Нейровизуализация при аутизме - от теории к практике
Автор: old.medach.pro
Публикация: 18.02.2018
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 |
|

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.
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.
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.