Математики визуализировали нервную и мышечную систему с помощью магнитного поля

6 апреля 2020
70

Группа математиков из Москвы совместно с нью-йоркскими коллегами нашла новый способ визуализации электрической активности сердца, мозга, нервной системы и мышц с помощью магнитометра. Этот подход позволит быстро выявлять нарушения в работе организма, а также поможет при испытаниях лекарственных препаратов на животных и людях. О своей работе ученые сообщили в журнале PNAS. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Изучение магнитных полей головы и других частей тела происходило с помощью магнитного энцефалографа — это сканер в виде огромного шлема, расположенный в специальной изолированной комнате, чтобы аппарат не улавливал посторонние сигналы. В исследовании участвовали десять добровольцев возрастом от 28 до 76 лет. Ученые записали активность их нервной и мышечной системы: от каждого испытуемого требовалось по три семиминутных сеанса. Добровольцев просили расслабиться в кресле аппарата МЭГ, сжимать или разжимать кисть руки. Также измерялось магнитное поле сердца, при этом прибор размещался на груди испытуемого. После записи анализировали данные с 275 датчиков, находящихся внутри аппарата МЭГ: на основании результатов измерений исследователи создали трехмерную компьютерную модель, которая отображала все изменения электрической активности клеток в организме человека. Ученые назвали этот образ «функциональной томограммой». Она представляет собой 3D-модель головного мозга, сердца и мышц. На изображениях показан пульс и другие характеристики, отражающие работу сердечной мышцы; также удалось зафиксировать, как активировались межкостные мускулы кисти, которую испытуемые сжимали по просьбе ученых: выяснилось, что мышечный сигнал при напряжении увеличивается в 20–30 раз. Можно изучать и активность мышц шеи и другой мускулатуры.

«С помощью нашего метода удалось успешно реконструировать трехмерную функциональную структуру мозга, сердца, мышц шеи и кисти руки. Полученные 3D-модели хорошо согласуются с анатомическими данными, при этом они несут прямую информацию об электрической активности тела человека. Исследование активности мышц спины было не столь успешным. В разных позах мы просили испытуемых напрягать и расслаблять мышцы спины и записывали показания прибора. Сигнал оказался слабым во всех случаях, кроме одного. У мужчины наблюдалась сильная активность, даже когда он не напрягал мышцы. Выяснилось, что это связано с болью в спине. Таким образом, метод может применяться для точной локализации болевых ощущений», — рассказал руководитель проекта Михаил Устинин, доктор физико-математических наук, заместитель директора Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН.

Исследования ученых помогут врачам в диагностике человеческого организма. После быстрого анализа можно обнаружить признаки заболевания нервной, мышечной и сердечно-сосудистой систем. Одна из особенностей этого метода — возможность записи и отслеживания данных в реальном времени, причем процедура неинвазивна, то есть не повреждает ткани. Такая диагностика нужна для того, чтобы увидеть влияние на организм различных лекарств, к примеру препаратов от эпилепсии: технология отслеживания мозга в реальном времени позволит увидеть, насколько снизилась активность нейронов во время эпилептического приступа. В будущем необходимо создать оптимальную систему для всего организма: сейчас устройство лучше всего приспособлено для записи мозговой активности.