Нейровизуализация при аутизме - от теории к практике

Аннотация

Данные, полученные с помощью визуализации человеческой нервной системы за последнее десятилетие, обеспечили неоценимый вклад в понимание нервных субстратов, которые лежат в основе развития расстройств аутистического спектра (РАС). Различные методы исследования говорят о наличии определенной связи между развитием РАС и структурой, функциями, интеграцией определенных отделов головного мозга. В то же время, нейробиологические основы этих расстройств достаточно сложны, и существует значительная разница в отношении как причин, так и проявлений РАС у разных людей. Для того, чтобы охарактеризовать нейробиологические альтерации, приводящие к РАС и разработать новые принципы медикаментозной терапии, необходимо междисциплинарное сотрудничество. Все сильнее возрастает необходимость обобщения данных нейровизуализации и информации, полученной с помощью других дисциплин, что позволит определить пригодные для использования в клинической практике биомаркеры. До сих пор, однако, такого обобщения произведено не было, а низкая специфичность нейробиологических измерений пока не позволяет определить такие биомаркеры, которые могли бы облегчить проведение клинических исследований или диагностику. В данный момент находятся в разработке новые подходы к сбору и анализу данных о различных параметрах головного мозга, с помощью которых можно было бы преодолеть естественные ограничения этого метода исследования и интегрировать нейровизуализацию в проведение прикладных исследований. В этом обзоре мы рассмотрели новые данные о корковой патологии у пациентов с РАС и обратили внимание на то, как эти данные могут повлиять на диагностику и лечение РАС в будущем.

Введение

Под термином “расстройства аутистического спектра” (РАС) понимают группу неизлечимых расстройств развития нервной системы, которые характеризуются следующей триадой симптомов: нарушением социального взаимодействия, дефицитом социальной взаимности и повторяющимся, стереотипным поведением. Подверженные расстройству пациенты демонстрируют значительную гетерогенность, что объясняется сложностью этиологических и нейробиологических основ этого состояния. Сегодня диагностика РАС основывается исключительно на изменениях в поведении, что приводит к тому, что в проведении клинических испытаний участвуют пациенты со значительными различиями в нейробиологических аспектах расстройства, у которых совпадают только поведенческие изменения. Чаще всего такие испытания заканчиваются неудачей. В результате было разработано очень немного эффективных схем лечения специально для РАС, и в клинической практике в основном используются лекарства, предназначенные для корректировки других расстройств, эффективность которых в отношении РАС не была исследована. Таким образом, необходимо разработать методы, которые позволят диагностировать и лечить РАС как можно раньше, и определить биомаркеры, на основании которых можно будет принимать решение об использовании той или иной схемы лечения. Для характеристики патологии, определяющей развитие РАС, может понадобится разработка интегративной платформы, позволяющей исследователям совмещать данные из разных областей науки. Например, с помощью такой платформы можно было бы связать данные нейровизуализации с данными, полученными в ходе различных экспериментов (таких как клеточные или гистологические исследования, исследования животных моделей), которые способны описать патологический процесс с высокой специфичностью и чувствительностью. До сих пор, однако, исследования структуры и функций мозга с использованием нейровизуализации проводились отдельно от других исследований, что в некоторой степени ограничило возможность интерпретации данных, полученных с их помощью. В то же время нейровизуализация является одним из немногих методов, с помощью которых можно исследовать патологию головного мозга у живых людей. Эта особенность метода определяет его уникальные возможности - с помощью нейровизуализации можно получить информацию, которая поможет в постановке диагноза и лечении РАС в условиях клиники. Именно поэтому необходимо превратить нейровизуализацию в достоверно интерпретируемый метод - то есть метод, который возможно будет использовать на одном из этапов междисциплинарных исследований, а результаты которого могут быть приложены к медицинской практике и использованы для оценки изменения состояния здоровья. В будущем будут жизненно необходимы действия по интеграции нейровизуализации в прикладные исследования (Рис. 1) и обеспечению интерпретации данных и их приложения к реальной клинической практике. До сих пор разработка интерпретируемых маркеров была в основном осложнена низкой специфичностью измерений, которые обычно получают с использованием нейровизуализации. Например, такие исследования РАС и других нарушений развития нервной системы в основном были сфокусированы на обнаружении глобальных или крупномасштабных нарушений структуры мозга, таких как изменения объема мозга или хода волокон белого вещества. Достаточно мало известно о нарушениях структуры и функции головного мозга на локальном и микроскопическом уровнях. Несмотря на то, что глобальное описание атипичной анатомии головного мозга обеспечивает значительный вклад в понимание нервных субстратов, на которых основаны РАС, на таких данных тяжело выстроить гипотезу. Сейчас разрабатываются инновационные техники визуализации, которые позволят делать выводы, которые было бы невозможно сделать при работе с данными визуализации ранее, так как эти выводы выходят за пределы их естественной разрешающей способности. Это необходимо для определения специфических аспектов невропатологии, на которой основано развитие РАС. Предполагается, что с помощью новых подходов к визуализации станет возможно сформировать гипотезы, которые затем можно будет достоверно проверить in vitro или на животных моделях. В этом обзоре описаны наиболее современные подходы к нейровизуализации и их применимость к проблеме РАС, а также освещены попытки, которые были предприняты с целью интеграции нейровизуализации в цикл прикладных исследований. Так, авторы обратили свое внимание на последние достижения в методиках структурной нейровизуализации, чтобы показать, каким образом можно достичь такой интеграции, и как можно эффективно использовать нейровизуализационные биомаркеры в клинической практике.  

Ключевые пункты

Все больше нейровизуализационных исследований направлены на прикладной подход Для того, чтобы применять данные нейровизуализации, полученные при изучении РАС, на практике, необходимо использовать междисциплинарный подход Увеличение специфичности нейровизуалзиационных маркеров значительно увеличить их практическую ценность Для использования данных из других дисциплин, таких, как генетические или молекулярные исследования, необходимо найти новые маркеры, которые точно отражают определенные патологические процессы, возникающие при РАС С помощью нейровизуализации можно получить биомаркеры, которые позволять облегчить диагностику и предсказать эффективность лечения, а так же обеспечат основы для разделения пациентов с РАС на подгруппы

Источник: журнал Nature Роль нейровизуализации в прикладных исследованиях РАС. Этот цикл включает в себя фенотипическую и генотипическую характеристику пациентов с РАС, а также данные исследований животных моделей и моделей in vitro. Его назначение - обеспечить практическое применение данных междисциплинарных исследований в клинической практике. В будущем нейровизуализация предоставит ценные данные относительно этиологии и нейробиологии РАС и биомаркеры, которые позволят распределить пациентов на группы в ходе клинических исследований, определить новые фармакологические мишени и проверить валидность животных моделей и моделей in vitro.

Увеличение специфичности нейровизуализации

Возможности интерпретации результатов нейровизуализации естественным образом ограничены ее пространственным и временным разрешением, которое обычно находится в пределах миллиметров и миллисекунд соответственно. Нейровизуализация с разрешением, при котором становится возможным изучать невропатологию у пациентов с РАС, обладает довольно ограниченной способностью выявлять специфические аспекты невропатологии. Кроме того, различия в масштабе данных, полученных с помощью нейровизуализации, генетических исследований и экспериментов in vivo и in vitro (таких, как гистологические, молекулярные, клеточные исследования, исследования животных моделей, пересадка стволовых клеток), до сих пор не позволяют достоверно интегрировать и интерпретировать результаты исследований из разных дисциплин. Обнаружение высокоспецифичных нейровизуализационных маркеров позволит глубже понять сущность нейробиологических изменений, лежащих в основе нарушений при РАС и, впоследствии, использовать эти данные в прикладных исследованиях. Этой проблеме были посвящены несколько исследований структурной нейровизуализации, проведенных в течение последних 2-3 лет. Предыдущие исследования нейробиологических изменений при РАС с использованием нейровизуализации в основном фокусировались на следующих трех аспектах глобальной корковой патологии: атипичных структуре, функции и связях в мозге. Эти аспекты невропатологии при РАС не развиваются отдельно друг от друга, а взаимодействуют друг с другом и с факторами внешней среды в ходе развития заболевания. Это взаимодействие обеспечивает изменения в крупномасштабных нервных системах, которые и отвечают за формирование диагностически ценных симптомов и свойств, выявляемых при РАС в зрелом мозге: поведенческого и нейрофизиологического дефицитов. Составные части этих нервных систем хорошо изучены: в основном это области, частично формирующие лобно-таламико-стриарную систему, лобно-височные цепи и лобно-мозжечковую сеть. Различия в объеме этих областей мозга коррелируют с тяжестью течения определенных компонентов симптоматики РАС; так, изменение объема лобно-височных областей и миндалевидных тел ассоциировано с социоэмоциональными нарушениями, а волюмометрические изменения лобно-стриарной системы связаны с повторяющимся и стереотипным поведением. Большинство классических исследований атипичной структуры мозга при РАС были основаны на волюмометрическом анализе всего мозга, а также его отдельных областей и долей. Эти исследования были первыми значительными шагами к определению нейроанатомических особенностей при РАС. Однако классические волюмометрические исследования не позволяют дифференцировать, какие именно особенности строения коры вовлечены в развитие РАС, а также плохо применимы для определения направления, в котором необходимо продолжать поиски причины расстройства в будущем. Состояния, обозначаемые термином “РАС” достаточно разнообразны по этиологии и проявлениям. Поэтому не следует удивляться тому, что диагностика РАС до сих пор основана на симптомах, а не этиологии, а состояние пациентов с подозрением на РАС оценивается с помощью поведенческих наблюдений и клинических интервью. В условиях клинической практики поведенческая диагностика имеет ряд очевидных преимуществ, однако она не так хороша, когда речь заходит о разработке новых схем лечения или вмешательств. Так, когорты, составленные с помощью поведенческих методов, значительно гетерогенны в клиническом и фенотипическом отношении: в них потенциально могут входить пациенты, относящиеся к разным биологическим подгруппам РАС, и, скорее всего, лечение всех этих пациентов по одной и той же схеме окажется неэффективным. Значительная эффективность определенной схемы лечения в отношении гомогенной подгруппы пациентов может маскироваться ее низкой эффективностью в отношении когорты в целом, что отчасти объясняет, почему до сих пор клинические испытания с участием пациентов с РАС демонстрировали слабый или умеренный эффект. С помощью техник нейровизуализации можно разбить пациентов на гомогенные подгруппы, которые с большей вероятностью продемонстрируют ответ на определенную схему лечения (Рис. 2). Кроме того, развитие новых техник визуализации, с помощью которых возможно будет достоверно отличить пациента с РАС от здорового человека, может способствовать определению биомаркеров этого состояния и облегчить их применение в клинической практике. Источник: журнал Nature Персонализованный подход к диагностике и лечению РАС. а | Клинические исследования, в которых одно лекарство испытывается на гетерогенной группе пациентов с РАС, обычно заканчиваются неудачно из-за высокой генетической и фенотипической гетерогенности этого состояния. b | Необходимо разработать надежные биомаркеры РАС, чтобы распределять пациентов на группы по фенотипу их заболевания в ходе клинических исследований. c | Можно подобрать лечение, наиболее эффективно в отношении конкретного пациента d | Разделение на гомогенные группы позволить улучшить результаты крупномасштабных клинических исследований.

Новые способы оценки связей в мозге

Предполагают, что развитие РАС может быть обусловлено нетипичным строением связей в мозге. Было проведено много нейровизуализационных исследований, сфокусированных на определении межгрупповых отличий в строении белого вещества мозга, а именно корково-корковых связей. В результате этих исследований были получены доказательства измененного строения связи у пациентов с РАС. Так, измерения с использованием воксельной морфометрии показали, что у детей, подростков и взрослых с РАС наблюдается общее уменьшение объема белого вещества в сравнении с контрольными испытуемыми того же возраста. В нескольких исследованиях с использованием диффузионной тензорной визуализации (ДТВ) также была отмечена атипичная структура связей у пациентов с РАС. Интересно, что изменения связей прослеживаются в основном в проводящих путях лимбической системы, волокнах, соединяющих центры Брока и Вернике с корковыми структурами, лобно-стриарных цепях и мозолистом теле. Судя по всему, именно эти изменения обуславливают проявление симптомов РАС. Эти отчеты сыграли важную роль в понимании крупномасштабных изменений в структуре белого вещества мозга при РАС; в большинстве исследований наблюдалось общее понижение количества связей между структурами мозга, что также было подтверждено с помощью фМРТ функциональных связей. По результатам генетических исследований (которые подробно рассмотрены ниже) можно предположить, что нетипичное строение связей при РАС наблюдается только в белом веществе мозга, хотя прямые межнейронные соединения в сером веществе также могут быть изменены. Визуализация межнейронных связей в пределах серого вещества (внутренних связей) по своей сути представляется трудновыполнимой задачей, несмотря на то, что техника визуализации связей в белом веществе (внешних связей) хорошо отработана. Под внутренними связями в основном понимают связи, образованные коллатералями аксоном, не выходящими за пределы серого вещества и направленными параллельно коре. Такие связи изучают с помощью гистологических методов. Таким образом, оценить состояние внутренних связей с помощью традиционных методов измерения объема мозга или толщины коры (который дает представление только о вертикальной архитектуре) невозможно. Была разработана новая методика оценки связей в сером веществе. В ходе исследования измеряли локальную и глобальную минимальную протяженность внутренних связей мозга (то есть минимальную длину горизонтальных связей, необходимых для соединения определенных областей мозга в пределах коры) у пациентов с РАС и контрольных испытуемых. Эффективность связей сама по себе не отражает реальной длины аксональных связей (которую оценить с помощью МРТ напрямую принципиально невозможно), поэтому длина связей оценивается с помощью определения так называемого геодезического расстояния – величины, которая отражает кратчайший возможный путь между двумя точками на поверхности коры. Теоретически, чем короче геодезическое расстояние, тем меньше должна быть минимальная длина связей, которая, в свою очередь, отражает потенциал области мозга к образованию внутренних связей: сниженная их протяженность может облегчить формирование внутренних корково-корковых сетей. Нашей исследовательской группой установлено, что состояние внутренних связей у пациентов с РАС значительно отличается от такового у контрольных испытуемых, а именно: у таких пациентов значительно снижена минимальная протяженность внутренних связей, в основном в лобно-височных областях. Более того, уменьшение минимальной протяженности связей коррелирует с тяжестью проявления симптомов, в частности с тенденцией к повторяющемуся поведению. Обобщая эти данные, можно предположить, что изменения структуры связей у пациентов с РАС не ограничены белым веществом и затрагивают внутренние связи в пределах серого вещества коры, и, кроме того, могут оказывать влияние на проявление специфических симптомов аутизма. Источник: журнал Nature С помощью многовариантной классификации паттернов можно определить принадлежность пациента к той или иной подгруппе РАС на основании данных нейровизуализации. a | В начале модель классификации паттернов тренируется на данных МРТ, трактографии и/или ПЭТ, в ходе этой стадии определяются паттерны, с помощью которых можно достоверно определить принадлежность к определенной подгруппе. b | После тренировки можно использовать эти паттерны сортировки испытуемых в группу с РАС или в контрольную группу. Методы классификации паттернов можно использовать для разработки биомаркеров МРТ, на основании которых можно выполнять разделение пациентов на подгруппы по фенотипу их заболевания.

Машинное обучение в условиях исследования

Основное назначение традиционных техник нейровизуализации – определять патологию мозга с помощью сравнения средних значений определенного параметра у двух или более групп испытуемых, например, группы пациентов с контрольной группой. При этом с помощью этих техник достаточно трудно определить наличие невропатологии у конкретного пациента. Однако с помощью современных техник, которые основаны на использовании не только данных нейровизуализации, но и другой биологической информации, стало возможным автоматическое разделение испытуемых на группы и определение конкретных признаков патологии у определенных пациентов (Рис. 3). Сейчас этот подход (многовариантная классификация паттернов (МКП), включающая машинное обучение) активно испытывается и используется в условиях клинических исследований, так как он отлично приспособлен для разделения пациентов с РАС по фенотипу их заболевания. Несмотря на то, что общее количество биологически различных подгрупп РАС все еще неизвестно, в ходе исследований нейробиологических основ РАС было выявлено несколько потенциальных анатомических, функциональных, нейрохимических маркеров, а также маркеров, связанных со структурой связей, которые могут быть использованы для фенотипической стратификации пациентов с РАС. Относительно нейроанатомических и функциональных маркеров известно следующее: исходя из данных визуализационных исследований можно предположить, что общий объем мозга у пациентов с РАС увеличен в периоде раннего детства (2-5 лет) в сравнении с контрольными испытуемыми того же возраста, при этом увеличивается объем как серого, так и белого вещества. Увеличение объема серого вещества наиболее значительно в лобной и височной коре, и, судя по всему, происходит в основном за счет увеличения площади поверхности, а не толщины коры. При этом в позднем детском и взрослом периодах у большинства этих пациентов не было обнаружено значительного увеличения объема мозга (по сравнению с контрольной группой), что позволяет предположить, что РАС обычно сопровождаются изменениями в раннем развитии или созревании мозга. В данный момент проводятся несколько лонгитюдных визуализационных исследований с участием детей моложе одного года с подозрением на высокий риск развития РАС (считается, что до двух лет невозможно достоверно диагностировать РАС, используя поведенческие методы), в которых в том числе будет изучено нетипичное развитие мозга у пациентов с РАС. Исследователи, проводившие одно из этих исследований, отметили значительное увеличение скорости роста мозга в течение раннего детства (2-5 лет) у детей, которым был поставлен диагноз РАС, в то время как другая группа исследователей не обнаружила увеличения скорости роста мозга в этом периоде, и утверждала, что патологическое преобразование происходит до достижения испытуемым двухлетнего возраста. Помимо вышеизложенных, существуют и другие нестыковки в результатах исследований. Несмотря на то, что ранний избыточный рост мозга обнаруживается у большинства (по оценкам – около 90%) детей с РАС, он проявляется не у всех пациентов с этим заболеванием. В ходе исследований была выявлена значительная изменчивость фенотипов заболевания у пациентов с РАС даже при изучении корковой патологии в большом масштабе, например, при измерении общего объема мозга. Входе нескольких исследований окружности головы у детей с РАС было выявлено, что макроцефалия (окружность головы больше, чем у 97% испытуемых) присутствовала только у 20% детей с РАС. С помощью измерения индивидуальных различий в объеме головного мозга можно не только отличить пациентов с РАС от контрольных испытуемых, но и распределить пациентов по биологически гомогенным подгруппам. Учитывая разнообразие проявлений РАС, можно обоснованно предположить, что использование комплексного, многовариантного подхода к диагностике этого состояния позволит значительно увеличить точность диагностики. Так, с помощью МКП можно на основании удаленных друг от друга характерных паттернов изменений в сером веществе коры и в белом веществе или других особенностей строения мозга определить, болен ли пациент РАС (а также другими расстройствами развития нервной системы) или нет. Кроме того, полезную для диагностики информацию можно получить с помощью методов измерения функции мозга и строения связей. Возможно, МКП в будущем будет использоваться для облегчения диагностики РАС и для разделения пациентов на группы в рамках клинических исследований. МКП – многообещающий метод, с помощью которого, возможно, удастся определить биомаркеры, необходимые для ранней диагностики и лечения РАС. Так, все большее количество нейровизуализационных исследований посвящается изучению развития мозга у детей 6-24 месяцев, в отношении которых есть подозрение на высокий риск развития РАС. В ходе этих исследований было установлено, что уже в 6-ти месячном возрасте можно определить изменения анатомии и структуры связей головного мозга, связанные с РАС. Кроме того, в одном исследовании были получены свидетельства об изменении химической структуры мозга у детей 3-4 лет с РАС: у них была снижена концентрация N-ацетиласпартата, холина и креатина. Эти изменения не наблюдались у детей 9-10 лет. Таким образом, используя нейроанатомические и нейрохимические биомаркеры, такие, как изменение концентрации определенных нейромедиаторов, можно диагностировать и лечить РАС в раннем возрасте (когда постановка клинического диагноза еще невозможна). Несмотря на то, что МКП кажется довольно многообещающим методом, его применение в повседневной клинической практике ожидается не скоро. Невозможно начать широкое применение этого метода, не разрешив некоторые серьезные проблемы, связанные с ним. В первую очередь необходимо обеспечить клиническую специфичность автоматизированного подхода. Так, несмотря на то, что с помощью МКП можно успешно отличить пациента с РАС от здорового контрольного испытуемого в условиях исследования, все еще предстоит определить то, насколько хорошо основанные на данных МРТ классификации будут работать на реальных, гетерогенных группах пациентов с РАС и то, насколько эффективно можно дифференцировать РАС от некоторых связанных коморбидных состояний (таких, как социофобия и синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ)) с помощью таких моделей. Еще одной проблемой применения МКП является невозможность тщательной проверки предположения о том, что испытуемые в контрольной группе, на которых происходило обучение алгоритма, не больны РАС. Методы, входящие в золотой стандарт диагностики аутизма, такие как «План диагностического обследования при аутизме» (ADOS) и «Интервью при Диагностике Аутизма – Пересмотренное» (ADI-R), обычно применяются для диагностики пациентов, и не используются для оценки состояния контрольной группы. Кроме того, при определении биомаркеров аутизма необходимо учитывать не только клиническую гетерогенность РАС, но и особенности развития нервной системы, которые при РАС изменяются с течением времени. Таким образом, для получения полноценной классификационной модели, специфичной в условиях клинической практики и способной справиться со сложностью и гетерогенностью РАС, необходимо использовать данные из больших лонгитюдных исследований при ее создании. Наконец, все существующие на данный момент алгоритмы МКП высокоспецифичны только при их испытании на таких пациентах, на которых тренировалась модель (чаще всего это активные мужчины-правши с РАС). Специфичность метода оптимальна при использовании его на когорте пациентов со сходными характеристиками, однако модель работает хуже на других подгруппах пациентов с РАС.

Определение роли определенных компонентов в формировании объема коры

Измерения объема коры основаны на совместном измерении двух разных нейроанатомических свойств: толщины коры и площади поверхности коры. Таким образом, с помощью волюмометрических исследований невозможно определить, за счет какого именно компонента произошло изменение объема коры. Это изменение может быть обусловлено независимыми и разнообразными изменениями толщины или площади поверхности коры, у которых, в свою очередь, могут быть определенные генетические и филогенетические предпосылки. До сих пор исследователи в основном обращали свое внимание только на один из параметров: или толщину коры, или объем коры, поэтому методы измерения площади поверхности коры были относительно плохо изучены. По данным нескольких исследований, у детей с РАС отмечается значительное утолщение коры, особенно в лобнотеменных областях, по сравнению с контрольными испытуемыми того же возраста. Такие же исследования, проведенные на взрослых пациентах с РАС, показали, что у них обычно наблюдается увеличение толщины лобной коры, в то время как кора височной доли может быть утолщена или утончена по сравнению с контрольными испытуемыми. На данный момент все еще не известно, определяются ли изменения объема коры при РАС изменениями толщины коры, площади поверхности или обоих этих параметров в совокупности. Все больше исследовательских групп пытаются определить относительное влияние отдельных нейроанатомических характеристик на изменения объема коры, чтобы выявить, какая именно патология развития коры может быть связана с РАС. Например, достоверно определенный ускоренный рост общего объема мозга во время раннего детства (2-5 лет), судя по всему, обусловлен ранним и неравномерным увеличением площади поверхности коры, а не ее утолщением. Эти отчеты очень важны, так как они освещают относительный вклад конкретных аспектов патологии в развитие РАС – и таким образом сужают спектр поиска факторов генотипа и среды, которые играют наиболее важную роль в развитии этого состояния. Сегодня среди неврологов широко распространено мнение о том, что толщина коры и ее площадь поверхности определяются активностью различных типов клеток-предшественников, которые делятся в области желудочков, давая начало глиальным клеткам и нейронам. Толщина коры в основном зависит от деления промежуточных клеток-предшественников (переходных нейрогенных делящихся клеток в развивающейся коре мозга), которые симметрично делятся у базальной части поверхности желудочков. Эти предшественники могут дифференцироваться только в нейроны, которые затем мигрируют вдоль радиальных глиальных волокон и формируют радиальные онтогенетические колонки. Согласно гипотезе радиальных единиц, толщина коры зависит от количества нейронов, которые может произвести радиальная единица с учетом дополнительных нейронов, полученных за счет деления промежуточных предшественников. Таким образом, толщина коры отражает количество нейронов в каждой радиальной колонке. Напротив, площадь поверхности коры зависит от активности клеток-предшественников радиальных единиц, которые расположены в апикальной части поверхности желудочков. Ранняя пролиферация этих предшественников приводит к увеличению количества пролиферирующих единиц, что, в свою очередь, увеличивает число онтогенетических колонок и вызывает увеличение площади поверхности коры. Существование двух раздельных филогенетических процессов, отвечающих за толщину и площадь поверхности коры, позволяет предположить, что есть как минимум два различных генетических (или других) механизма, которые могут быть вовлечены в развитие и регуляцию этих процессов. Источник: журнал Nature Практическая применимость нейровизуализации напрямую зависит от ее разрешения. До сих пор поиск применимых на практике биомаркеров, которые можно было бы сравнить с данными исследований на животных моделях, генетическими исследованиями и исследованиями in vitro, тормозился низкими специфичностью и разрешением техник нейровизуализации. Разрабатываются новые подходы к получению и анализу нейровуализационных данных, которые увеличат специфичность маркеров и облечат достоверную интепретацию полученных результатов и их использование в других дисциплинах. На этом рисунке показано развитие подходов к визуализации во времени.

Проверка гипотезы на животных моделях

В исследованиях на людях и животных моделях были изучены генетические факторы, определяющие изменения толщины и площади поверхности коры. Мутации в генах Pax6, Lrp6, Neurog1 и Neurog2 увеличивают количество промежуточных предшественников и толщину коры у мышей, при этом площадь поверхности коры остается без изменений. У людей мутации в PAX6 и EOMES связаны с уменьшением толщины коры относительно площади поверхности. Кроме того, мутации в гене MECP2 влияют на площадь поверхности коры (при неизменной толщине) в определенных ее областях, таких как клин и веретеновидная извилина. Мутации в этом гене также связаны с синдромом Ретта. Судя по всему, генетические и молекулярные механизмы, отвечающие за раннее ускоренное увеличение площади поверхности коры, играют основную роль в развитии невропатологии при РАС, в то время как механизмы, обеспечивающие утолщение или утончение коры, не так важны. Высокая специфичность полученных результатов в отношении определенных аспектов невропатологии при РАС делает их довольно полезными в междисциплинарных исследованиях; с их помощью станет возможна разработка новых, выверенных гипотез, которые затем можно будет проверить в исследованиях на животных моделях и in vitro. Так, сегодня уже доступны несколько животных моделей, на которых можно изучать эффекты связанных с аутизмом генов и подробно описать молекулярные пути, определяющие развитие РАС. В ходе следующего этапа исследований необходимо разработать человеческие нейровизуализационные маркеры, с помощью которых можно будет делать определенные прогнозы, проверять валидность животных моделей РАС и испытывать гипотезы. Увеличение специфичности нейровизуализации при РАС (Рис. 4) улучшит качество прикладных исследований техники нейровизуализации в целом, а также облегчит их интеграцию в проведение междисциплинарных прикладных исследований.

Комбинированный анализ данных визуализации и генетических исследований

Традиционно считается, что РАС – расстройство развития нервной системы с высокой степенью наследственности: по наиболее современным оценкам, степень наследования РАС колеблется в пределах 60-80%, при этом количество различных общих генетических вариантов, приводящих к развитию РАС, удивительно невелико. Все больше генетических исследований направлены на определение значимости определенных, редко встречающихся мутаций в развитии РАС. Например, вариации числа копий генов (CNV, крупномасштабные геномные делеции или дупликации), встречаются у 5-10% пациентов с РАС, при этом такие мутации могут как наследоваться, так и возникать de novo. В данный момент несколько исследовательских групп занимаются определением эффектов связанных с РАС мутаций на животных моделях и в нейровизуализационных исследованиях людей. Их цель – обнаружить связь CNV с определенными аспектами патологии мозга. В результате концепция РАС поменялась с модели «одно заболевание, одна мутация» на модель «одно заболевание, множество редких мутаций». При таком подходе предполагается, что это расстройство может быть вызвано широким спектром мутаций, каждая из которых само по себе встречается редко. Генетическая платформа РАС достаточно сложна: обнаружено более 100 генов и локусов, потенциально связанных с развитием этого расстройства. Часто генетические варианты изучаются на примерах нескольких связанных с аутизмом моногенных синдромов (синдромный аутизм), при которых имеется определенное сходство мутаций с таковыми при идиопатическом, несиндромном аутизме. К таким расстройствам относятся синдром ломкой Х-хромосомы (синдром Мартина-Белл) и синдром Ретта, при которых наблюдаются специфические дефекты синаптической пластичности. Такие дефекты могут быть общими для синдромного и несиндромного аутизма. Кроме того, многие связанные с РАС мутации происходят в генах, которые связаны с развитием синапсов, аксональным наведением и подвижностью отростков нейронов. Например, многие редкие связанные с РАС CNV также играют важную роль в функционировании путей молекул клеточной адгезии (CAM). CAM участвуют в формировании и поддержании синаптических контактов. К этой группе также относятся молекулы, которые отвечают за инициирующий контакт между пресинаптической и постсинаптической клетками, поддержание синаптической адгезии и являются мембранными якорями для белков скаффолда, рецепторов к нейромедиаторам и белков цитоскелета. В время развития нервной системы CAM также направляют конус роста на конце растущего и, таким образом, играют роль в развитии нейронных сетей еще до формирования синапсов. Наличие мутаций в кодирующих CAM генах при РАС позволяет предположить, что при этом расстройстве искажается развитие и пластичность синапсов, что может повлиять на связи между нейронами и целыми областями мозга. В данный момент идут исследования, в которых на животных моделях РАС в комбинации с нейровизуализацонными исследованиями in vivo будет определено то, какие именно молекулярные пути нарушаются при определенных мутациях. При РАС наиболее часто выявляются CNV в генах, кодирующих синаптические молекулы, такие, как нейролигины (NLGN) – семейство CAM, участвующее в формировании и консолидации тормозных или возбуждающих синапсов в зависимости от подтипа. Необходимо отметить, что связанный с РАС нейролигин 3 (кодируемый геном NLGN3) в основном обеспечивает формирование возбуждающих синапсов, в то время как нейролигин 2 (кодируемый NLGN2) индуцирует образование тормозных синапсов. У нокаутных по Nlgn-3 мышей выявляется разобщение гетеросинаптической конкуренции и искажение синаптической пластичности, обусловленной активностью метаботропных рецепторов к глутамату. Эти результаты позволяют предположить, что глутаматергические системы играют определенную роль в патогенезе РАС и говорят в пользу предположения о том, что РАС связаны со сдвигом возбудительно-тормозного равновесия в сторону увеличения возбуждения. Кроме того, в пользу этой гипотезы говорят и результаты нескольких исследований с использованием ПЭТ, доказывающие наличие нарушений тормозной синаптической передачи при РАС и позволяющие предположить участие ГАМК в патофизиологических процессах при РАС. Помимо нейролигинов, на возбудительно-тормозное равновесие и развитие связей в мозге при РАС могут оказывать влияние и нейрексины. Так, с РАС ассоциированы некоторые изменения структуры контактин-ассоциированного белка 1 (кодируемого геном CNTNAP1, также известным как NRXN4). CNTNAP2 кодирует другой белок семейства нейрексинов: контактин-ассоциированно-подобный белок 2. Этот белок локализован в перехватах Ранвье, где он отвечает за кластеринг K+ каналов в растущем аксоне и опосредует взаимодействие между нейронами и глией во время развития нервной системы. У мышей с делециями CNTNAP2 обнаруживается пониженное количество ГАМКергических нейронов в коре и ненормальная миграция нейронов, а также характерный для РАС дефицит трех основных поведенческих систем. Кроме того, мутации CNTNAP2 тесно связаны с проявлением эпилептических судорог, которые у пациентов с РАС в сравнении с контрольными испытуемыми возникают чаще. Так, ассоциированные с делециями CNTNAP2 генетические синдромы сопровождаются тяжелыми и частыми судорогами. К таким синдромам относятся синдром корковой дисплазии-фокальной эпилепсии и Питта-Хопкинса-подобный синдром 1. Вышеизложенные результаты позволяют сделать вывод о том, что, хотя мутации в гене CNTNAP2 и могут увеличивать риск развития РАС, они не являются ни специфичными, ни типичными для этого расстройства, и могут быть обнаружены у индивидов, которым не было поставлено клинического диагноза РАС (то есть бессимптомных носителей). Для того, чтобы определить влияние определенного генотипа на структуру и функцию мозга, важно не только изучать бессимптомных носителей мутаций, но и исследовать взаимоотношения между несколькими состояниями с общей генетической структурой на уровне генотипов и фенотипов. Специализированных нейровизуализационных исследований анатомии и структуры связей в мозге у пациентов с РАС, также имеющих известные мутации в CNTNAP2 не проводилось, однако было получено несколько отчетов о бессимптомных носителях таких мутаций, связанных с развитием РАС. У здоровых носителей рискованных по РАС аллелей CNTNAP2 обнаруживаются структурные и функциональные изменения связей в головном мозге, что является одним из общих признаков РАС. В будущем такие исследования, в которых совместно анализируются данные генетических и визуализационных исследований, будут очень важны, так как с помощью результатов этих исследований можно будет связать определенные аспекты характеристик мозга с определенными мутациями, которые увеличивают риск развития РАС. В нескольких исследованиях были изучены эффекты мутаций в гене SHANK3, которые связаны не только с РАС, но и с шизофренией. Этот ген кодирует белок SH3 и множественных анкириновых повторов 3, который находится в постсинаптической мембране и работает как постсинаптический белок скаффолда: соединяет между собой рецепторы, CAM и сигнальные молекулы, необходимые для синаптогенеза и синаптической передачи. В исследованиях на культурах человеческих нервных клеток было показано, что избыточная экспрессия белка SHANK3 значительно увеличивает количество дендритных шипиков, влияет на их морфологические характеристики (длину и размер) и ослабляет синаптическую передачу, изменяя частоту возбуждающих токов в зрелых нейронах. Эти результаты сходятся с результатами исследований нокаутных по SHANK3 мышей, у которых были обнаружены увеличение ветвления дендритов, увеличение объема полосатых тел и дефекты корково-стриарных связей. Нетипичные кортико-стриарные связи и увеличенные полосатые тела были также обнаружены у детей и взрослых с РАС в ходе нейровизуализационных исследований, что позволяет предположить связь между мутациями гена SHANK3 и ассоциированной с РАС патологии корково-стриарной системы. Все эти исследования демонстрируют, как результаты генных исследований можно связать с данными, полученными с помощью нейровизуализации у пациентов с РАС и здоровых носителей рискованных по РАС аллелей определенных генов. Это необходимо для того, чтобы связать определенные патологические изменения в мозге с индивидуальными CNV, ассоциированными с РАС. Определение и дальнейшее развитие основанных на генетических исследованиях и позволяющих разработать новые гипотезы нейровизуализационных маркеров может сыграть решающую роль в дальнейшем подробном изучении нейробиологии РАС. На основе результатов генетических исследований необходимо построить систему нейровизуализационных маркеров, которые затем могут быть использованы для того, чтобы связать определенные мутации с определенными аспектами патологии. Такие подходы сыграют важную роль в попытках превратить генетические данные в новые визуализационные маркеры с целью выявления сложной связи между генотипами и фенотипами РАС в будущем.

Ориентиры для разработки лекарств

Важную роль в разработке новых принципов медикаментозной терапии РАС играет распределение пациентов с этим расстройством на разные подгруппы по биохимическим особенностям течения их заболевания. Можно выделить три нейромедиаторные системы, которые подходят для этой цели: серотонинергическую, ГАМКергическую и глутаматергическую системы. Состояние этих систем можно оценить in vivo с использование наиболее современных методик МР-спектроскопии или ПЭТ. Считается, что у примерно 30% пациентов с РАС присутствует гиперсеротонемия, сниженная связывающая способность рецептора 5-HT2A и пониженное количество транспортеров серотонина. Таким образом, с помощью продвинутых техник нейровизуализации в будущем станет возможно определять, у каких пациентов наиболее эффективно будет фармакологическое воздействие на серотонинергическую систему. С помощью похожих техник можно было бы определять индивидуальные особенности ГАМКергической и глутаматергической систем у пациентов с РАС. Как было сказано выше, одним из важных аспектов патофизиологии РАС является сдвиг возбудительно-тормозного равновесия в сторону избыточного возбуждения. Это утверждение подтверждается предварительными данными одного нейровизуализационного исследования, котором у пациентов с РАС были обнаружены признаки увеличения активности глутаматергической системы (например, увеличение концентрации нейромедиатора), приводящего к преобладанию процессов возбуждения (на этих наблюдениях основана гиперглутаматергическая гипотеза развития аутизма). В этих исследованиях также было показано снижение активности ГАМКергической системы (снижение экспрессии рецепторов к ГАМК) в областях мозга, ассоциированных с РАС. В то же время у других пациентов с РАС (или даже у этих же пациентов в других областях мозга) может быть выявлена строго противоположная картина. Причины и возможные способы лечения нарушения равновесия между ГАМКергической и глутаматергической системами регуляции могут быть различны у разных пациентов с РАС. Все еще неизвестно, насколько пациенты с РАС отличаются от контрольных испытуемых по возбудительно-тормозному равновесию, однако из результатов этих ранних исследований становится очевидна потенциальная практическая значимость полученных с помощью различных техник визуализации нейрохимических маркеров для разработки узконаправленной терапии и индивидуальной тактики лечения.

Вывод

В течение последних 20-ти лет нейровизуализация играла значительную роль в определении крупномасштабных изменений и изменений в медиаторных системах, которые определяют развитие симптомов аутизма. Однако сейчас происходит перемена роли нейровизуализации в исследованиях психического здоровья: из базового научного инструмента визуализация превращается в полноценную составляющую часть прикладных исследований. До сих пор поиск применимых на практике биомаркеров тормозился низкими специфичностью и разрешением техник нейровизуализации. Все еще необходимо определить специфические аспекты невропатологии, обуславливающие развитие РАС. Это необходимо не только для того, чтобы выявить нейробиологические основы этого расстройства, но и для того, чтобы обеспечить появление новых гипотез, которые можно будет достоверно проверить на моделях in vitro и in vivo. Новые биомаркеры можно обнаружить с помощью данных генетических исследований, что даст возможность свободно комбинировать данные, полученные в рамках различных дисциплин. Наконец, появляется возможность использовать новейшие методы анализа для того, чтобы облегчить практическое применение результатов нейровизуализации в клинической практике, что особенно важно для разделения пациентов на группы в ходе клинического исследования и разработки индивидуальных тактик лечения. Исследования, которые сейчас проводятся в области нейровизуализации, являются важными первыми шагами к использованию персонализованного подхода к диагностике и лечению РАС в будущем и подчеркивают необходимость использования комплексного подхода к изучению РАС.

Оригинал статьи

Перевод: Михаил Гусев