Магнитно-резонансная микроскопия: как анализ живых объектов помогает изучать устройство мозга
Магнитно-резонансная микроскопия (МРМ) — метод, который является разновидностью магнитно-резонансной томографии, отличающийся особенно высоким пространственным разрешением: размеры визуализированных структурных элементов биологических образцов обычно менее 100 микрон. Метод позволяет визуализировать как внутренние органы и структуры тканей, так и одиночные клетки. Он является полезным инструментом для ученых благодаря своей способности генерировать цифровые срезы отсканированных образцов, которые могут быть встроены в виртуальные 3D-изображения. МРМ становится все более распространенным методом визуализации в эмбриологических исследованиях. Например, с помощью MRM были созданы первые трехмерные изображения эмбрионов человека в рамках проекта «Многомерный эмбрион человека», общедоступной базы данных трехмерных изображений эмбрионов.
Главная цель магнитно-резонансной микроскопии — получение изображения сравнительно малых образцов с как можно большим разрешением. Наибольший интерес это представляет в контексте анализа живых клеток, отклик которых на те или иные внешние воздействия необходимо исследовать. В частности, таким образом происходит функциональное исследование отдельных нейронов, которые экстрагированы из мозга ряда лабораторных животных. Исследование этих нейронов позволяет пролить свет на то, как устроена высшая нервная деятельность, что в перспективе может помочь исследовать и выработать способ лечения неврологических заболеваний человека.
На работу в этой области направлена деятельность целого ряда научных групп в мире. Например, такие исследования проводят в исследовательском центре NeuroSpin в Париже. Ученые этого центра занимаются изучением головного мозга, в том числе с помощью методов магнитно-резонансной томографии (МРТ). В центре есть и томографы, направленные на исследование мозга человека, и так называемые доклинические томографы с уровнем поля гораздо выше, чем в клинических устройствах — максимально до 17 Тл. Такой томограф, однако, имеет диаметр тоннеля всего около 9 см. Здесь проводятся исследования лабораторных животных или экстрагированных частей их головного мозга.
Магнитно-резонансную микроскопию интересно проводить именно на сверхвысокопольных томографах прежде всего потому, что, чем выше уровень поля магнита, тем больше соотношение сигнал / шум, и, соответственно, за то же самое время можно получить изображение с бОльшим разрешением.
С какими проблемами сталкиваются ученые
Для увеличения качества изображения исследователям необходимо получать как можно более мелкий размер вокселя, иными словами — элементарного кубика, из которого состоит изображение. Но с повышением разрешения и уменьшением размера вокселя уменьшается и соотношение сигнал / шум. Казалось бы, можно постоянно повышать разрешение, однако при этом картинка будет «зашумляться» все сильнее и в какой-то момент станет совершенно неинформативной. В этом и состоит ограничение.
Как отмечает Станислав Глыбовский, один из авторов статьи, сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО, существует ряд подходов, которые позволяют повысить соотношение сигнал / шум. В первую очередь, это увеличение самого поля магнита. Доклинические томографы с уровнем поля 17 Тесла — системы, которые позволяют получить близкое к максимальному на данный момент разрешение МРТ. Однако и здесь есть ряд проблем.
На полях уровня 17 Тл магнит становится нестабильным. Добиться стабильной работы очень трудно, поэтому такие системы, как та, что работает сегодня в Neurospin, уникальны. Из-за нестабильной работы магнита ученые не могут сканировать большие образцы. Например, нельзя получить качественное изображение всего тела лабораторного животного. Можно сканировать только маленькую выбранную область внутри, потому что именно в пределах этого участка магнитное поле имеет однородное распределение (и соответственно, частота, на которую откликаются спины ядер атомов водорода, также однородна). Если магнитное поле у магнита неоднородно, то и эта частота неоднородна, и принятые сигналы от спинов для части исследуемого объекта попросту не попадают в полосу приемника.
Кроме того, на практике соотношение сигнал / шум ограничивается также самими радиочастотными катушками и свойствами приемника. Классическое решение, которое сегодня используется на томографе 17 Тесла, — медные соленоиды в качестве приемо-передающих катушке, внутри которых помещается исследуемый образец. Однако из-за того, что проводимость меди не бесконечна, в этом случае возникает некоторая часть мощности полезного сигнала, которая рассеивается внутри самой катушки и не доходит до приемника. Другое ограничение связано с тем, что соленоид, помимо магнитного, всегда создает и квазистатическое электрическое поле. Это также приводит к нежелательным потерям энергии в самом образце.
Что предложила группа ученых из России и Франции
Группа ученых из Университета ИТМО, Института Fresnel и исследовательского центра NeuroSpin предложила заменить соленоид на диэлектрический зонд, выполненный с использованием уникального композитного материала, разработанного на предприятии ООО «Керамика». Внешний диаметр разработанного диэлектрического резонатора — 18 мм, внутренний — 6 мм. Он представляет собой цилиндр с отверстием, внутри которого размещается образец.
Исследование выполнялось в рамках сотрудничества по проекту M-Cube (международный проект реализуется в рамках программы Horizon 2020, подробнее о его целях и задачах можно почитать здесь). Ученые Университета ИТМО занимались расчетами и экспериментальными исследованиями катушки. В Институте Fresnel ученые-физики Марин Моссу (Marine Moussu) и Редда Абдеддайм (Redha Abdeddaim) построили функциональную теоретическую модель обоих зондов — как соленоида, так и катушки на основе диэлектрического резонатора, что позволило быстро предсказать возможный предел по соотношению сигнал / шум для каждой из них, а также определить, какой именно диэлектрик необходим для создания зонда с тем, чтобы превзойти по соотношению сигнал / шум возможности соленоидов.
В результате расчетов ученые выяснили: чтобы создать такой диэлектрический зонд, необходимо выполнить два условия. Во-первых, необходим материал с очень высокой диэлектрической проницаемостью (показатель, который характеризует молекулярный отклик какого-либо материала на внешнее электрическое поле). У каждого материала есть свое значение этого показателя. Например, у воздуха диэлектрическая проницаемость примерно равна 1, у керамики, которая используется в бытовых нуждах, 10. В данном случае, для получения соотношения сигнал / шум в два раза выше, чем у оптимизированного для заданного образца соленоидального зонда, необходимо было использовать материал с диэлектрической проницаемостью около 500. Во-вторых, у него должны быть очень низкие диссипативные потери: тангенс угла потерь на частоте работы томографа (730 МГц) не должен превышать 0.0008.
Как создавался уникальный материал, использованный в резонаторе
Столь высокие значения диэлектрической проницаемости и малые диэлектрические потери имеют только специально синтезированные сегнетоэлектрические материалы в параэлектрической области. Такие диэлектрические материалы разрабатывают специалисты петербургского предприятия ООО «Керамика». По результатам расчетов исследователи установили, что уникальная разработка компании лучшим образом подходит для создания новых резонаторов. ООО «Керамика» сотрудничает с Университетом ИТМО по различным проектам более пяти лет, кроме того, среди партнеров предприятия — лаборатории и научные центры США и Европы.
«Современные керамические материалы — это многокомпонентные, сложные поликристаллические вещества. Такие материалы можно отнести к так называемым “Smart materials” — “умным материалам” с заданным набором свойств. Мы создаем новые керамические материалы на основании нашего опыта, анализа проведенных предварительных исследований, которые выполнены с использованием современных методов физико-химического анализа и метрологии. Мы умеем управлять свойствами материалов и создаем керамики для различных применений, прежде всего, для применения в электронике. Кроме того, мы не только создаем материалы, но и изделия из них», — рассказывает Елизавета Ненашева, генеральный директор ООО «Керамика».
Главная особенность композитного керамического материала, который применили для разработки нового зонда, а именно его малые диэлектрические потери при сравнительно высокой диэлектрической проницаемости, определяется оригинальным составом керамики, а также технологией ее синтеза. Основа этого материала была разработана в 2007 году и запатентована как в России, так и США. Как отмечает Елизавета Ненашева, керамика уже нашла свое применение в микроволновых управляемых приборах для ускорительных систем повышенной мощности, разработанных в США, а также успешно прошла тестирование для применения в главном ускорителе в ЦЕРНе. Однако недавно наши исследователи выяснили, что материалы этой группы перспективны и для применения в МРТ.
«Для применения в управляемых электрическим полем приборах, таких как микроволновые фильтры, фазовращатели и др., особенно важен параметр управляемости диэлектрической проницаемости. Обеспечение повышенной управляемости, как правило, сопровождается некоторым повышением диэлектрических потерь сегнетоэлектрической композитной керамики. По совокупности параметров наш материал превосходит лучшие мировые аналоги. Вместе с тем, отсутствие требований к параметру управляемости в системах МРТ позволило уточнить рецептуру материала и существенно снизить его диэлектрические потери в диапазоне частот, в котором работает МРТ», — продолжает она.
Технология производства керамики — это сложный наукоемкий процесс, который включает в себя несколько этапов. Все начинается с процесса смешения исходных сырьевых компонентов в необходимых пропорциях, далее проводится синтез материала, его последующее измельчение и введение органической связки для проведения гидравлического и изостатического прессования образцов необходимой формы и размеров. После этого образцы спекают в специальных электрических печах и проводят рентгенографический контроль фазового состава. Затем осуществляется шлифовка образцов до заданного размера и измерение их электрических характеристик в необходимом диапазоне частот. Для проведения измерений в диапазоне радиочастот образцы предварительно металлизируют. Последним этапом является контроль внешнего вида образцов и их упаковка.
Что показали эксперименты
Из разработанного материала был изготовлен зонд, который испытали на высокопольном томографе Bruker с полем 17 Тл в исследовательском центре NeuroSpin, сравнив его с соленоидом, специально оптимизированным под цилиндрический образец диаметром 4 мм и длиной 12 мм. В результате эксперимент показал увеличение соотношения сигнал / шум в два раза в случае использования диэлектрического резонатора.
«Теоретически было предсказано, что чувствительность этого зонда в два раза выше, чем у соленоида, изготовленного из меди — золотого стандарта в магнитно-резонансной микроскопии. Наши эксперименты, проведенные на различных образцах — стеблях и мелких плодах растений, а также на биологических тканях — подтвердили эти теоретические результаты. Основным преимуществом разработанного устройства является повышение чувствительности, что существенно для магнитно-резонансной микроскопии», — комментирует Луиза Чиобану (Luisa Ciobanu), один из авторов статьи, сотрудник исследовательского центра NeuroSpin.
Станислав Глыбовский добавляет, что зонд на основе диэлектрика также оказался довольно простым в использовании по сравнению с соленоидом. Обычно, чтобы добиться максимального соотношения сигнал / шум, перед каждым экспериментом необходимо подбирать емкость конденсаторов и постоянно настраивать параметры катушки, так как частота настройки зависит от свойств исследуемого объекта. В случае использования диэлектрического резонатора сделать это гораздо проще.
«У всех керамических объектов с большим эпсилоном есть минус: их диэлектрическая проницаемость очень сильно зависит от температуры. Например, даже отклонение на пять градусов от комнатной температуры приводит к полной расстройке резонансной частоты в томографе. Но оказалось, что это свойство, наоборот, можно использовать на благо: катушка вместе с образцом была помещена в электронно-управляемое устройство термостабилизации, которое используется для контроля температуры живых объектов. С помощью этого устройства нам удалось установить нужную температуру резонатора так, чтобы настроить нашу катушку на нужную частоту и зафиксировать ее в течение всего сканирования. Таким образом, мы можем, даже не вынимая образец, электронным образом прямо на экране консоли томографа убедиться в том, что наша катушка настроена правильно и подстраивать при необходимости частоту удаленно», — объясняет он.
Перспективы применения и дальнейшие исследования
В магнитно-резонансной микроскопии разрешение получаемых изображений зависит от достижимого отношения сигнал / шум за конкретное время сбора данных (за бОльшее время можно добиться лучшего отношения и, следовательно, получить более высокое качества снимка). Однако в случае с большинством биологических образцов, например, живых клеток и экстрагированных тканей, их сканирование должно производиться очень быстро — за это время образец не должен испортиться, объясняет Луиза Чиобану.
«Увеличение чувствительности в два раза, которое мы получили благодаря зонду на основе керамики, ускорит время сбора данных в четыре раза для того же разрешения. Следовательно, такое устройство перспективно для применения в биологических исследованиях. Помимо магнитно-резонансной микроскопии, такой зонд также может быть очень полезным для ЯМР-спектроскопии (спектроскопия ядерного магнитного резонанса — прим. ред.), которая в отличие от масс-спектрометрии является неразрушающей. Однако из-за своей более низкой чувствительности последняя методика требует много материала. Керамический зонд, описанный в нашей статье, может обеспечить множество ограниченных по массе применений, таких как идентификация новых натуральных продуктов, анализ метаболитов или исследование разложения агрохимикатов и пестицидов», — рассказывает исследователь.
Ориентируясь на первые полученные результаты, специалисты ООО «Керамика» уже приступили к разработке серии новых материалов, чтобы в перспективе разработать для томографа 17 Тл зонд с еще более высокой чувствительностью. Кроме того, как отмечает Станислав Глыбовский, исследователи заинтересованы и в создании зондов с другими формами и размерами, чтобы улучшить микроскопию других типов биологических образцов и in-vivo исследования головного мозга лабораторных животных.
