Badacz z AGH przykłada „większą lupę” do sygnału dyfuzji w badaniu mózgu metodą MRI

Dyfuzja swobodna zachodzi nie tylko w płynie mózgowo-rdzeniowym, ale również w istocie białej, a jej udział w stosunku do dyfuzji kierunkowej jest zróżnicowany w zależności od obszaru mózgu i znacznie zwiększa się we wczesnej starości – ustalił naukowiec z AGH dzięki nowej metodzie przetwarzania sygnału dyfuzji w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego. Jego ustalenia dostarczają argumentów na rzecz rewizji dotychczasowych wyników badań wykonywanych tą techniką.

Model tensora dyfuzji do korekty

Piotr Włodarczyk, Centrum Komunikacji i Marketingu AGH: W jaki sposób Pańskie badania zmieniają wiedzę o dyfuzji zachodzącej w mózgu oraz o metodach jej obrazowania?

Dr inż. Tomasz Pięciak: Dotychczas w literaturze naukowej znaleźć można było przede wszystkim informacje, że dyfuzja swobodna zachodzi głównie w płynie mózgowo-rdzeniowym. Jedynie nieliczne doniesienia opisywały jej występowanie w istocie białej. Co więcej, zaledwie jedna praca naukowa sugerowała, iż frakcja objętościowa wody swobodnej [jeden z parametrów mierzonych w obrazowaniu tensora dyfuzji – red.], utożsamiona z dyfuzją swobodną w przestrzeni pozakomórkowej, wzrasta wraz z wiekiem. Brakowało jednak dotąd szerokich badań, które mogłyby te ustalenia potwierdzić. Przeprowadzone przeze mnie badania nie tylko pozwoliły uzyskać potwierdzenie w tej kwestii, ale też dowiodły, że poziom frakcji objętościowej wody swobodnej wykazuje zróżnicowanie w zależności od obszaru mózgu i znacząco zwiększa się począwszy od wczesnej starości. Oprócz tego badania rzuciły światło na kolejną bardzo istotną kwestię.

Do tej pory uważano, że to parametry uzyskane za pomocą standardowego obrazowania tensora dyfuzji ulegają zmianie w trakcie procesu starzenia, co w literaturze różnie interpretowano. Mnie udało się natomiast pokazać, że obserwowane zmiany tensora dyfuzji wynikają w rzeczywistości ze zmiany wspomnianej frakcji objętościowej wody swobodnej. Po przyłożeniu „większej lupy”, czyli uwzględnieniu tego komponentu w modelowaniu tensora dyfuzji, zmiany w parametrach tensora dyfuzji na przełomie życia okazują się bardzo subtelne.

Jakie metody przetwarzania sygnału trzeba było zastosować, żeby uzyskać dokładniejszy niż wcześniej obraz dyfuzyjności?

Została wyprowadzona w tym celu metoda numeryczna, zweryfikowana wcześniej na danych in silico [wygenerowanych za pomocą komputera – red.], a następnie także na rzeczywistych danych pochodzących od pacjentów. Niezbędne okazało się również wykorzystanie specjalnego sposobu analizy danych, który umożliwił poprawne modelowanie statystyczne rejestrowanych zmian. Przeprowadzono analizę regresji kwantylowej – to specyficzna metoda statystyczna, która w dużym uproszczeniu umożliwia modelowanie danych, w których wariancja zmienia się wraz ze zmienną objaśniającą – w naszym przypadku wiekiem. Odnosząc to do omawianego przykładu: zmienność parametrów ilościowych w obrębie istoty białej mózgu między poszczególnymi badanymi obserwowana w młodym wieku jest mała, a zwiększa się w miarę starzenia.

Jak zatem według Pana ustaleń dyfuzja swobodna zmienia się w istocie białej wraz z wiekiem?

W zależności od obszaru mózgu, dla grupy osób w przedziale 70–80 lat zmiany sięgają od kilkunastu do kilkudziesięciu procent względem wartości rejestrowanych dla 20–30-latków, którzy stanowili grupę referencyjną. Można więc powiedzieć, że są to zmiany bardzo duże. W moich badaniach udało się również ustalić, że frakcja objętościowa wody swobodnej wykazuje zwiększające się zróżnicowanie międzyosobnicze wraz z wiekiem.

W jaki sposób została dobrana próba badawcza i jak przebiegał proces rejestrowania danych?

Badaniu poddano 287 zdrowych osób. Ich stan zdrowia został zweryfikowany poprzez kompleksowe badania, które przeprowadził zespół lekarzy i psychologów z Norwegii – począwszy od sprawdzenia obrazów mózgu pod kątem wizualnym przez radiologa, po testy na inteligencję i wywiad na temat stylu życia. Z próby zostały usunięte osoby po urazach głowy, zaburzeniach neurologicznych i psychicznych oraz przyznające się do zażywania narkotyków i regularnego spożywania alkoholu.

Każda z osób uczestniczących w badaniu została zeskanowana jednokrotnie, a dodatkowo 99 osób zeskanowano powtórnie po upływie kilkunastu, maksymalne 30 miesięcy. Dzięki temu mogliśmy uzyskać informację, jak wartości parametrów mikrostrukturalnych mózgu, w tym frakcja objętościowa wody swobodnej oraz parametry tensora dyfuzji po korekcji o komponent wody swobodnej, zmieniają się wraz z wiekiem.

Nowe narzędzie dla neuronaukowców

Jakie nowe perspektywy badawcze otwierają wnioski, do których udało się dojść w wyniku tych badań?

Posiadając wiedzę, jak parametry mikrostrukturalne mózgu zmieniają się wraz ze starzeniem u osób zdrowych, możemy zacząć badać odstępstwa od tego, czyli wygenerować podobne krzywe zmian dla osób cierpiących na różne choroby neurodegeneracyjne, np. chorobę Alzheimera czy Parkinsona. Porównując je z krzywymi uzyskanymi dla osób zdrowych, będziemy mogli uchwycić tzw. onset, czyli początek procesu zmian chorobowych w mózgu. To niezwykle istotne, ponieważ nawet w obrazowaniu dyfuzji metodą rezonansu magnetycznego, gdzie operujemy parametrami ilościowymi, rejestrowane zmiany bywają w przypadku różnych chorób bardzo subtelne, a przez to trudne do wykrycia. Innym przykładem może być migrena, w przypadku której uchwycenie zmian występujących w mózgu między migreną epizodyczną a chroniczną jest niebywale trudne.

Czy znacznie dokładniejszy obraz dyfuzji, który udało się uzyskać dzięki opracowanym przez Pana metodom, sprawia, że dotychczasowe badania powinny trafić do kosza?

Nie sformułowałbym tego w ten sposób, ale na pewno jest to moment, kiedy warto poddać je ponownej analizie. Nie jest wykluczone, iż część z badań, wobec nowych faktów, trzeba będzie poddać weryfikacji, przykładając większą lupę. Może się nawet okazać, że w niektórych przypadkach dojdziemy wręcz do przeciwnych wniosków. Jest to frapujące i z pewnością nowe badania wprowadzą nutkę niepewności i zaciekawienia w środowisku.

Jak dotychczas świat naukowy i medyczny zareagował na nowe ustalenia?

Zostały one po raz pierwszy przedstawione w maju i czerwcu ubiegłego roku podczas kongresów ISMRM w Londynie oraz Iberian ISMRM w Lizbonie, gdzie spotkały się z zainteresowaniem. Wiele osób, nie tylko specjalistów z zakresu obrazowania metodą rezonansu magnetycznego, ale też neurologii czy pokrewnych dziedzin, wyraziło duże zaciekawienie tymi ustaleniami w kontekście badań, które sami prowadzą. Dzięki większej lupie mają możliwość dokładniej przyjrzeć się danym zgromadzonym w ramach swoich projektów badawczych bez potrzeby ponownego skanowania pacjentów.

Również obecnie otrzymuję wiadomości od psychologów oraz neuronaukowców, którzy badają różne zaburzenia mózgu możliwe do uchwycenia poprzez obrazowanie dyfuzji metodą rezonansu magnetycznego i są zainteresowani współpracą w tym kierunku. Jako inżynierowie dostarczamy narzędzi dla neuronaukowców, a ci wysuwają nam sugestie, czym dodatkowo chcieliby dysponować w swoim warsztacie pracy. To rodzi kolejne problemy inżynierskie do rozwiązania, niejednokrotnie o bardzo skomplikowanej naturze.

Od czasu wystąpienia w Lizbonie moje badania posunęły się znacznie do przodu i w najbliższym czasie będę miał przyjemność przedstawić najnowsze wyniki na czerwcowej konferencji ISMRM w Toronto. Badania te rzucają nowe światło na zmiany mikrostrukturalne mózgu występujące na przestrzeni życia dorosłego z uwzględnieniem komponentu wody swobodnej, wychodząc poza obrazowanie tensora dyfuzji.

Problemy z reproduktywnością i brakiem ekspertów

Czy metody przetwarzania sygnału, którymi zajmuje się Pan naukowo, mają szansę szerzej zaistnieć w praktyce klinicznej?

Z moich rozmów ze środowiskiem medycznym w Polsce wiem, że jest to temat, który interesuje lekarzy. Niestety, trzeba wielu lat praktyki, żeby wiedzieć, w jaki sposób dokonać poprawnej interpretacji takich danych. W naszym kraju nie ma wielu ośrodków, które zajmują się tymi technikami. W Stanach Zjednoczonych, w Wielkiej Brytanii, we Francji, w krajach Beneluksu czy w Niemczech znacznie więcej osób trudni się tym naukowo i dysponuje taką wiedzą.

Drugi problem, tym razem globalny, to stopień reproduktywności tego rodzaju badań diagnostycznych. Może się okazać, że parametry ilościowe mózgu oszacowane na podstawie danych zebranych w różnych ośrodkach, na tym samym typie skanera, tylko inaczej skonfigurowanym, mogą się nieznacznie różnić. Do tego dochodzą różnice wynikające z dostarczania sprzętu przez różnych producentów. W tym ostatnim przypadku mogą one wynosić nawet kilkanaście procent.