Вербальная рабочая память (ВРП) — это фундаментальная функция, ответственная за временное хранение и краткосрочную работу с вербальной информацией, необходимая для решения ряда задач: рассуждения, понимания, обучения. Выявление биомаркеров ВРП может помочь в понимании индивидуальных различий когнитивных способностей, а также в диагностике и лечении расстройств памяти [1]. Нарушение рабочей памяти может служить также индикатором развития церебрального патологического процесса. Исследования функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) выявили определенные области мозга и сети, участвующие в функционировании ВРП, такие как префронтальная кора, теменная кора, передняя поясная извилина, гиппокамп и др., которые могут варьировать в зависимости от условий оценки ВРП, индивидуальных психофизиологических характеристик и вида заболеваний [2, 3]. Нейротрансмиттеры дофамин и норадреналин в префронтальной коре участвуют в процессах ВРП и зависят от генов, связанных с рецепторами дофамина (например, DRD2, COMT) и определяют объем и эффективность рабочей памяти [4]. фМРТ и электрофизиологические измерения, выполненные, например, в тестах на P300, N-back и других, дали представление о нейронной активности, связанной с рабочей памятью и ее емкостью. Структурные характеристики мозга, такие как объем серого вещества или целостность белого вещества в областях, поддерживающих рабочую память: в дорсолатеральной префронтальной коре, передней поясной извилине и других, могут коррелировать с показателями рабочей памяти [5–6]. Объем ВРП сокращается при старении, а также нейродегенеративных и сосудистых заболеваниях, таких как хроническая ишемия мозга (ХИМ) [2].

Широкое использование фМРТ послужило дополнительным источником развития представлений о нейроваскулярной единице (НВЕ) — клеточном комплексе, обеспечивающем взаимодействие между BOLD-сигналом и нейронной активностью. НВЕ включает в себя нейроны, глию, эндотелиальные клетки и некоторые другие элементы [7–8]. Процессы, обеспечивающие рабочую память, приводят к активации НВЕ, благодаря этому наблюдаются повышенная активность BOLD-сигналов, нейронных реакций, а также сдвигов сверхмедленной активности. В русскоязычной литературе сверхмедленная активность употребляется наравне с термином «уровень постоянного потенциала» (УПП). Активная работа нейронов при активации рабочей памяти может приводить к изменению рН в НВЕ и как следствие к динамике разности потенциалов между кровью и ликвором. В норме и в состоянии покоя рН спинномозговой жидкости составляет 7,31–7,34, в артериальной крови слегка более щелочной — 7,35–7,45. Судя по расчетам, использующим уравнение Нернста благодаря разности концентрации водородных ионов (https://www.physiologyweb.com/calculators/nernst_ potential_calculator.html), в норме можно наблюдать сдвиг уровня постоянного потенциала на мембране ГЭБ примерно до 9 мВ. Дополнительный сдвиг возможен также за счет разности концентраций других ионов (калия, натрия, хлора). Динамика кислотности меняет сродство гемоглобина к кислороду, тем самым влияя на BOLD-сигнал (эффект Бора) и клеточный ацидоз [9]. Таким образом, сверхмедленная активность милливольтного диапазона отражает в основном сложные энергетические процессы, происходящие в НВЕ, и может служить индикатором состояния ВРП и других церебральных функций, поскольку нарушения кислотно-основного баланса по обе стороны ГЭБ связаны с изменением функционирования нейронов. Динамика сверхмедленных потенциалов милливольтного диапазона, отражающая энергетические характеристики метаболизма, потенциально может играть роль биомаркера энергетических процессов [10–14]. Связь УПП с нейронной активностью неоднозначна. В норме более высоким значениям УПП соответствует более высокая активность нейронов. При патологии, например при развитии нейродегенеративных и сосудистых заболеваний, УПП имеет тенденцию повышаться из-за увеличения закисления мозга в силу нейродегенеративных и атрофических процессов и сосудистой недостаточности, как это, например, происходит при болезни Альцгеймера [15].

Традиционные биомаркеры ВРП, такие как упомянутые ранее тесты на Р300 или N-back, часто коррелируют c различными характеристиками фМРТ в парадигме задач, когда участники выполняют конкретные когнитивные задания. Эти задачи непосредственно активизируют сети рабочей памяти и обеспечивают прямые измерения когнитивных функций и связанных с ними показателей активности мозга. В то же время фМРТ покоя фиксирует спонтанные колебания активности мозга, когда обследуемые находятся в состоянии покоя, без выполнения конкретных заданий, однако при этом достаточно точно отражают состояние ВРП. Нейросети покоя — это участки мозга, которые проявляют синхронизированную активность в состоянии пассивного бодрствования. Очевидно, что состояние, предшествующее когнитивному заданию, решающим образом влияет на выполнение когнитивных тестов. Нейросети в состоянии покоя могут перекрываться с сетями, связанными с задачами; подобная взаимосвязь играет, очевидно, существенную роль для изучения когнитивных функций с помощью нейросетей покоя, а также для поиска биомаркеров. Представлены доказательства того, что области мозга, обладающие функциональной связностью в состоянии покоя, облегчают передачу информации, связанной с когнитивными задачами, между этими же областями мозга [16]. Авторы этой статьи разработали подход для демонстрации взаимосвязи между топологией сети в состоянии покоя и передачей информации в сетях при выполнении задач. Нейросети покоя могут также перекрываться друг с другом, что отражает некоторую фундаментальную закономерность внутренней организации мозга. Корреляционные связи между областями мозга измеряют статистические отношения (корреляции) между активностью нейронов в различных образованиях мозга и показывают, насколько две области мозга синхронизированы (синфазны или противофазны) в этих областях при разных состояниях мозга. Области мозга, в которых наблюдаются сильные корреляционные связи, по определению относятся к одной и той же нейросети покоя. Теоретически возможно, что нейросети могут существовать в двух разных состояниях, и их размеры будут различны в этих состояниях, возможно также, что нейросети из-за многослойной структуры могут коррелировать с несколькими нейросетями. Значительное перекрытие некоторых нейросетей друг с другом предполагает наличие между ними сильных функциональных связей, отражающих общие функциональные роли и скоординированные модели активности в мозге [17–18].

Цель работы — поиск биомаркера, являющегося частью нейросети ВРП у больных хронической ишемией мозга. Этот биомаркер должен быть включен по определению в процесс рабочей памяти, что делает его полезным инструментом для решения исследовательских и прикладных задач. Известные в настоящее время биомаркеры рабочей памяти сопоставляются с данными фМРТ в парадигме задач, в настоящее время не найден биомаркер, который мог бы рассматриваться в парадигме фМРТ покоя. Настоящий подход направлен на устранение этого пробела.

ПАЦИЕНТЫ И МЕТОДЫ

В исследовании участвовали 50 больных хронической ишемией мозга (ХИМ), 16 мужчин и 34 женщины в возрасте 50–85 лет. Средний возраст в выборках мужчин (64,3 ± 2,7) и женщин (66,2 ± 1,5) статистически достоверно не различался, уровень значимости для различий среди мужчин — р = 0,78; для женщин — р = 0,42. Все пациенты были правшами.

При ХИМ нарушается мозговой кровоток по магистральным и мелким артериям головы, что может привести к различным нарушениям работы мозга. Заболевание часто развивается в пожилом и старческом возрасте. Обычно это сопровождается атеросклерозом, гипертонией, диабетической ангиопатией и другими патологическими процессами. Критерии включения пациентов в исследование: наличие стадии начальных проявлений и субкомпенсации ХИМ; в отсутствие у пациентов в повседневной жизни необходимости постоянной опеки со стороны окружающих [19–21]. Критерии исключения: деменция выраженностью 1 балл и более по клинически рейтинговой шкале деменции [22], наличие в анамнезе острых нарушений мозгового кровообращения, черепно-мозговых травм, тяжелой сердечной, почечной недостаточности, некомпенсированных нарушений функций щитовидной железы.

Оценка когнитивных функций

Исследовали вербальную рабочую память (ВРП) по тесту Лурия. Тест был модифицирован с учетом возможностей больных ХИМ. Испытуемым предлагалось запомнить 10 несвязанных между собой слов при пятикратном повторении и сразу воспроизводить их. Учитывалось последнее пятое значение правильно воспроизведенных слов.

Регистрировалась сверхмедленная электрическая активность — уровень постоянного потенциала (УПП) головного мозга. УПП у больных с ХИМ измеряли на пятиканальном приборе «Нейроэнергокартограф» («Статокин»; Россия) с помощью неполяризуемых хлорсеребряных электродов. Активные электроды размещали на голове, референтный электрод — на запястье правой руки. Расположение электродов следующее: вдоль сагиттальной линии — нижне-лобное (F), далее называемое лобным, центральное (С), затылочное (О) отведения; парасагиттально — правые и левые височные отведения (Td) и (Ts). Регистрацию проводили после мероприятий, направленных на контроль и радикальное уменьшение электродных артефактов, при практической элиминации потенциалов кожного происхождения. Расположение электродов соответствовало международной схеме 10–20, в круглых скобках приведены стандартные топографические обозначения. Подробнее о регистрации УПП описано ранее [11].

Исследование функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) покоя

Обследуемым проводили фМРТ покоя головного мозга в последовательности Т2* для получения BOLD-сигнала на магнитно-резонансном томографе Magnetom Verio (Siemens; Германия) с величиной магнитной индукции 3,0 Тл. Исследуемым предлагали максимально расслабиться, лежать спокойно с закрытыми глазами (для исключения стимулирования зрительного анализатора) и не думать о чем-либо конкретном. МРТ-данные обрабатывали в программе SPM12 (Великобритания) в вычислительной среде MATLAB (США). Магнитно-резонансный томограф MAGNETOM Verio (Siemens; Германия) имел напряженность магнитного поля 3,0 Тл. Функциональные сканы были получены в состоянии покоя с использованием T2*-взвешенной последовательности EPI: TR — 1500 мс, TE — 30 мс, flip angle — 70°, толщина среза — 2 мм, FOV — 190 мм, фаза FoV — 100,0%.

С помощью фМРТ покоя анализировали области мозга с активированным BOLD-сигналом и пересекающиеся с источниками генерации сверхмедленной активности мозга, которая регистрировалась неполяризуемыми электродами в нижнем лобном отведении.

Проводились дополнительные допплерографические исследования для исключения патологической асимметрии кровообращения.

Статистическую обработку полученных данных осуществляли с помощью пакета прикладных программ Statistica-12 (Dell; США). Оценивали нормальность распределения по критерию Колмогорова–Смирнова. Вычисляли средние арифметические, стандартные отклонения, стандартные ошибки и дисперсию, проводили однофакторный дисперсионный и корреляционный анализы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Среднее количество слов, которые воспроизводили 50 больных ХИМ после пяти повторений 10 слов, составляет 7,6 слова (стандартная ошибка ± 0,2 слова). Испытуемые были объединены в две группы: 1-я группа (25 человек) воспроизводила после пяти повторений семь и менее слов, испытуемые 2-й группы (25 человек) воспроизводили соответственно восемь и более слов. Среднее значение запомненных слов в первой группе — 6,4 ± 0,2 слова; а во второй — 8,9 ± 0,2 слова. Группы не различались по возрасту (уровень значимости возрастных различий р = 0,91). Средний возраст в 1-й группе — 66,7 ± 2,0 года; во 2-й группе — 64,4 ± 1,8 года.

На рис. 1 показаны области мозга, в которых значения BOLD-сигналов выше во второй группе испытуемых.

При исследовании разности BOLD-сигналов выделяются области с высоким Т-критерием. Далее в круглых скобках приводятся координаты мозга по системе MNI (Monreal Neurologisal Institute), анатомическое название и в некоторых случаях сетевое название. Наиболее активированная область с MNI координатами (–27 –67 6) соответствует левой язычной извилине — Visual network, L. lingual gyrus, которая в данном случае активирована как структура, в первую очередь, рабочей памяти. На рис. 1 эта область находится в перекрестье осей координат. Среди других следует отметить левую постцентральную извилину — Somatomotor network, L. postcentral gyrus (–28 –26 60), левую поясную извилину — Default mode network, L. cingulate gyrus (–28 –51 38), а также левую нижнюю лобную извилину — Language network, L. inferior frontal gyrus (–28 25 8).

В группе больных с хорошей рабочей памятью активация BOLD-сигнала фМРТ существенно выше, чем у пациентов с плохой, что связано с более высокой нейронной активностью в областях, показанных на рис. 1. Это ассоциировано также с более высоким энергетическим обменом в указанных областях и прилегающих к ним регионах, что дает основание предполагать изменение рН и соответственно различия по УПП. Однако у больных с ХИМ часто нарушено церебральное кровообращение. В силу этого активированы нейродегенеративные процессы, приводящие к более высоким УПП у лиц с плохой памятью. У лиц с высокой ВРП ацидоз не выражен, поэтому УПП более низкий. Методом ANOVA найдены достоверные различия для УПП в лобном отведении для лиц с высокими и низкими значениями ВРП в лобном отведении в состоянии покоя и при выполнении когнитивного тестирования (рис. 2А, Б).

Интересно, что различия между двумя группами более значимы в состоянии покоя, а не при выполнении когнитивной задачи (рис. 2А, Б). Это поддерживает представления о том, что нейросети в покое и при выполнении когнитивных тестов в значительной мере перекрываются, особенно если они выполняют близкие задания, связанные, как в данном случае, с решением вербальных задач и концентрацией внимания.

В других отведениях УПП межгрупповые различия менее выражены (см. таблица).

Рассмотрим разность фМРТ у испытуемых, различающихся по УПП в лобном отведении. В первую группу вошли испытуемые, чьи УПП в лобном отведении были менее 6,5 мВ, во вторую — более 6,5 мВ (рис. 3).

На рис. 3 представлено распределение разности активированных вокселей, связанных с группами больных, различных по УПП в лобном отведении.

Использовали сравнение фМРТ в двух группах больных, различающихся по показателям ВРП, и с двумя группами с низкими и высокими показателями УПП. Это позволяет выявить области активации, одновременно обусловленные этими двумя факторами, поскольку одной из возможных причин связи УПП с когнитивными функциями является перекрытие областей, одновременно связанных с рабочей памятью и с генерацией УПП в лобном отведении. Такие области были найдены (рис. 4).

Таким образом, можно понять какие области ответственны за генерацию УПП и почему УПП, в данном случае, является маркером рабочей памяти.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В нашей выборке у больных, включенных во 2-ю группу с более высокой ВРП, показатели практически не отличались от нормы. Это перекликается с данными других авторов о частом отсутствии объективного подтверждения снижения когнитивных функций у сосудистых больных на начальном этапе заболевания даже при наличии субъективных жалоб [23]. У больных с ХИМ, включенных в первую группу с более низкой ВРП, показатели ВРП были характерны для больных сосудистыми или нейродегенеративными заболеваниями, без признаков деменции [23]. Активированные воксели у лиц с более высокой ВРП располагались преимущественно в структурах левого полушария, тогда как области зрительно-пространственной рабочей памяти находятся, главным образом, в правом полушарии [2, 3]. Обнаружен определенный параллелизм между разностью активированных вокселей фМРТ в двух группах памяти и УПП у больных с высокой и низкой рабочей памятью. Представления о связи сверхмедленной активности милливольтного диапазона с нейросетями покоя давно обсуждались в литературе и были подтверждены в исследовании [24]. Авторы статьи не исключают связь этих потенциалов с потенциалами ГЭБ. В настоящей работе показан конкретный механизм подобного взаимодействия, который связан с наличием общего участка в нейросетях ВРП и УПП. По-видимому, этот участок ВРП состоит из нейронов, синергичных с процессами генерации сверхмедленной электрической активности. Остальные участки сети ВРП и УПП генерируются неперекрывающимися участками нейросетей. При активном бодрствовании, например, при выполнении заданий нейросети покоя перестают выполнять прежние задачи, а анатомически близкие области этих сетей, а скорее всего те же самые сети, обладающие мультимодальными нейронами, переключаются на решение других задач, соответствующих новым условиям [16]. При этом емкость ВРП может быть предсказана на основе нейросетей покоя [25]. Похожая закономерность наблюдалась в наших исследованиях, когда различия в сверхмедленной активности в покое и при когнитивной задаче соответствовали различиям в ВРП пациентов с ХИМ. Это можно видеть на примере того, что две группы испытуемых в состоянии спокойного бодрствования и при решении когнитивных задач демонстрируют устойчивые неменяющиеся различия по характеристикам сверхмедленной активности. Так как соотношение показателей УПП (рис. 2) в покое и при выполнении заданий в двух группах больных примерно одинаково, можно думать, что соотношение между активированными (работающими) нейронами сохраняются в обеих группах при этих двух состояниях.

Использование фМРТ покоя открывает новые возможности для выявления биомаркеров, для этого достаточно оценить перекрытие двух нейросетей покоя.

Одна нейросеть покоя — это сеть основного процесса (в данной статье нейросеть ВРП) и вторая нейросеть — это сеть самого биомаркера, т. е. такой синхронизированной группы нейронов, которая ответственна не только за генез основного процесса, но и за такой вид электрических процессов, которые могут быть зарегистрированы неинвазивно. Данный подход к использованию фМРТ покоя снимает основной вопрос о специфичности биомаркера, поскольку специфичность определяется перекрытием сети ВРП с другой нейросетью, функционирование которой может быть зарегистрировано удобным для изучения образом, например, электрофизиологически и неинвазивно, как в данном случае.

ВЫВОДЫ

Рабочая память — это фундаментальная функция, ответственная за временное хранение и обработку информации, необходимой для решения различных когнитивных задач. Биомаркеры рабочей памяти могут помочь понять индивидуальные различия в когнитивных способностях, а также улучшить диагностику и лечение когнитивных нарушений. Рассмотрение рабочей памяти с точки зрения функционирования нейроваскулярной единицы привело к изучению динамики сверхмедленных потенциалов в качестве возможных биомаркеров рабочей памяти. Исследования фМРТ покоя выявили области мозга и сети, участвующие в функционировании рабочей памяти. Некоторые из них перекрываются с участками мозга, генерирующими сверхмедленную активность, которая может быть зарегистрирована в лобном отведении. Эти сверхмедленные потенциалы могут быть рассмотрены как биомаркеры ВРП в силу перекрытия областей мозга, участвующих в процессах рабочей памяти и генерации сверхмедленной электрической активности.