Functional study of the brain based on magnetic resonance imaging in patients with insomnia disorders

Anastasia A. Borshevetskaya; Боршевецкая Анастасия Александровна; Anastasia A. Borshevetskaya; Alexander Yu. Efimtsev; Ефимцев Александр Юрьевич; Alexander Yu. Efimtsev; Gennady E. Trufanov; Труфанов Геннадий Евгеньевич; Gennady E. Trufanov; Yurii V. Sviryaev; Свиряев Юрий Владимирович; Yurii V. Sviryaev; Valeria V. Amelina; Амелина Валерия Всеволодовна; Valeria V. Amelina; Konstantin I. Sebelev; Себелев Константин Иванович; Konstantin I. Sebelev; Yana A. Filin; Филин Яна Альбертовна; Yana A. Filin; Daniil A. Beregovskii; Береговский Даниил Андреевич; Daniil A. Beregovskii

doi:10.17816/rmmar634084

Функциональное исследование головного мозга на основе проведения магнитно-резонансной томографии у пациентов с инсомническими расстройствами

Авторы: Боршевецкая А.А.¹, Ефимцев А.Ю.¹, Труфанов Г.Е.¹, Свиряев Ю.В.¹, Амелина В.В.¹, Себелев К.И.¹, Филин Я.А.¹, Береговский Д.А.¹
Учреждения:
1. Национальный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова
Выпуск: Том 43, № 3 (2024)
Страницы: 261-268
Раздел: Оригинальные исследования
URL: https://journals.eco-vector.com/RMMArep/article/view/634084
DOI: https://doi.org/10.17816/rmmar634084
ID: 634084

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Актуальность. Инсомния оказывает значительное влияние на качество жизни пациентов. Несмотря на прогресс в понимании патофизиологических механизмов инсомнии, возможности объективной ее диагностики остаются недостаточно изученными. Настоящее исследование может внести вклад в понимание нейронных механизмов инсомнии, способствовать разработке новых методов диагностики и лечения, а также персонализировать терапевтические подходы для улучшения качества жизни пациентов с инсомническими расстройствами.

Цель — оценка изменения коннектома головного мозга у пациентов с психофизиологической и парадоксальной инсомнией путем выполнения функциональной магнитно-резонансной томографии.

Материалы и методы. Всего обследован 31 пациент, обратившийся на прием сомнолога в ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова» Минздрава России, с диагностированной хронической инсомнией. Всем пациентам проводилось полисомнографическое исследование с использованием аппаратов Embla N 7000 (Natus, США) и SOMNO HD (SOMNOmedics, Германия) в течение одной ночи с оценкой основных характеристик сна по правилам AASM 2.5. Также всем участникам исследования проведена магнитно-резонансная томография головного мозга на томографах с силой индукции магнитного поля 3,0 Тл в двух временных точках. Статистический анализ данных МРТ проводился с применением пакетов MathLab 2023a, CONN v22.a.

Результаты. Исследование демонстрирует возможности функциональной магнитно-резонансной томографии в получении данных о функциональных связях головного мозга при инсомнии. Обнаруженные изменения в активности различных областей головного мозга, косвенно или напрямую участвующих в регуляции сна и бодрствования, согласуются с наиболее распространенными патогенетическими моделями инсомнии, в частности с теорией гиперактивации и моделью реактивности сна к стрессу.

Заключение. Результаты исследования подчеркивают актуальность изучения функциональных изменений головного мозга при инсомнии, открывая новые возможности для более точной диагностики и разработки персонализированных методов лечения.

Ключевые слова

функциональная МРТ в состоянии покоя, функциональная МРТ, инсомния, коннектом, функциональные связи головного мозга, нарушения сна, полисомнография

Полный текст

АКТУАЛЬНОСТЬ

В настоящее время инсомнию чаще рассматривают как самостоятельное заболевание, коморбидное другим. В международной классификации расстройств сна (МКРС-3) выделяют три клинические формы инсомнии [1]:

Хроническая инсомния (длительность более 3 месяцев).
Острая инсомния (длительность менее 3 месяцев).
Инсомния неуточненная (временный диагноз).

Выделяют 8 клинических форм хронической инсомнии [2]:

психофизиологическая,
идиопатическая,
парадоксальная,
инсомния при нарушении гигиены сна,
детская поведенческая инсомния,
инсомния при психических расстройствах,
инсомния при болезнях внутренних органов,
инсомния при приеме лекарственных или других препаратов.

Нарушения сна могут являться причиной развития сосудистой катастрофы [3], а также плохим прогностическим фактором после перенесенного острого нарушения мозгового кровообращения (ОНМК).

Доказано негативное влияние инсомнии на общее качество жизни человека. Так, в опубликованном в 2014 г. исследовании 54 тысяч человек на протяжении 15 лет утверждается, что инсомния в 2,8 раз повышает риск возникновения дорожно-транспортных происшествий и других травм, связанных с недосыпом [4].

Наличие расстройств сна затрудняет лечение основного заболевания, поэтому крайне важно своевременно выявить и скорректировать эти нарушения, в связи с чем необходимо совершенствовать диагностические алгоритмы и методики нейровизуализации у пациентов данной группы [5].

Ключевую роль в диагностике нарушений сна играет полисомнография (ПСГ) [6, 7]. Исследование заключается в регистрации электроэнцефалограммы, электроокулограммы, подбородочной электромиограммы, потока воздуха, сатурации кислорода, дыхательных усилий и электрокардиограммы или подсчета частоты сердечных сокращений.

В клинической практике для постановки диагноза инсомния достаточно жалоб и данных дневника сна. ПСГ проводят для исключения других нарушений сна, а также с целью диагностического поиска функциональных отклонений головного мозга.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) головного мозга в контексте диагностики нарушений сна применяется для визуализации возможных органических и нейродегенеративных состояний, которые могут являться как причиной, так и возможными осложнениями хронической инсомнии [3]. При этом с помощью последовательностей (BOLD, Т2*) возможно исследовать функциональную активность различных областей головного мозга в состоянии покоя и при различных парадигмах. При активации группы нейронов отмечается повышение метаболической активности, в результате которой диамагнитный оксигемоглобин трансформируется в парамагнитный дезоксигемоглобин [8]. Кроме того, увеличиваются область мозгового кровотока и объем церебральной крови без увеличения скорости потребления кислорода. Когда оксигенированная кровь поступает в место повышенной активности, метаболизированный дезоксигемоглобин вымывается и локальная концентрация гемоглобина в венах и капиллярах выражено увеличивается. Это, в свою очередь, приводит к значительному увеличению локального градиентного эхо, которое длится в течение нескольких секунд и на изображениях отображается как гиперинтенсивный сигнал, чувствительный по T2* — косвенный МР-признак нейрональной активации [9].

Для оценки получаемых изображений применяется специализированное программное обеспечение (ПО) на базе MatLab (Conn toolbox), FSL, позволяющее совмещать полученные функциональные данные с анатомическим субстратом, анализировать индивидуальные особенности, а также выделять статистически значимые результаты в исследуемой группе пациентов [10, 11].

Диагностическая информация, полученная в ходе исследования, объективно отражает состояние функциональной связности отделов головного мозга и может использоваться в качестве динамической оценки результатов медикаментозного и нейрохирургического лечения.

Однако в настоящее время функциональная МРТ (фМРТ) не получила широкого клинического применения, хотя успешно используется в ведущих зарубежных неврологических и нейрохирургических клиниках, а также в научных исследованиях, изучающих мозговую деятельность [10, 12–13].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В настоящее исследование включен 31 пациент в возрасте от 20 до 65 лет, обратившийся на прием сомнолога в ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова» Минздрава России.

Все пациенты проконсультированы врачом-сомнологом с проведением тестирования по шкалам, после была выполнена ПСГ, по результатам которой участники распределены на 3 группы:

группа 1: пациенты с хронической инсомнией, подтвержденной по данным ПСГ — 25 человек (45,45 %);
группа 2: пациенты с хронической инсомнией, без патологических изменений по данным ПСГ (парадоксальная инсомния) — 6 человек (10,91 %);
группа 3: здоровые добровольцы — 24 человека (43,64 %).

Критериями включения в группы хронической инсомнии (1 и 2) были подписанное информированное согласие, жалобы на нарушение засыпания, поддержания сна, ночные и/или ранние пробуждения три и более раз в неделю на протяжении трех и более месяцев, нарушающие дневное самочувствие.

В исследование не были включены пациенты со значимой острой и хронической сопутствующей патологией, онкологическими заболеваниями, противопоказаниями к проведению МРТ, а также пациенты, принимающие психотропные препараты.

В контрольную группу (n = 24) вошли пациенты без жалоб на нарушения засыпания и поддержание сна, при отсутствии критериев невключения в исследование (наличие тяжелых психических заболеваний, препятствующих участию в исследовании; наличие выраженных когнитивных расстройств, препятствующих участию в исследовании и соблюдению всех процедур; наличие тяжелых соматических заболеваний — онкологических, соматических заболеваний в стадии декомпенсации или терминальной стадии, препятствующих участию в исследовании).

Всем пациентам проведено комплексное МР-исследование на базе ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова» Минздрава России на томографе с силой индукции магнитного поля 3 Тл, с применением специальной МР-катушки для головы Head Coil, включающее:

традиционную МРТ в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (Т1-, Т2-, TIRM, MPRAGE — Magnetization Prepared Rapid Acquired Gradient Echoes — градиентное эхо с подготовкой магнетизации и быстрым сбором для совмещения данных фМРТ с анатомическими структурами головного мозга);
функциональную МРТ в состоянии покоя (импульсная последовательность BOLD — Blood Oxygen Level Dependent) для оценки изменений рабочих сетей головного мозга, объема участков активации, положительно или отрицательно связанных с выбранной зоной.

Параметры импульсных последовательностей традиционной и функциональной МРТ представлены в таблице.

Таблица. Параметры применяемых импульсных последовательностей при выполнении структурной и функциональной МРТ

Table. Acquisition parameters applied for structural and resting-state functional MRI

Тип последовательности, плоскость	Толщина среза, мм	Размер вокселя, мм³	TR, мс	TE, мс
Т2 tse, tra	5	0,7 × 0,7 × 5,0	4000	113
T2 TIRM, tra	5	0,7 × 0,7 × 5,0	7000	93
Т2 tra, cor	4	0,7 × 0,7 × 3,5	5500	90
T1 tse, tra	4	1,0 × 1,0 × 1,2	2800	2,46
T1 MPRAGE, sag iso	1	1,0 × 1,0 × 1,2	2300	2,83
BOLD, tra	4	1,7 × 1,7 × 1,7	3000	45
Примечание. TR — время повторения, TE — время эхо.

Протокол фМРТ в состоянии покоя выполняли в двух временных точках: вечером перед сном и утром после пробуждения.

Постпроцессинг полученных МР-данных выполнялся на ПО Conn v.22.a на базе MatLab. Для анализа данных использовались программы Jamovi и MatLab 2022a.

Для обработки материалов применялись следующие математико-статистические процедуры: описательная статистика (минимум, максимум, медиана), критерий Колмогорова–Смирнова для оценки нормальности распределения показателей, в зависимости от характеристик данных (шкала переменной, количество значений и нормальность распределения) использовались U-критерий Манна–Уитни и хи-квадрат Пирсона для анализа демографических данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При статистическом групповом анализе данных фМРТ в покое в двух временных точках у пациентов с хронической инсомнией, подтвержденной по данным ПСГ, по сравнению с пациентами контрольной группы получены следующие данные (рис. 1–4):

Усиление функциональной связности (ФС):

между дополнительной моторной корой и угловой извилиной справа;
миндалиной и парамедианной долькой левой гемисферы мозжечка.

Ключевые функции, контролируемые данными областями, включают согласование сигналов вестибулярного аппарата, вегетативные реакции, асинхронные движения левой верхней и нижней конечности.

Ослабление ФС:

между ростральной частью префронтальной коры и надкраевой извилиной справа;
внутришпорной корой слева и передней частью левой островковой доли;
надкраевой извилиной справа и левым отделом таламуса;
медиальной префронтальной корой слева и латеральной затылочной корой;
корой поясной и левой клиновидной извилины.

Ключевые функции областей с ослабленной связностью включают сложное когнитивное поведение, ощущение схемы тела, регистрацию движений зрительными анализаторами.

Рис. 1. Функциональные связи головного мозга у пациентов с хронической инсомнией, в сравнении с данными здоровых добровольцев. Вечерняя контрольная точка. Синим отмечены связи, демонстрирующие ослабление ФС, красным — усиленную ФС

Fig. 1. Functional connections in chronic insomnia group, compared to control group data. Evening control point. Blue lines demonstrate weaker functional connectivity, the red ones show stronger connectivity

Рис. 2. Схема функциональных связей головного мозга у пациентов с хронической инсомнией в сравнении с данными здоровых добровольцев. Вечерняя контрольная точка. Синим отмечены связи, демонстрирующие ослабление ФС, оранжевым — усиленную ФС

Fig. 2. Functional connections in chronic insomnia group, compared to control group data. Evening control point. Blue lines demonstrate weaker functional connectivity, the orange ones show stronger connectivity

Рис. 3. Схема функциональных связей головного мозга у пациентов с хронической инсомнией в сравнении с данными здоровых добровольцев. Утренняя контрольная точка. Синим отмечены связи, демонстрирующие ослабление ФС, красным — усиление ФС

Fig. 3. Functional connections in chronic insomnia group, compared to control group data. Morning control point. Blue lines demonstrate weaker functional connectivity, the red ones show stronger connectivity

Рис. 4. Функциональные связи головного мозга у пациентов с хронической инсомнией в сравнении с данными здоровых добровольцев. Утренняя контрольная точка. Синим отмечены связи, демонстрирующие ослабление ФС

Fig. 4. Functional connections in chronic insomnia group, compared to control group data. Morning control point. Blue lines demonstrate weaker functional connectivity

В утренней контрольной точке ФС у пациентов с хронической инсомнией, подтвержденной по данным ПСГ, по сравнению с пациентами контрольной группы отмечались следующие особенности (рис. 3–4):

Усиление ФС:

между зоной Брока, 8-м и 10-м полями Бродмана;
правой парагиппокампальной извилиной и зоной Брока.

Ключевые функции, осуществляемые зонами усиленной коннективности: обработка данных слуховых анализаторов, прямых зрительных сигналов, управление автореферентными и социально-когнитивными функциями, дискриминационная чувствительность.

При этом определялось ослабление функциональной коннективности:

между отделами височной извилиной справа и передней правой островковой коры;
сетью покоя (передняя часть левой островковой доли) и медиальным отделом височной извилины справа;
задним отделом средней височной извилины и оперкулярными отделами нижней лобной извилины.

Ключевые функции сетей с ослаблением ФС: обработка данных слуховых анализаторов, прямых зрительных сигналов, управление автореферентными и социально-когнитивными функциями, дискриминационная чувствительность.

У пациентов с парадоксальной инсомнией в утренней контрольной точке отмечалось усиление ФС вторичной сенсомоторной коры (левая височная извилина, клиновидная кора с обеих сторон), которая осуществляет обработку вторичных зрительных и слуховых сигналов и анализ их значения (рис. 5).

Рис. 5. Функциональные связи головного мозга у пациентов с парадоксальной инсомнией в сравнении с данными здоровых добровольцев. Утренняя контрольная точка. Синим отмечены связи, демонстрирующие ослабление ФС, красным — усиление ФС

Fig. 5. Functional connections in paradoxical insomnia group, compared to control group data. Morning control point. Blue lines demonstrate weaker functional connectivity, the red one shows stronger connectivity

При этом ослаблена ФС сетей покоя (вентральной части левой островковой доли), участвующих в управлении автореферентными и социально-когнитивными функциями, с затылочной корой слева, префронтальной и клиновидной корой справа.

Также ослаблена функциональная связность мозжечка, в частности его червя, со средней лобной извилиной, контролирующей реципрокную чувствительность и регулирующей сети внимания, левой дольки мозжечка со структурами бледного шара, который является узловым аппаратом, где происходит интеграция двигательных актов, как произвольных, так и рефлекторных (рис. 6).

Рис. 6. Функциональные связи головного мозга у пациентов с парадоксальной инсомнией, в сравнении с данными здоровых добровольцев. Утренняя контрольная точка. Синим отмечены связи, демонстрирующие ослабление ФС, красным — усиленную ФС

Fig. 6. Functional connections in paradoxical insomnia group, compared to control group data. Morning control point. Blue lines demonstrate weaker functional connectivity, the red one shows stronger connectivity

В вечерней контрольной точке выражено усилены функциональные связи латеральных сенсомоторных систем с клиновидной корой слева и внутришпорной корой справа (рис. 7, 8).

Рис. 7. Функциональные связи головного мозга у пациентов с парадоксальной инсомнией в сравнении с данными здоровых добровольцев. Вечерняя контрольная точка. Синим отмечены связи, демонстрирующие ослабление ФС, красным — усиленную ФС

Fig. 7. Functional connections in paradoxical insomnia group, compared to control group data. Evening control point. Blue lines demonstrate weaker functional connectivity, the red ones show stronger connectivity

Рис. 8. Функциональные связи головного мозга у пациентов с парадоксальной инсомнией в сравнении с данными здоровых добровольцев. Вечерняя контрольная точка. Синим отмечены связи, демонстрирующие ослабление ФС, красным — усиленную ФС

Fig. 8. Functional connections in paradoxical insomnia group, compared to control group data. Evening control point. Blue lines demonstrate weaker functional connectivity, the red ones show stronger connectivity

Эти области вовлечены в организацию и воспроизведение концептуальных знаний о конкретных объектах и действиях, обработку вторичных зрительных сигналов на различных уровнях.

Также отмечалось усиление связности извилины Гешля с внутришпорной корой с обеих сторон и медиальным отделом зрительной коры.

Указанные отделы участвуют в распознавании речи, определении удаленности от источника звука и в анализе прямых сигналов от зрительных анализаторов.

Ослабление функциональных связей отмечалось между таламусом справа и полюсом височной коры слева, в сетях работы по умолчанию с обеих сторон, между нижней височной извилиной и затылочно-височной извилиной, а также между правым и левым отделами фронтопариетальной коры и верхней лобной извилиной.

Ключевые функции областей с усиленными функциональными связями: обработка сенсорных (зрительных, слуховых и вкусовых) сигналов, запоминание, двигательные реакции, семантическая и социально-эмоциональная обработка, функционирование кратковременной памяти и реализация ряда когнитивных исполнительных функций.

По сравнению с контрольной группой выявленные изменения имели статистически достоверные различия (p < 0,05).

Обнаруженные изменения в активности различных мозговых областей, косвенно или напрямую участвующих в регуляции сна и бодрствования, представляют практический интерес с точки зрения дифференциальной диагностики клинических форм хронической инсомнии. Дальнейшее исследование патогенетических механизмов требует воспроизведения с большей выборкой пациентов с целью совершенствования методов терапии инсомнических расстройств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящее исследование демонстрирует возможности фМРТ в получении данных о функциональных связях головного мозга при инсомнии. Так, в группе пациентов с хронической инсомнией в вечернее время отмечалось усиление функциональных связей преимущественно моторной коры и вербальных анализаторов. При этом ослабление связности было более выражено в сенсорных системах (слуховая кора, волокна зрительного пути), что частично согласуется с теорией гиперактивации.

В то же время выраженное ослабление областей, вовлеченных в сложное социально-когнитивное поведение в утренние часы, может коррелировать с избыточной дневной сонливостью у пациентов с хронической инсомнией.

В группе пациентов с хронической инсомнией, не подтвержденной по данным ПСГ, также отмечалось усиление связности сенсорных систем, наиболее усиленных от зрительной, поясной коры и извилины Гешля. Однако, в отличие от пациентов первой группы, дополнительно выявлено ослабление функциональной связности отделов коры, участвующей в консолидации и функционировании памяти.

Результаты исследования подчеркивают актуальность изучения функциональных изменений головного мозга при инсомнии, открывая новые возможности для более точной диагностики и разработки персонализированных методов лечения.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Финансирование. Финансирование работы не проводилось.

Этическая экспертиза. Исследование проводилось в рамках диссертационной работы, одобренной этическим комитетом ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова», выписка № 0310-22 из протокола заседания ЛЭК № 10-22 от 03.10.2022.