Метод индивидуальной оценки активности коры головного мозга человека с помощью комплементарной оценки глутамата методом МРС и BOLD‑сигнала

Аннотация

Современные методические возможности магнитно-резонансной томографии принципиально позволяют проводить индивидуальную оценку как уровня функциональной активности мозга в покое и при реализации деятельности методом функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), так и концентраций целого ряда химических веществ (ключевых метаболитов, таких как холин, N‑ацетиласпартат, креатин, лактат, липиды, аланин, глутамин и глутамат, ГАМК, мио‑инозитол) методом магнитно-резонансной спектроскопии (МРС), востребованную и при фундаментальных исследованиях мозга, и при диагностических исследованиях. Однако описания способа сопоставления таких индивидуальных оценок, которое необходимо для изучения связи между конкретными метаболитами и функциональной активностью мозга, нами в литературе не найдено. В работе дано описание разработанного нами способа сопоставления данных индивидуальных фМРТ и МРС, применение которого позволило подтвердить существование нейрофизиологического феномена усиления функциональных связей между областями мозга при снижении уровня их функциональной активности во время обеспечения деятельности.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Вклад авторов

А.Д. Коротков, М.В. Киреев, Д.В. Чередниченко – концепция и руководство работой; А.Д. Мызников, И.М. Краснов – проведение исследований; М.Д. Дидур, Д.В. Чередниченко, М.В. Киреев – обсуждение результатов исследования; А.Д. Коротков, А.Д. Мызников, И.М. Краснов, М.В. Киреев – написание текста; М.Д. Дидур, Д.В. Чередниченко – редактирование текста статьи.

Финансирование

Данное исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 23-18-00521).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в финансовой или какой-либо иной сфере.

Соблюдение этических норм

Все процедуры, выполненные в исследованиях с участием людей, соответствуют этическим стандартам национального комитета по исследовательской этике и Хельсинкской декларации 1964 года и ее последующим изменениям или сопоставимым нормам этики. От каждого из включенных в исследование участников было получено добровольное информированное согласие, все процедуры которого были разрешены Комитетом по этике Института мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН.

Список литературы

1. Fornito, A. (2023) Brain organization: from cells and circuits to systems and networks, in Handbook of Neuropsychology, Volume 2: Neuroscience and neuromethods (Brown, G. G., Crosson, B., Haaland, K. Y., and King, T. Z., eds) American Psychological Association, Washington, p. 3-32, https://doi.org/10.1037/0000308-001.

2. Бехтерев В. М. (1896) Проводящие пути спинного и головного мозга: руководство к изучению внутр. связей мозга, К.Л. Риккер, Санкт-Петербург.

3. Бехтерева Н. П. (1971) Нейрофизиологические аспекты психической деятельности человека, Медицина, Ленинград.

4. Медведев С. В., Пахомов С. В. (1989) Динамическая организация мозговых систем, Наука, Ленинград.

5. Медведев С. В., Машарипов Р. С., Коротков А. Д., Киреев М. В. (2023) Характеристики вовлечения скрытых звеньев в системную активность мозга по данным фМРТ, Физиол. Чел., 49, 3-16.

6. Kireev, M., Slioussar, N., Korotkov, A. D., Chernigovskaya, T. V., and Medvedev, S. V. (2015) Changes in functional connectivity within the fronto-temporal brain network induced by regular and irregular Russian verb production, Front. Hum. Neurosci., 9, 36, https://doi.org/10.3389/fnhum.2015.00036.

7. Gerchen, M. F., and Kirsch, P. (2017) Combining task‐related activation and connectivity analysis of fMRI data reveals complex modulation of brain networks, Hum. Brain Mapp., 38, 5726-5739 https://doi.org/10.1002/hbm.23762.

8. Satake, T., Taki, A., Kasahara, K., Yoshimaru, D., and Tsurugizawa, T. (2024) Comparison of local activation, functional connectivity, and structural connectivity in the N-back task, Front. Neurosci., 18, 1337976, https://doi.org/10.3389/fnins.2024.1337976.

9. Zheltyakova, M., Korotkov, A., Masharipov, R., Myznikov, A., Didur, M., Cherednichenko, D., Wagels, L., Habel, U., Kireev, M., and Votinov, M. (2022) Social interaction with an anonymous opponent requires increased involvement of the theory of mind neural system: an fMRI study, Front. Behav. Neurosci., 16, 807599, https://doi.org/10.3389/fnbeh.2022.807599.

10. Epp, S., Castrillón, G., Yuan, B., Andrews-Hanna, J., Preibisch, C., and Riedl, V. (2023) Two distinct modes of hemodynamic responses in the human brain, bioRxiv, https://doi.org/10.1101/2023.12.08.570806.

11. Mishra, A. M., Ellens, D. J., Schridde, U., Motelow, J. E., Purcaro, M. J., DeSalvo, M. N., Enev, M., Sanganahalli, B. G., Hyder, F., and Blumenfeld, H. (2011) Where fMRI and electrophysiology agree to disagree: corticothalamic and striatal activity patterns in the WAG/Rij rat, J. Neurosci., 31, 15053-15064, https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0101-11.2011.

12. Zheltyakova, M. A., Myznikov, A. D., Korotkov, A. D., Knyazeva, I. S., Masharipov, R. S., Cherednichenko, D. V., and Kireev, M. V. (2025) Brain activity during the recognition of emotions from eye expressions, Neurosci. Behav. Physi., 55, 1131-1142, https://doi.org/10.1007/s11055-025-01870-4.

13. Zheltyakova, M., Kireev, M. V., Myznikov, A., Cherednichenko, D., Didur, M., and Korotkov, A. (2026) Brain Human network for reading the mind from the eyes: beyond activated and deactivated regions, SCAN, 21, nsag042, https://doi.org/10.1093/scan/nsag042.

14. Hall, C. N., Howarth, C., Kurth-Nelson, Z., and Mishra, A. (2016) Interpreting BOLD: towards a dialogue between cognitive and cellular neuroscience, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 371, 20150348, https://doi.org/10.1098/rstb.2015.0348.

15. Pasanta, D., He, J. L., Ford, T., Oeltzschner, G., Lythgoe, D. J., and Puts, N. A. (2023) Functional MRS studies of GABA and glutamate/Glx – a systematic review and meta-analysis, Neurosci. Biobehav. Rev., 144, 104940, https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2022.104940.

16. Boillat, Y., Xin, L., Van Der Zwaag, W., and Gruetter, R. (2020) Metabolite concentration changes associated with positive and negative BOLD responses in the human visual cortex: a functional MRS study at 7 Tesla, J. Cereb. Blood Flow Metab., 40, 488-500, https://doi.org/10.1177/0271678X19831022.

17. Oldfield, R. C. (1971) The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory, Neuropsychologia, 9, 97-113, https://doi.org/10.1016/0028-3932(71)90067-4.

18. Schmidtmann, G., Jennings, B., Sandra, D., Pollock, J., and Gold, I. (2020) The McGill Face database: validation and insights into the recognition of facial expressions of complex mental states, Perception, 49, 1-20, https://doi.org/10.1177/0301006620901671.

19. Gasparovic, C., Song, T., Devier, D., Bockholt, H. J., Caprihan, A. G., Mullins, P. G., Posse, S., Jung, R. E., and Morrison, L. A. (2006) Use of tissue water as a concentration reference for proton spectroscopic imaging, Magn. Reson. Med., 55, 1219-1226 https://doi.org/10.1002/mrm.20901.

20. Masharipov, R., Knyazeva, I., Korotkov, A., Cherednichenko, D., and Kireev, M. (2024) Comparison of whole-brain task-modulated functional connectivity methods for fMRI task connectomics, Commun Biol., 7, 1-21, https://doi.org/10.1038/s42003-024-07088-3.

21. Masharipov, R. S., Didour, M. D., Cherednichenko, D. V., and Kireev, M. V. (2026) Studying task-modulated functional connectivity using functional magnetic resonance imaging, Neurosci. Behav. Physiol., 56, 98-114, https://doi.org/10.1007/s11055-026-01954-9.

22. McLaren, D. G., Ries, M. L., Xu, G., and Johnson, S. C. (2012) A generalized form of context-dependent psychophysiological interactions (gPPI): a comparison to standard approaches, Neuroimage, 61, 1277-1286, https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2012.03.068.

23. Schousboe, A. (2017) A Tribute to Mary C. McKenna: glutamate as energy substrate and neurotransmitter – functional interaction between neurons and astrocytes, Neurochem. Res., 42, 4-9, https://doi.org/10.1007/s11064-015-1813-9.

24. Andersen, J. V., and Schousboe, A. (2023) Milestone review: metabolic dynamics of glutamate and GABA mediated neurotransmission – the essential roles of astrocytes, J. Neurochem., 166, 109-137, https://doi.org/10.1111/jnc.15811.

25. Cooper, A. J. L. (2001) Role of glutamine in cerebral nitrogen metabolism and ammonia neurotoxicity, Ment. Retard. Dev. Disabil. Res. Rev., 7, 280-286 https://doi.org/10.1002/mrdd.1039.

26. Martin, D. L., and Rimvall, K. (1993) Regulation of γ‐aminobutyric acid synthesis in the brain, J. Neurochem., 60, 395-407, https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.1993.tb03165.x.

27. Li, H., Rodríguez-Nieto, G., Chalavi, S., Seer, C., Mikkelsen, M., Edden, R. A. E., and Swinnen, S. P. (2024) MRS-assessed brain GABA modulation in response to task performance and learning, Behav. Brain Funct., 20, 22, https://doi.org/10.1186/s12993-024-00248-9.

28. Craven, A. R., Dwyer, G., Ersland, L., Kazimierczak, K., Noeske, R., Sandøy, L. B., Johnsen, E., and Hugdahl, K. (2024) GABA, glutamatergic dynamics and BOLD contrast assessed concurrently using functional MRS during a cognitive task, NMR Biomed., 37, e5065, https://doi.org/10.1002/nbm.5065.

29. Ip, I. B., Emir, U. E., Parker, A. J., Campbell, J., and Bridge, H. (2019) Comparison of neurochemical and BOLD signal contrast response functions in the human visual cortex, J. Neurosci., 39, 7968-7975, https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3021-18.2019.

30. Ip, I.B., Berrington, A., Hess, A. T., Parker, A. J., Emir, U. E., and Bridge, H. (2017) Combined fMRI-MRS acquires simultaneous glutamate and BOLD-fMRI signals in the human brain, NeuroImage, 155, 113-119, https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2017.04.030.

31. Taylor, R., Neufeld, R. W. J., Schaefer, B., Densmore, M., Rajakumar, N., Osuch, E. A., Williamson, P. C., and Théberge, J. (2015) Functional magnetic resonance spectroscopy of glutamate in schizophrenia and major depressive disorder: anterior cingulate activity during a color-word Stroop task, NPJ Schizophr., 1, 15028, https://doi.org/10.1038/npjschz.2015.28.

32. Willard, S. S., and Koochekpour, S. (2013) Glutamate, glutamate receptors, and downstream signaling pathways, Int. J. Biol. Sci., 9, 948-959, https://doi.org/10.7150/ijbs.6426.

33. Gsell, W., Burke, M., Wiedermann, D., Bonvento, G., Silva, A.C., Dauphin, F., Bührle, C., Hoehn, M., and Schwindt, W. (2006) Differential effects of NMDA and AMPA glutamate receptors on functional magnetic resonance imaging signals and evoked neuronal activity during forepaw stimulation of the rat, J. Neurosci., 26, 8409-8416, https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.4615-05.2006.