Refleksje o wartości badań diagnostycznych przychodzą zazwyczaj w chwilach wielkiej traumy, kiedy podjęte przez lekarzy decyzje mogą uratować życie lub je przerwać. Tak bywa np. w neurochirurgii czy otolaryngologii. Jak mówi prof. Henryk Skarżyński, dyrektor Instytutu Fizjologii i Patologii Słuchu w Warszawie, mamy wiele dostępnych metod obrazujących to, co się dzieje w organizmie. Przoduje tu tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny. Mają one jednak spore ograniczenia. Pokazują występującą zmianę chorobową z jej morfologią, ale nie dają już odpowiedzi, co się dzieje w jej centrum i w okolicy. Wszystko jednak wskazuje na to, że idzie nowe. Funkcjonalny rezonans magnetyczny fMRI zapowiada rewolucję w diagnostyce medycznej.

Jedną z podstawowych zalet tej metody jest jej całkowita nieinwazyjność. Badanie nie sprawia bólu i nie wymaga przyjmowania obciążających kontrastów dla uzyskania obrazu. Wkrótce fMRI stanie się niezbędnym elementem diagnostycznym przed ważniejszymi zabiegami operacyjnymi. To właśnie on oceni możliwość dostępu i ryzyka chirurgicznego, a także pozwoli lepiej poznać funkcje wybranych organów. Szerokie spektrum aplikacji fMRI stworzyło możliwość powołania środowiskowego centrum obrazowania czynnościowego. Najpóźniej za pół roku centrum przyjmie pierwszych pacjentów. Działać będzie w ramach Instytutu Fizjologii i Patologii Słuchu.

Potrzeba utworzenia centrum jest naturalną konsekwencją rozwoju dotychczasowych prac, które są prowadzone w instytucie we współpracy z Instytutem Radioelektroniki Politechniki Warszawskiej oraz Zakładem Radiologii Akademii Medycznej, z wykorzystaniem bazy różnych szpitali warszawskich. Ideę powstania centrum obrazowania czynnościowego, opartego na metodzie funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI), popiera wiele instytucji naukowych oraz towarzystw, m.in. Polskie Towarzystwo Rezonansu Magnetycznego. Uruchomienie centrum będzie pierwszym krokiem na drodze rozwoju nowej dziedziny obrazowania czynnościowego w Polsce oraz stworzy szanse na uczestnictwo naszego kraju w międzynarodowych programach badań z tego zakresu.

Mapa mózgu

Pierwszym samodzielnym projektem realizowanym w centrum mają być badania dotyczące funkcji układu słuchowego. Głównym celem badawczym jest stworzenie map aktywacyjnych mózgu człowieka ze szczególnym uwzględnieniem kory słuchowej, m.in. organizacja tonotopowa kory, zbadanie odbioru struktury przestrzennej i czasowej dźwięków, ich rozpoznawania i lokalizacji, znalezienie obszarów selektywnie reagujących na dźwięki mowy oraz mechanizmów sprzężeń zwrotnych w układzie słuchowym, których zaburzenia mogą leżeć u podłoża wielu chorób z zakresu układu słuchowego. Dzięki zastosowanemu modelowi eksperymentalnemu można badać czynność układów neuronalnych warunkujących mowę (zmiany plastyczne powstające podczas uczenia się nowych języków, badanie osób dwujęzycznych, osób posługujących się językiem migowym, osób niesłyszących czy z implantami słuchowymi). Będzie też można określić szczególne umiejętności, np. słuchu absolutnego, oraz lepiej poznać patofizjologię czynności słuchu, dając tym samym szanse stworzenia lepszych metod terapii. Metodę fMRI można także wykorzystać do badań odmienności funkcjonowania kory mózgu u osób niesłyszących ze szczególnym uwzględnieniem wyników operacji przywracających słuch. Szczególnym zainteresowaniem w ostatnich latach cieszy się też zjawisko szumów usznych (tinnitus), w którego zbadaniu fMRI może odegrać znaczącą rolę.

Poza obszarem układu słuchowego, badania czynnościowe mózgu dają szansę na dokładniejszą analizę funkcjonowania pozostałych zmysłów: wzroku, węchu, dotyku. Pozwolą też bliżej określić funkcje poznawcze np. pamięci, orientacji przestrzennej, podłoża neurofizjologicznego emocji, lateralizacji funkcjonalnej półkul mózgowych. Wiele praktycznych aplikacji fMRI znajdzie się w badaniu niektórych zaburzeń psychiatrycznych. Metoda ta może też zostać wykorzystana jako jedna z metod badania wpływu nowych leków na funkcjonowanie mózgu. Prof. Henryk Skarżyński prognozuje nawet rewolucję w farmakoterapii. Dziś sprawdzając działanie nowego specyfiku zadajemy pacjentowi mnóstwo pytań. Interesuje nas jego samopoczucie po godzinie, dwu i kilku od zażycia nowego leku. Wykonujemy masę badań i pomiarów, mających udokumentować u chorego skuteczność, bądź jej brak, po podaniu testowanego specyfiku. Przy fMRI dokładne obrazowanie „powie”: co się dzieje w mózgu, jak lek się rozchodzi, jaka jest jego dyfuzja, jakie bodźce są w tym czasie generowane z poszczególnych obszarów mózgu i jaką to wyzwala aktywność? To wszystko widać na powstałych w obrazowaniu mapach. Dzięki nim lekarz i farmaceuta mogą się poruszać jak dobrze wyposażeni turyści ruszający na nowe i nieznane szlaki. Niezwykle ważną dziedzinę stanowią badania fMRI wykonywane na potrzeby klinik neurochirurgicznych w przygotowaniu chorych do leczenia guzów mózgu lub padaczki.

Modelowanie ukrwienia

Badania fMRI są postrzegane jako niezwykle cenne narzędzie w wielu zastosowaniach klinicznych i naukowych, wciąż jednak jest to metoda nowa, wymagająca systematycznej pracy interdyscyplinarnych zespołów specjalistów w celu stworzenia standardów pozwalających na uzyskanie wiarygodnych i powtarzalnych pomiarów. Ze względu na bardzo skomplikowane podstawy teoretyczne badań czynnościowych oraz trudności z dostępem do materiałów szkoleniowych, liczba osób zajmujących się takimi badaniami w Polsce jest obecnie bardzo mała. Aby przeprowadzanie takich badań na szerszą skalę było możliwe, niezbędne jest stworzenie interdyscyplinarnej grupy zajmującej się nie tylko pracą naukową w tej dziedzinie, lecz także szkoleniem wybranych grup specjalistów.

Modelowanie ukrwienia mózgu jest jedną z najbardziej zaawansowanych i rozwiniętych dziedzin badań funkcjonalnych. Informacja o stanie ukrwienia umożliwia obniżenie kosztów badań radiologicznych, zmniejszenie ryzyka urazów pacjenta, podniesienie komfortu badań i skrócenie czasu hospitalizacji. Dzięki możliwości obrazowania perfuzji, operacje są mniej kosztowne i mniej obciążające dla pacjentów, ze względu na mniejsze blizny, mniejszy ból i krótszy pobyt w szpitalu.

W początkowej fazie funkcjonowania centrum kontynuowane będą prace nad komputerowym systemem PERMON, przeznaczonym do monitorowania stanu ukrwienia organów człowieka podczas zabiegów chirurgicznych i postępowania farmakologicznego. PERMON zawiera większość modeli służących do wyznaczania parametrów ukrwienia mózgowego: Cerebral Blood Volume (CBV) i Cerebral Blood Flow (CBF). Zasadniczą trudnością w stosowaniu tych modeli jest oszacowanie masy wpływającego do mózgu środka cieniującego. W większości tomograficznych badań dynamicznych środek cieniujący jest wstrzykiwany do żyły udowej. Następstwem jest stosunkowo skomplikowana droga jego transportu (żyła – płuca – serce – tętnice – mózg) i w efekcie nieznany jest stopień rozcieńczenia w krwi tętniczej wpływającej do mózgu. Metody wykorzystujące krzywe koncentracji tętniczej (tzw. arterial input function AIF) wymagają ręcznego wyznaczenia obszaru tętniczego z danych obrazowych. Wymaga to od badacza dużego doświadczenia, ponieważ w szybkich sekwencjach obrazujących MR i CT obszary te często mają rozmiar kilku pikseli. Dodatkowo wprowadza to element subiektywny, mający wpływ na precyzję i powtarzalność całego badania. Stanowi to podstawowe źródło błędów przy wyznaczaniu CBV i CBF.

Jednym z kluczowych projektów o dużym znaczeniu praktycznym będzie dostosowanie aplikacji PERMON do wyznaczania parametrów ukrwienia mięśnia sercowego – Blood Volume (BV) i Blood Flow (BF). Dostosowanie to będzie polegało głównie na dopracowaniu algorytmów śledzenia i minimalizacji artefaktów ruchowych. Ponieważ (w odróżnieniu od mózgu) brak szablonów do oceny perfuzji mięśnia sercowego, jednym z następnych celów partnerów medycznych będzie stworzenie lub zaadaptowanie, np. z medycyny nuklearnej, szablonów „standardowego serca”.

Nowe możliwości

Kolejnym narzędziem poznawczym funkcji mózgu wykorzystywanym w nowo powstałym centrum będzie spektroskopia rezonansu magnetycznego (MRS) in vivo. Jest to nieinwazyjna metoda pozwalająca na określenie zawartości wybranych metabolitów komórkowych badanej tkanki. Diffusion Weighted Imaging (DWI) oraz Diffusion Tensor Imaging (DTI) to techniki umożliwiające uzyskanie obrazu zależnego od dyfuzji cząsteczek wody pozakomórkowej i pozanaczyniowej. Dyfuzja jest fizyczną własnością cząsteczek zależną od ich energii cieplnej (ruchy Browna). Ruchy występują na poziomie mikroskopowym i zachodzą równie prawdopodobnie we wszystkich kierunkach. Na obrazach DWI obszary o zwiększonej dyfuzji są ciemne, natomiast o zmniejszonej dyfuzji – jasne. Główne zastosowanie obrazów DWI to obrazowanie udarów mózgu, zmian nowotworowych i guzów. Obrazy DTI stosowane do obrazowania traktów nerwowych w mózgu (istota biała) wykorzystują fakt, że cząsteczki wody znacznie łatwiej przemieszczają się wzdłuż włókien nerwowych niż w poprzek. Zatem ruch cząsteczek wody w obszarach istoty białej pokazuje kierunek ułożenia traktów nerwowych.

Tak dokładne możliwości zobrazowania, jakie stwarza fMRI, pozwolą być może przewartościować bieżące możliwości i dokonania w leczeniu chorób psychiatrycznych. Prof. Waldemar Szelenberger jest przekonany o konieczności włączenia fMRI w monitorowanie nerwic i zaburzeń lękowych. Psycholog doktor Ilona Szatkowska widzi też ogromne pole do wykorzystania tej metody przy leczeniu padaczek. Warto przypomnieć, że u ok. 400 tys. Polaków lekarze stwierdzają objawy epilepsji, a ponad 200 osób wymaga skomplikowanego leczenia operacyjnego. Zanim jednak decyzja taka zapadnie, wykonuje się choremu test Wady. Jest to obciążające badanie polegające na sprawdzeniu stopnia i umiejętności zapamiętywania określonych faktów przez pacjenta. By je wykonać, konieczne jest wprowadzenie środka kontrastującego. Ubocznym działaniem testu jest możliwość powstania zatoru. Wartością obniżającą wiarygodność testu jest też krótki czas przeznaczony na badanie. Ale wszystko wskazuje na to, że Wadę będzie można zastąpić fMRI.

Potrzeba organizacji centrum jest naturalną konsekwencją współpracy między wieloma podmiotami zainteresowanymi wprowadzeniem do diagnostyki fMRI. Wynikiem dotychczasowych kontaktów interdyscyplinarnego zespołu są liczne publikacje i doniesienia na międzynarodowych kongresach naukowych oraz nawiązanie kontaktów roboczych z najważniejszymi ośrodkami światowymi (Uniwersytet Harvard, uniwersytety w Lyonie, Antwerpii i in.) związanymi z dziedziną obrazowania czynnościowego. Aktualnie zespół realizuje wspólny grant badawczy, a kolejny, we współpracy Instytutu Fizjologii i Patologii Słuchu, Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN i Instytutu Radioelektroniki Politechniki Warszawskiej, jest w trakcie recenzowania.

4 grudnia 2006 na konferencji naukowej Funkcja a struktura w Międzynarodowym Centrum Słuchu i Mowy Instytutu Fizjologii i Patologii Słuchu w Kajetanach, zaproszeni goście określili zakres prac objętych programem wspólnego działania. Partnerami tego wielkiego wyzwania są cenione i wysoko sklasyfikowane w rankingach doskonałości placówki, jak: Instytut Biologii Doświadczalnej PAN, Politechnika Warszawska, Akademia Medyczna w Warszawie, Instytut Inżynierii Biomedycznej PAN, Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej oraz inne podmioty naukowe w kraju i za granicą, zainteresowane wykorzystaniem funkcjonalnego rezonansu magnetycznego z polem indukcji wynoszącej 3T.