, отличается от тех, кто это может?

Для решения таких вопросов Джулия Брефчински-Льюис, нейробиолог из Университета Западной Вирджинии (WVU), в партнерстве со Стэном Маевским, физиком из WVU и теперь в Университете Вирджинии, разработала миниатюрный ПЭТ-сканер мозга. Сканер можно «носить», как шлем, позволяя субъектам исследования стоять и делать движения при сканировании устройством. Этот Ambulatory Microdose Positron Emission Tomography (AMPET) сканер поможет начать новые психологические и клинические исследования того, как функционирует мозг, когда он поражен болезнями от эпилепсии до зависимости, а также от обычных и дисфункциональных социальных взаимодействий.

ПЭТ-сканеры, а также КТ и МРТ, используются врачами, но они построены физиками, специализирующимися на детекторах».

«Существует так много возможностей», - сказал Брефчинский-Льюис. - «Ученые могли бы использовать AMPET для изучения болезни Альцгеймера или черепно-мозговых травм или даже нашего чувства равновесия. Мы хотим расширить возможности мобильности изображений с помощью этого устройства».

Идея была спровоцирована сканером, разработанным для изучения крыс, проект, начатый в 2002 году в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE). Маевский, физик высоких энергий по образованию, изначально увлекался проектом RatCAP в Брукхейвене, потому что он работал в тех же кругах физики, что и несколько членов команды RatCAP.

«Я узнал о том, что делали мои друзья и коллеги из Брукхейвена, - сказал Маевски, - и решил создать устройство такого же типа для людей».

Стэн Маевски, когда-то физик из Лаборатории Джефферсона, в настоящее время в Университете Вирджинии, и Джулия Брефчински-Льюис, нейробиолог из Университета Западной Вирджинии - соавторы блока развертки амбулаторной микродозовой позитронной эмиссионной томографии (AMPET), продемонстрировали макет своего устройства на научной конференции. AMPET основан на меньшем мобильном сканере, разработанном для исследований на крысах, который был разработан в лаборатории Brookhaven Lab.

Брукхейвенские начинания

Сканер Rat Conscious Animal PET, или RatCAP, представляет собой 250-граммовое кольцо, которое помещается вокруг головы крысы, подвешивается пружинами для поддержания своего веса и позволяет крысе бегать в процессе сканирования устройством. Нора Волков, глава отдела биологических наук в Брукхейвене в то время придумала эту идею, чтобы визуализировать мозг бодрствующих и движущихся животных.

«Я хотел сделать ПЭТ-сканирование на животных без использования анестезии», - сказал Волков, который в настоящее время является директором Национального института по борьбе со злоупотреблением наркотиками. В отличие от людей, животным нельзя сказать просто лежать неподвижно в сканере. Но анестезия, необходимая для того, чтобы заставить их лежать, по-прежнему влияет на результаты. «Она влияет на распределение радиоизмерений ПЭТ и подавляет нейроны», - сказал Волков. «Носимый сканер, однако, двигался вместе с мозгом животного и избавлял от необходимости в анестезии. Волков привлек внимание ученых и инженеров Брукхейвена, чтобы воплотить идею в реальность.

Отслеживание частиц

К счастью, существует большое совпадение между медицинской визуализацией и ядерной физикой, предметом которой является лаборатория Brookhaven Lab, являющаяся мировым лидером. Сегодня физики из лаборатории используют технологию, подобную ПЭТ-сканерам на релятивистском тяжелом ионном коллайдере (RHIC), где они должны отслеживать частицы, которые вылетают из близких к свету столкновений заряженных ядер. Исследование ПЭТ в лаборатории было начато еще в начале 1960-х годов и включает создание первого сканера с одной плоскостью, а также различных индикаторов молекул.

«Оба направления посвящены тому как работают фотоприемники, как работают сцинтиллирующие кристаллы, как работает электроника», - сказал физик Брукхейвен Крейг Вуди. «ПЭТ-сканеры, а также КТ [компьютерная томография] и МРТ [магнитно-резонансная томография] используются врачами, но они построены физиками, специализирующимися на детекторах».

Вуди, который сейчас работает над новым детектором частиц для RHIC, руководил проектом RatCAP с Дэвидом Шлером и Полом Васькой. В то время Шлер и Васька были главами циклов Брукхейвена и физики ПЭТ соответственно. Шлер - теперь почетный ученый в Лаборатории, и Васька - профессор биомедицинской инженерии в Университете Стоуни Брук.

При разработке малогабаритного сканера команда использовала последние достижения в области технологии детекторов. Например, они использовали плотные кристаллы для преобразования гамма-фотонов, преобразующими позитрон-электронные взаимодействия в видимый свет, вместе с небольшими светочувствительными сенсорами, называемыми лавиновыми фотодиодами. Они также использовали специальную электронику, разработанную в Брукхейвене и встроенную в компактный легкий детектор ПЭТ. Установка конструкции на длинных пружинах помогла удержать его вес, поэтому крысы могли «носить» сканер, легко перемещаясь.

«Это была сильно коллективное усилие», - сказал Шлер, который производил радиоизотопы, необходимые для сканирования. «У нас были люди из физики, биологии, химии, медицины и электротехники».

От крыс до шляп

RatCAP получал голоса о по мере того, как научные работники представляли их прогресс на конференциях и встречах. Затем Стэн Маевски, затем из Национальном институте ускорителей им. Томаса Джефферсона (Jefferson Lab) Министерства энергетики США, обратил на него внимание. Он работал над новыми методами визуализации рака молочной железы, применяя для его выявления медицинский детектор, основанный на физике высоких энергий.

«Я давно знал Стэна, мы работали вместе в европейской лаборатории ядерной физики CERN», - сказал Вуди. «Я должен отдать ему должное, потому что он постоянно говорил: «Вы действительно должны заниматься медицинской физикой».

Маевский отметил, что руководство Jefferson Lab очень поддерживало проект и предоставило некоторые начальные деньги даже после того, как он переехал в WVU, чтобы сделать больше работы по медицинской визуализации. Там он расширил идеи RatCAP и построил прототип переносного визуализатора мозга для людей.

«Мобильный инструмент визуализации мозга имеет приложения в исследованиях в области психологии и клинических целях», - сказал Маевски. «Вы могли бы, например, делать снимки эпилепсии у постели больного и наблюдать, что происходит в мозге во время приступа».

Прототип Маевски «Helmet_PET», запатентованный в 2011 году, использовал фотоумножители кремния - более новый аналогичный компактный, но более эффективный фотоприемник, чем лавинные фотодиоды, используемые в RatCAP.

«Stan увидел потенциал в RatCAP и продвинул его дальше» , - сказал Вуди.

Патентный чертеж прототипа лежал на столе Маевского в WVU, когда вошел нейрофизиолог Брефчински-Льюис. Оказалось, что рисунок детектора в виде шлема на вертикальном профиле человека привлек ее внимание.

«Меня всегда беспокоила эта средняя зона мозга, которой вы не могли достичь с помощью других технологий обработки изображений», - сказала она. «При электроэнцефалографии (ЭЭГ) вы не можете достичь структур глубокого мозга, но с ПЭТ и МРТ у вас не должно быть движений. Я подумал, устройство Стэна сможет заполнить эту нишу».

После создания первого прототипа в WVU два ученых начали использовать Helmet_PET для визуализации мозга добровольцев. После перехода Маевского в университет Вирджинии команда разработала более новую модель устройства, теперь известную как AMPET. Текущая шапка сканирования изображения предназначена для стоящего человека и прикреплена к верхней опоре, что позволяет некоторое движение.

AMPET очень похож на один из первых ПЭТ-сканеров, построенных в Брукхейвене, по прозвищу «фен».

«Идеи имеют вид полного круга», - сказал Шлер. «Изменилась технология, которая делает эти устройства возможными».

Команда AMPET надеется вскоре приступить к разработке полнофункционального сканера, который покрывает всю голову, а не рассматривает горизонтальную пятисантиметровую секцию, такую как текущее кольцо.

У микродозы большой потенциал

Поскольку AMPET располагается так близко к мозгу, что может «поймать» больше фотонов, исходящих от радиоизлучателей, используемых в ПЭТ, чем могут использовать более крупные сканеры. Это означает, что исследователи могут вводить более низкую дозу радиоактивного материала и все равно получить хороший биологический снимок. Захват большего количества сигналов также позволяет AMPET создавать изображения с более высоким разрешением, чем обычный ПЭТ.

Но самое главное, сканирование ПЭТ позволяет исследователям видеть дальше в теле, чем другие инструменты визуализации. Это позволяет AMPET достигать глубоких нейронных структур, в то время как объекты исследования находятся в вертикальном положении и движутся.

«Многие важные вещи, происходящие с эмоциями, памятью и поведением, находятся глубоко в центре мозга: базальные ганглии, гиппокамп, амигдала», - сказал Брефчинский-Льюис.

С точки зрения психолога или нейробиолога, AMPET может открыть двери для множества экспериментов, от изучения реакций мозга на различные среды до механизмов, участвующих в споре или в любви.

Брефчинский-Льюис описал способы использования AMPET для изучения активности мозга, которая лежит в основе эмоций. «В настоящее время мы проводим тесты для проверки использования сред виртуальной реальности в будущих экспериментах», - сказала она. В этой «виртуальной реальности» добровольцы читали сценарий, предназначенный для того, чтобы рассказать об этом, например, по мере того, как сканируется его или ее мозг.

В медицинской сфере сканирующий шлем может помочь объяснить, что происходит во время медикаментозного лечения или пролить свет на нарушения движения.

«Существует подгруппа пациентов с болезнью Паркинсона, которые имеют большие проблемы с ходьбой, но могут без проблем ездить на велосипеде», - сказал Шлер, который также является адъюнкт-профессором кафедры радиологии Медицинского колледжа Вайля Корнелла, где он учится проблемам болезни Паркинсон. «Что происходит в их мозгу, что делает эти два действия такими разными? С помощью этого устройства мы могли контролировать региональную активацию мозга, когда пациенты ходят и ездят на велосипеде, и потенциально могут ответить на этот вопрос».

Брефчинский-Льюис отметил: «Мы успешно отобразили мозг человека, гуляющего на месте. Теперь мы готовы построить лабораторную версию. Это было захватывающее путешествие - удовлетворение потребностей различных нейрофизиков и разработка этого устройства, которое, как мы надеемся, когда-нибудь встретит эти потребности, и поможет нам в поисках понимания мозга».

Проект RatCAP в Брукхейвене финансировался Отделом науки Министерства энергетики. RHIC является учреждением науки Министерства энергетики США для исследований в области ядерной физики.

Источник: military-technologies.net