Функциональные и структурные характеристики головного мозга при левосторонней амблиопии у детей

Введение

Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из наиболее информативных неинвазивных методов определения анатомо-морфологического статуса головного мозга, при этом тенденцией научно-клинических исследований последних лет стало внедрение мультимодальных подходов, где структурные протоколы дополняются данными о функциональных особенностях. И хотя данные функциональной МРТ (фМРТ) ещё используются в ограниченном числе областей медицины, развитие методов обработки получаемых изображений существенно объективизирует результаты и ускоряет их анализ, что, очевидно, ставит вопрос о трансляции их в клиническую практику.

В предыдущем исследовании мы изучали данные структурной и функциональной МРТ покоя при анизометропической амблиопии [1]. У детей с левосторонней амблиопией (ЛСА) выявлены межполушарные различия в толщине серого вещества латеральной затылочной коры, локальной согласованности гемодинамического сигнала внутри первичной зрительной коры и функциональной связанности первичной и вторичной областей зрительной коры.

Повторное обращение к этому анализу связано с несколькими факторами. Во-первых, по ряду фрагментов работы была увеличена выборка пациентов. Во-вторых, в настоящей работе анализировали показатель межполушарной асимметрии (МПА), что дало возможность сопоставить полученные данные с результатами недавно опубликованного большого мультицентрового исследования МПА головного мозга [2]. И, наконец, в настоящей работе были дополнительно проанализированы две области головного мозга: верхняя теменная долька, которая является частью дорсального зрительного пути [3], вовлечена в обеспечение процессов зрительно-моторного внимания [4] и в которой был обнаружен гипометаболизм у больных с амблиопией [5], а также височно-затылочная часть нижней височной извилины и область латеральной затылочно-височной борозды, являющиеся частью вентрального зрительного пути [3].

Целью настоящей работы стало определение показателей МПА по структурным и функциональным показателям и выявление корреляций этих показателей между собой, а также с клиническими характеристиками у детей с ЛСА.

Материалы и методы

Выборка

Отбор испытуемых в экспериментальную группу осуществлён одним из авторов настоящего исследования — канд. мед. наук И.Е. Хаценко согласно следующим критериям: анизометропия, отсутствие косоглазия, ЛСА высокой степени с длительным (более года) неэффективным лечением в анамнезе, отсутствие перинатальной и врождённой патологии. В группу для проведения МРТ были включены 20 пациентов с ЛСА, однако по итогам проверки качества изображений анализируемая выборка для структурной МРТ составила 17 человек (возраст 6,2–15,1 года; средний возраст 9,5 ± 2,5 года; 9 мальчиков и 8 девочек), для фМРТ покоя — 14 человек (возраст 6,2–15,1 года; средний возраст 9,5 ± 2,5 года; 8 мальчиков и 6 девочек). Демографические данные и результаты офтальмологического обследования детей представлены в табл. 1. Острота зрения лучшего глаза (visus OD) у детей этой группы была в пределах возрастной нормы; значения остроты зрения амблиопичного глаза были в диапазоне 0,015–0,300.

Магнитно-резонансная томография

МРТ проводили на томографе «3Т Philips Ingenia» в ГБУЗ «Морозовская ДГКБ ДЗМ». T1-взвешенные изображения были получены с использованием последовательности турбо-полевого эхо (TR = 8 мс; TE = 4 мс; FA = 8°; размер воксела 0,6 × 1,0 × 1,0 мм, 250 срезов, межсрезовое расстояние 0).

Функциональные T2*-взвешенные изображения получали с помощью эхо-планарной последовательности (TR = 2 с; TE = 35 мс; FA = 90°; 300 объёмов; 34 среза; матрица 64 × 64; размер воксела 3,12 × 3,12 × 3,12 мм; межсрезовое расстояние 0,31 мм, примерное время сканирования 10 мин).

Обработка структурной МРТ

Т1-взвешенные изображения были обработаны в пакете FreeSurfer v. 7.4.1¹, который позволяет получить детальные анатомические реконструкции головного мозга для испытуемых старше 5 лет. Использованные алгоритмы FreeSurfer: нормализация интенсивности, удаление немозговой ткани из изображений, присваивание анатомических меток (например, таламус, гиппокамп, желудочки и т. д.) каждому вокселу [6–8]. Далее были реконструированы модели кортикальных поверхностей и определены показатели толщины серого вещества коры с использованием алгоритмов, описанных ранее [9–13]. В итоге для каждого испытуемого были получены средние показатели толщины серого вещества (в мм) для двух полушарий согласно атласам [14, 15], а также показатели объёма серого вещества (в мм³) для подкорковых образований согласно атласу aseg FreeSurfer.

Для последующего анализа были выбраны следующие области коры в левом и правом полушариях: латеральная затылочная, язычная извилина, верхняя теменная доля из атласа [14], а также область латеральной затылочно-височной борозды из атласа [15]. Кроме того, в качестве областей интереса были выделены следующие участки коры:

1) зона V1 (поле Бродмана 17) — первичная зрительная кора;

2) зона V2 (поле Бродмана 18) — вторичная зрительная кора;

3) V5/MT — среднее височное поле в соответствии с атласами [16, 17].

Также для анализа был выбран таламус в каждом полушарии.

Обработка данных фМРТ покоя

Предварительную обработку T2*-взвешенных и вспомогательных в данном случае T1-взвешенных изображений проводили в пакетах SPM12² и CONN [18], версия 22.a (RRID:SCR_009550) [19]. Все изображения ориентировали параллельно плоскости, проходящей через переднюю и заднюю комиссуры. Выполняли следующие процедуры: поправку на неодновременность регистрации срезов; корректировку артефактов движения в функциональных изображениях; корегистрацию T1-взвешенных изображений с T2*-взвешенными; сегментацию Т1-взвешенных изображений на объёмы серого, белого вещества и спинномозговой жидкости; пространственную нормализацию всех изображений; пространственное сглаживание функциональных изображений с использованием фильтра Гаусса (8 мм). Сегментацию выполняли на основе вероятностных карт серого, белого вещества и спинномозговой жидкости, созданных для выборки данного возраста и пола с использованием Template-O-Matic Toolbox³ [20]. Вероятностные карты создавали на основе анатомических изображений 404 детей 4,75–18,58 лет [21]. Все вышеуказанные процедуры выполняли в пакете SPM12. С использованием пакета CONN выявляли объёмы, являющиеся выбросами по движению головы или общему изменению яркости; устраняли из анализа компоненты, потенциально связанные с шумом, с помощью линейной регрессии; применяли частотный фильтр 0,008–0,090 Гц.

В качестве областей интереса для анализа данных фМРТ покоя в каждом полушарии были выбраны первичная (поле Бродмана 17) и вторичная (поля Бродмана 18+19) зрительная кора; нижняя латеральная затылочная кора; язычная извилина; верхняя теменная долька; височно-затылочная часть нижней височной извилины. Маски первичной и вторичной зрительной коры созданы с использованием пакета marsbar⁴ на основе атласа полей Бродмана⁵; разделение масок по полушариям выполнено с использованием атласа AAL [22]. Оба атласа включены в пакет MRIcron v1.0.20190902⁶. Маски остальных областей были выделены согласно атласу Harvard-Oxford⁷, адаптированному для использования в CONN. Размер воксела всех масок был приведён в соответствие с функциональными данными.

По всем указанным маскам был рассчитан средний показатель локальной согласованности гемодинамического сигнала (local correlation, LCOR) в левом и правом полушариях. Данный показатель отражает согласованность функционирования локальной области головного мозга и определяется как среднее значение коэффициентов корреляции между данным вокселом и областью соседних вокселов (в нашем анализе FWHM = 25 мм).

Анализ асимметрии

Все статистические расчёты проводили в R (версия 4.2.1). Для каждого анализируемого показателя толщины коры, объёма подкорковых образований и LCOR были рассчитаны индексы асимметрии (ИА) по формуле:

ИА = (лево – право)/(0,5 × [лево + право]).

Положительные значения свидетельствуют о левосторонней ассиметрии, отрицательные — о правосторонней [2]. Далее были проведены два вида анализа с использованием обобщённых линейных моделей (функция glm пакета stats v4.2.1). Произведена оценка значимости показателя МПА и связанных с возрастом изменений МПА. В обоих случаях в качестве зависимой переменной выступал ИА, а в качестве независимой в первом анализе — свободный коэффициент, для определения наличия асимметрии (значимого отличия от нуля); во втором анализе — возраст и возраст в квадрате для определения связи возраста с ИА. В первом случае размер эффекта рассчитывали по формуле: d = t/sqrt(df) (значение t-статистики, разделённое на квадратный корень числа степеней свободы) [23]. Во втором случае размер эффекта был рассчитан как показатель парциального коэффициента корреляции: r = t/(sqrt[t² + df]) [23].

Полученные результаты корректировали на множественность сравнений (количество тестируемых зон интереса) по методу FDR (q = 0,05) отдельно для показателей структурной МРТ и фМРТ покоя.

Кроме того, дополнительно были рассчитаны общие линейные модели для значимых ИА показателей LCOR с независимой переменной — количеством искажённых из-за движения T2*-взвешенных изображений, для проверки влияния этого показателя на результаты исследования.

Корреляционный анализ

Проведён корреляционный анализ между значимыми ИА и остротой зрения в левом, поражённом глазу, а также между значимыми ИА структурных и функциональных показателей в анатомически пересекающихся областях.

В расчётах использовали обобщённые линейные модели, где независимая переменная — ИА, а зависимая — острота зрения. В качестве дополнительной независимой переменной во всех моделях учитывали возраст, в моделях с ИА подкорковых образований дополнительно учитывали интракраниальный объём, а в моделях с ИА LCOR — количество искажённых из-за движения T2*-взвешенных изображений. Размеры эффекта рассчитаны как показатели парциального коэффициента корреляции: r = t/(sqrt[t² + df]) [23]. Результаты корректировали на множественность сравнений (по количеству корреляций) по методу FDR (q = 0,05) отдельно для показателей структурной МРТ и фМРТ покоя.

Результаты

Структурная МРТ

Статистически значимая асимметрия толщины серого вещества обнаружена в латеральной затылочной коре (ИА = –0,034; p = 0,0012; d = −0,99).

Также была выявлена значимая левосторонняя МПА по объёму таламуса (ИА = 0,018; p = 0,0275; d = 0,61). При этом по результатам второго анализа ИА всех указанных показателей не коррелировал с возрастом.

Функциональная МРТ покоя

Значимая МПА показателей локальной согласованности гемодинамического сигнала обнаружена в следующих областях: нижняя латеральная затылочная кора (ИА = –0,088; p < 0,0001; d = −2,14), первичная (ИА = 0,253; p < 0,0001; d = 4,5) и вторичная зрительная кора (ИА = –0,095; p < 0,0001; d = –2,19) и язычная извилина (ИА = –0,133; p < 0,0001; d = –3,68).

При этом по результатам дополнительного анализа ИА всех указанных показателей не коррелировал ни с возрастом, ни с количеством искажённых из-за движения T2*-взвешенных изображений.

Корреляционный анализ

По результатам корреляционного анализа не обнаружено статистически значимых корреляций.

Обсуждение

Проведённое исследование выявило значимые МПА по структурным и функциональным показателям у детей с ЛСА, хотя значимых корреляций этих показателей между собой и с клиническими характеристиками (остротой зрения в здоровом и амблиопичном глазу) не обнаружено. Последнее, вероятно, отражает более локальную, чем было проанализировано, патологию в структуре и функции анализируемых областей головного мозга.

Сопоставляя результаты с данными предыдущего исследования, можно указать на подтверждение на большей по объёму выборке правополушарной асимметрии для толщины серого вещества латеральной затылочной коры. Данная область ассоциируется со зрительным распознаванием объектов [24] и входит в сеть восприятия лиц [25]. Отсутствие группы контроля не позволяет однозначно интерпретировать данный результат, однако нормативные данные [2] указывают также на правополушарную асимметрию, хотя и с существенно меньшей величиной эффекта (–0,19 в нормативной выборке по сравнению с –0,99 в нашей выборке). Исходя из такой разницы в размерах эффекта, одной из интерпретаций обнаруженной правосторонней асимметрии может являться неравномерный онтогенез кортикального серого вещества в левом и правом полушариях. Так, по данным крупнейшего к настоящему моменту мультицентрового исследования возрастной траектории изменений кортикального серого вещества [26], толщина коры в латеральной затылочной области в возрасте 3–15 лет снижается в среднем с 2,504 до 2,246 мм в левом полушарии, и с 2,571 до 2,313 мм — в правом (приведены данные 50% центилей), т. е. в среднем на 10,3% в левом полушарии и на 10,0% — в правом. Таким образом, различие в величине эффекта обнаруженной в настоящем исследовании правосторонней латеритизации и нормативными данными [2] предположительно может быть обусловлено разной скоростью онтогенетических изменений толщины кортикального серого вещества в левом и правом полушариях. Так, S. Qi и соавт. показано, что у детей с анизометропической амблиопией по сравнению со здоровым контролем наблюдается повышенная толщина коры как в левой, так и в правой латеральной затылочной коре [27], причём размер эффекта справа был больше, чем слева — 1,5 по сравнению с 1,1 (размер эффекта рассчитан по данным указанной статьи с использованием функции t_to_d пакета R effectsize v.0.8.9). Однако в указанной работе анализировали смешанную выборку детей как с ЛСА, так и с правосторонней амблиопией. Таким образом, сопоставление полученных данных со здоровым контролем станет дальнейшим направлением настоящей серии исследований.

Кроме того, перспективными для исследования могут быть и данные об отсутствии значимой МПА. Например, у детей школьного возраста для височно-затылочной коры описан преимущественно левополушарный фокус по данным фМРТ и, более того, бóльшая выраженность смещения влево коррелирует с лучшим выполнением задачи на зрительное внимание [28] — в то время как в нашей выборке данная асимметрия отсутствовала, что, с осторожностью, можно также рассматривать как определённое отклонение. Правополушарная асимметрия для данных фМРТ (как патологический феномен) была описана, например, у детей с расстройствами аутистического спектра [29].

Заключение

Проведённое исследование, по своему наполнению являющееся уникальным для отечественной науки, позволило выявить статистически значимую МПА для структурных и функциональных (локальная согласованность BOLD-сигнала) показателей ряда областей головного мозга у детей с ЛСА. Полученные результаты позволят лучше понять механизмы заболевания, являются значимыми для раскрытия структурно-функциональных основ работы головного мозга.

¹URL: https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu

²URL: https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software

³URL: https://neuro-jena.github.io/software.html#tom

⁴URL: https://github.com/marsbar-toolbox/marsbar

⁵URL: https://people.cas.sc.edu/rorden/mricro/lesion.html

⁶URL: https://www.nitrc.org/projects/mricron

⁷URL: https://cma.mgh.harvard.edu