мачта MR

MEGA-PRESS – расширяя возможности МР-спектроскопии. Определение ГАМК.

Ахадов Толибджон Абдуллаевич
МРС – это уникальный метод, позволяющий измерять концентрации ряда важнейших метаболитов посредством получения и анализа МР-спектров. Методика MEGA-PRESS расширяет возможности обычного МРС исследования, позволяя определять концентрации основного тормозного нейромедиатора: нейромедиатора - ГАМК”.

Ахадов Толибджон Абдуллаевич

Заслуженный врач Российской Федерации, профессор, доктор медицинских наук, заведующий отделением лучевой диагностики НИИ Неотложной Детской Хирургии и Травматологии

Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) позволяет неинвазивно измерять локальные концентрации метаболитов мозга. На протяжении более чем 20 лет МР спектроскопия является методом изучения нейрометаболических процессов и их нарушений. Подробнее об основах протонной МР спектроскопии вы можете узнать в одной из наших предыдущих.

Даже самые современные методики PRESS и STEAM позволяют достоверно регистрировать не более 7 сигналов (рис.1), в то время как в спектре головного мозга присутствует возможность измерения  минимум еще 5 метаболитов, включая основной тормозной нейромедиатор - γ-аминомасляная кислота (ГАМК).

Xимический сдвиг

Рис.1. 1Н МР спектр с подавлением сигнала воды (ИП PRESS в поле 3 Тл) лобной доли головного мозга без патологии с выделением хорошо детектирующихся резонансов NAA, tCr, tCho, GLX и mI. Для сигналов Lip, Lac и Ala показано их расположение в спектре. Для всех перечисленных метаболитов представлены соответствующие химические структуры. (Изображения предоставлены сотрудниками НИИ Неотложной Детской Хирургии и Травматологии, г. Москва)

Роль γ-аминомасляной кислоты (ГАМК)

ГАМК является одним из наиболее интересных и перспективных для клинических исследований метаболитов.

ГАМК выступает в роли основного тормозного нейромедиатора в центральной нервной системе (ЦНС), осуществляя тем самым один из самых значимых для функционирования ЦНС процессов [1]. Помимо этой функции ГАМК участвует в процессах развития и формирования нейронных сетей, оказывает нейрорепаративное и нейропротекторное действие, участвует в регуляции тонуса сосудов. Значения концентрации ГАМК могут выступать в роли биомаркера состояния ГАМК-эргической системы при различных заболеваниях, а также в качестве показателя эффективности различных видов терапии.

Помимо нейромедиаторной функции, ГАМК осуществляет большое количество других, не менее важных, функций. Так, ГАМКэргическая система участвует в развитии ЦНС: в процессах миграции нервных клеток, роста аксонов и дендритов, образования синаптических связей. Направление миграции и роста нейронов может определяться нейротропными факторами, в роли которых и выступает ГАМК [1]. Активность связывания ГАМК с ГАМК-рецепторами оказывает защитное действие на олигодендроциты. Эти клетки вызывают образование миелина в ЦНС и, таким образом, являются основным компонентом белого вещества ЦНС [2].

Согласно исследованиям на животных, в периоды пластичности нейромедиаторная активность ГАМК может участвовать в правильном развитии и функционировании кортикальной нейронной сети [3]. Известна вовлеченность ГАМК в процессы кортикальной реорганизации при восстановлении моторных функций после инсульта. Так, по данным ПЭТ-исследования, выявлена повышенная активность связывания с ГАМКА рецепторами специфического, высокоафинного антагониста [18F] FMZ [4]. Наряду с этим, по данным МР спектроскопии, пациенты с низкими концентрациями несвязанной ГАМК показывают более высокие степени улучшения моторных характеристик.

Также существуют данные, свидетельствующие об участии ГАМК-ергической системы в регуляции мозгового кровообращения путем прямого воздействия на ГАМК рецепторы сосудистой стенки и за счет центральных механизмов, связанных с антиадренергическими эффектами [5]. Об этом свидетельствует тот факт, что циклические производные ГАМК, пирацетам и его аналоги фепирон и карфедон (фенотропил), в экспериментах и клинике улучшают мозговое кровообращение, восстанавливают нарушенные функции центральной нервной системы после ишемического инсульта [5].

Импульсная последовательность MEGA-PRESS

Основной проблемой получения информации о количественном содержании ГАМК в МР спектрах головного мозга является перекрывание всех трех сигналов ГАМК (α-СН2 δ =2.28 ppm; γ-СН2 δ = 3.01 ppm; β-CH2; δ =1.89 ppm) в спектрах головного мозга более интенсивными сигналами GLX, tCr и tNAA, соответственно (рис. 2) [6]. Для выделения сигнала ГАМК в спектрах, зарегистрированных на клинических МР сканерах, разработан ряд методик: COSY, J-PRESS, DQF. Однако наиболее подходящей для клинических исследований оказалась импульсная последовательность (ИП) MEGA-PRESS [7], которая и стала использоваться в качестве “золотого стандарта” для измерения концентрации ГАМК в мозге человека. 

Миниатюра частоты

Рис. 2. Перекрывание сигналов ГАМК (черная линия) более интенсивными сигналами NAA, tCr, GLX в стандартном МР спектре головного мозга.

В основе работы ИП MEGA-PRESS (MEshcher-GArwood Point RESolved Spectroscopy) лежит явление спин-спинового взаимодействия (J-взаимодействие) [8]. J-взаимодействие - это взаимодействие между ядрами соседних групп в молекуле, передаваемое через электроны химической связи, которое приводит к расщеплению сигналов в мультиплеты, изменяя вид спектра и J-эволюцию ядерных спинов во времени. Селективное воздействие на протоны, связанные J-взаимодействием, позволяет через влияние на процесс J-эволюции перераспределять интенсивности компонент мультиплета и добиваться формы сигнала, удобной для последующего анализа. Подробнее с процессами J-эволюции и J-взаимодействия можно ознакомиться в [9], [10].

ИП MEGA-PRESS образована путем добавления в стандартную ИП PRESS двух селективных 180º рефокусирующих РЧ импульсов, как показано на рисунке 3. При этом осуществляется регистрация двух серий спектров: серия «ON» и серия «OFF» [8], которые отличаются наличием или отсутствием селективного воздействия на спиновую систему ГАМК, соответственно. При корректном выборе основных параметров ИП MEGA-PRESS (время эхо (ТЕ), частота и длительность селективных импульсов) вычитание OFF из ON серии приводит к отделению сигнала γ–СН2 – протонов (δ=3.01 ppm) ГАМК от интенсивного сигнала tCr (δ=3.01 ppm) [6] (рис 4А).

Миниатюра мега прессы

Рис. 3. ИП MEGA-PRESS. 90° и 180° импульсы, формирующие ИП PRESS (голубой), 180_s^° (серый) - селективные импульсы для точечного воздейстия на спиновые системы метаболитов.

Рассмотрим подробнее механизм получения приведённого выше спектра MEGA-PRESS. В OFF серии селективные импульсы (δOFF=7.5 ppm) не воздействуют на спиновую систему ГАМК (рис 4Б) и, следовательно, J-эволюция не перефокусируется. На рисунке (рис 5) показана зависимость сигнала γ–СН2 – протонов (δ=3.01 ppm) ГАМК от различных ТЕ в OFF серии. При этом оптимальным временем для эха для регистрации MEGA-PRESS спектров является TE = 68 мс.

В ON серии селективные импульсы с δON=1.90 ppm воздействуют на протоны β-CH2 группы ГАМК c δ =1.89 ppm (протоны, связанные J-взаимодействием с γ-СН2 протонами), тем самым изменяя направление J-эволюции резонансов γ-СН2, δ =3.01 ppm. В результате сигнал ГАМК представляет собой сфазированный триплет (как при TE = 0, (рис. 5) независимо от выбранного ТЕ [8].

Сигнал Габа

Рис. 4. Примеры регистрируемых ON и OFF спектров, вычитание которых дает редактированный (DIFF) спектр (А). Механизм выделения сигнала ГАМК на 3.01 ppm на фоне интенсивного сигнала tCr. Так как спиновая система tCr не подвергается действию селективных импульсов ни в ON, ни в OFF сериях, при вычитании сигнал зануляется, освобождая тем самым сигнал ГАМК.

Время эха сигнала ГАМК

Рис. 5. Зависимость сигнала ГАМК на 3.01 ppm от времени эхо (ТЕ)

В обеих сериях сигнал tCr на δ=3.01 ppm остается неизменным, и при вычитании OFF-серии из ON-серии зануляется. Остается спектр (редактированный DIFF) (рис. 4Б) [6], содержащий неперекрытый сигнал ГАМК. Таким образом, результирующий спектр содержит неперекрытый сигнал ГАМК на δ = 3.01 ppm. Регистрация и последующий расчет концентраций ГАМК долгое время оставались исключительно научным функционалом МР томографа, однако сейчас измерения ГАМК  доступны всем без исключения пользователям Philips.

Примеры научно-клинических исследований

Исследование ГАМК в норме и при различных патологиях является одним из наиболее популярных направлений в 1Н МР-спектроскопии. Измерение ГАМК в различных областях мозга (рис.6) позволяет получить незаменимую информацию о биохимических изменениях в ЦНС, которые могут свидетельствовать о функциональных и физиологических нарушениях.

Расположение вокселей

Рис. 6. Расположение вокселей в локальных структурах (Frontal lobe (FL) – лобная доля, преимущественно серое вещество; Anterior cingulate gyrus (ACC) – область передней поясной извилины, преимущественно серое вещество; Posterior cingulate gyrus (PCC) – область задней поясной извилины, преимущественно серое вещество; Visual cortex (VC) – область зрительной коры, преимущественно серое вещество; Dorsolateral pre-frontal area (DLPFA) - дорсолатеральная префронтальная область, преимущественно белое вещество).

С каждым годом увеличивается интерес к измерению методом 1Н МРС содержания ГАМК в локусах мозга при различных патологиях. Наряду с определением уровней глутамата, основного возбуждающего нейромедиатора, исследования ГАМК являются одним из приоритетных направлений при изучении широкого ряда заболеваний, таких как психические заболевания (шизофрения, биполярные расстройства, депрессии, синдром дефицита внимания, аутизм и др. [11], [12]), демиелинизирующие заболевания (рассеянный склероз [13], болезнь Альцгеймера [14]), эпилепсия [15], алкогольные и наркотические зависимости [16] и др. Помимо

того, что нарушения работы ГАМКэргической системы могут быть причиной или следствием возникающих метаболических и функциональных изменений, существует множество свидетельств того, что препараты, применяемые при терапии, могут влиять на различные составляющие ГАМКэргической системы. Так, в [17] рост концентрации ГАМК по данным МРС у пациентов с эпилепсией связывают с принимаемыми препаратами (Габапентин, вигабатрин и другие). Считается также, что ряд других препаратов (бензодиазипин, фенобарбитал и др.) может оказывать механическое воздействие на ГАМК рецепторы, что, несомненно, также должно воздействовать и на концентрацию ГАМК [18].

Другим ярким примером может служить найденная исследователями НИИ Неотложной Детской Хирургии и Травматологии при поддержке Philips Clinical Science обратная зависимость между концентрацией ГАМК и суточной дозой принимаемых антипсихотиков у медикаментозно стабилизированных пациентов с ультравысоким риском развития шизофрении [19]. Эти данные открывают существенные возможности использования концентрации ГАМК, полученной методом МРС, в качестве неинвазивного биомаркера эффективности проводимой лекарственной терапии, что позволит своевременно корректировать такое лечение.

Связанные решения

  •  

    Spectroscopy  

    Полный набор методов протонной спектроскопии с использованием одного воксела, нескольких вокселов и нескольких срезов, полностью интегрированный в пользовательский интерфейс сбора данных. Сочетание спектроскопической визуализации в турбо-режиме, технологии dS SENSE и анизотропной матрицы может помочь сократить время сканирования. Включает в себя пакет SpectroView Analysis для визуализации и обработки всех спектроскопических данных.

Связанные статьи

  • Магнитно-резонансная спектроскопия. Основы и клинические применения

    Магнитно-резонансная спектроскопия. Основы и клинические применения

    Узнать больше
Клиническое применение МРТ

MEGA MR Clinical

Регистрационное удостоверение № ФСЗ 2011/10276 Томограф магнитно-резонансный Ingenia

Список литературы

 

[1]        M. Watanabe, K. Maemura, K. Kanbara, T. Tamayama, and H. Hayasaki, “GABA and GABA receptors in the central nervous system and other organs,” in International Review of Cytology, vol. 213, 2002, pp. 1–47.

[2]        C. Wu and D. Sun, “GABA receptors in brain development, function, and injury,” Metab. Brain Dis., vol. 30, no. 2, pp. 367–379, 2015.

[3]        D. D. Wang and A. R. Kriegstein, “Defining the role of GABA in cortical development,” in Journal of Physiology, 2009, vol. 587, no. 9, pp. 1873–1879.

[4]        N. J. Paik and E. J. Yang, “Role of GABA plasticity in stroke recovery,” Neural Regen. Res., vol. 9, no. 23, pp. 2026–2028, 2014.

[5]        В. Н. ПЕРФИЛОВА and Л. Е. БОРОДКИНА, “УЧАСТИЕ ГАММА-АМИНОМАСЛЯНОКИСЛОТНО-ЕРГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В РЕГУЛЯЦИИ МОЗГОВОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ,” ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ, 2014.

[6]        P. G. Mullins et al., “Current practice in the use of MEGA-PRESS spectroscopy for the detection of GABA,” NeuroImage, vol. 86. Academic Press Inc., pp. 43–52, 01-Feb-2014.

[7]        M. Mescher, A. Tannus, M. O’Neil Johnson, and M. Garwood, “Solvent suppression using selective echo dephasing,” J. Magn. Reson. - Ser. A, vol. 123, no. 2, pp. 226–229, 1996.

[8]        M. Mescher, H. Merkle, J. Kirsch, M. Garwood, and R. Gruetter, “Simultaneous in vivo spectral editing and water suppression,” NMR Biomed., vol. 11, pp. 266-272., 1998.

[9]        и др. Семенова Н.А., Меньщиков П.Е., Манжурцев А.В., “Динамика прижизненной концентрации метаболитов аминокислот в головном мозге человека в посттравматическом периоде,” Доклады Академии наук, vol. 484, no. 2, pp. 238–242, 2019.

[10]        F. Holger Försterling, Spin dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance, Second Edition, 2nd ed., vol. 37, no. 1. Wiley, 2009.

[11]        R. R. Schür et al., “Brain GABA levels across psychiatric disorders: A systematic literature review and meta-analysis of 1H-MRS studies,” Human Brain Mapping, vol. 37, no. 9. pp. 3337–3352, 2016.

[12]        P. E. Men’shchikov et al., “Spectral editing in proton magnetic resonance spectroscopy. Determination of GABA level in the brains of humans with ultra-high risk for schizophrenia,” Russ. Chem. Bull., vol. 64, no. 9, pp. 2238–2243, 2015.

[13]        N. Cawley et al., “Reduced gamma-aminobutyric acid concentration is associated with physical disability in progressive multiple sclerosis,” Brain, vol. 138, no. 9, pp. 2584–2595, 2015.

[14]        X. Bai et al., “Decreased γ-aminobutyric acid levels in the parietal region of patients with Alzheimer’s disease,” J. Magn. Reson. Imaging, vol. 41, no. 5, pp. 1326–1331, 2015.

[15]        F. A. Chowdhury et al., “Investigation of glutamine and GABA levels in patients with idiopathic generalized epilepsy using MEGAPRESS,” J. Magn. Reson. Imaging, vol. 41, no. 3, pp. 694–699, 2015.

[16]        K. C. Morley, J. Lagopoulos, W. Logge, K. Chitty, A. Baillie, and P. S. Haber, “Neurometabolite levels in alcohol use disorder patients during baclofen treatment and prediction of relapse to heavy drinking,” Front. Psychiatry, vol. 9, no. SEP, 2018.

[17]        J. U. Blicher et al., “GABA levels are decreased after stroke and GABA changes during rehabilitation correlate with motor improvement,” Neurorehabil. Neural Repair, vol. 29, no. 3, pp. 278–286, 2015.

[18]        J. I. Kang et al., “Reduced binding potential of GABA-A/benzodiazepine receptors in individuals at ultra-high risk for psychosis: An [18F]-fluoroflumazenil positron emission tomography study,” Schizophr. Bull., vol. 40, no. 3, pp. 548–557, 2014.

[19]        P. E. Menschikov et al., “1H-MRS and MEGA-PRESS pulse sequence in the study of balance of inhibitory and excitatory neurotransmitters in the human brain of ultra-high risk of schizophrenia patients,” Dokl. Biochem. Biophys., vol. 468, no. 1, pp. 168–172, 2016.

You are about to visit a Philips global content page

You are about to visit the Philips USA website.

Наш сайт лучше всего просматривать с помощью последних версий Microsoft Edge, Google Chrome или Firefox.