Позитронно эмиссионная томография Луис Соколофф, Мартин Ривич и Дэвид Кул 1976 год

16 августа 1976 г. на двух здоровых добровольцах была впервые испытана позитронно‑эмиссионная томография. Вырабатывать в голове человека антивещество и проводить там его аннигиляцию, чтобы увидеть работу мозга, придумал Луис Соколофф. Это был психоаналитик, разочаровавшийся в том, чем занимался, из‑за своей беспомощности. Подглядывая за активностью разных областей мозга, неожиданно для самого себя он дал онкологам ценнейший инструмент. Только позитронное сканирование позволяет узнать точно, пережила опухоль химиотерапию или на рентгене видны всего лишь ее останки.

Луис Соколофф – американец, рожденный в 1921 г. в семье эмигрантов из России. Свою фамилию он произносил с ударением на первом слоге. Вырос в Южной Филадельфии, где в то время мальчику с Третьей улицы лучше было не появляться на Второй. И если с пришельцем происходили вполне предсказуемые неприятности, ребята с Третьей затевали жестокую перестрелку из рогаток с соседями. Случались увечья вплоть до потери глаза. В школе вражда принимала форму соревнования в успеваемости, где Луис одержал победу, окончив с лучшим баллом. Это давало право на бюджетное место в Университете штата Пенсильвания. Там Соколофф заинтересовался клеточной биологией, работал лаборантом. И быть бы ему сравнительно далеким от медицины генетиком, не начнись Вторая мировая война.

 

Когда в 1943‑м американская армия высадилась в Европе, даже бакалавров призывали рядовыми. Научный руководитель посоветовал Соколоффу подать документы в медицинскую школу при том же университете, чтобы получить право на отсрочку. Готовили там военных врачей, со строевой подготовкой, чтением карт и противотанковыми учениями. Пока шел ускоренный курс, война закончилась, но Соколофф оставался военнослужащим, и ему предстояла интернатура, также ускоренная, год за девять месяцев. По очереди интерны практиковались в хирургии, акушерстве и гинекологии, лабораторных исследованиях, неврологии и психиатрии.

Как самое интеллектуальное направление, Соколоффу импонировала психиатрия. Госпитали были забиты контуженными с боевым неврозом (посттравматическим расстройством), который лечили психоанализом. Его эффективность так увлекла Соколоффа, что он вызвался дослуживать положенный срок как военный психиатр.

Но очень скоро закрались сомнения в универсальности психотерапии. Не происходят ли в иных случаях такие изменения работы мозга, которые не поправишь словом?

Уход нашего героя из психиатрии несколько напоминает легенду о Будде. Родители скрывали от царевича Сиддхартхи существование страданий, окружая только здоровой и веселой молодежью. Его представление о мире перевернулось, когда он в 29 лет выбрался из дворца и встретил сначала старика, потом паралитика и покойника. Потрясенный царевич ушел из дворца, принял имя Гаутама, начал изучать философию, наконец, достиг просветления и стал Буддой.

Путь Соколоффа определили несколько его пациентов: солдат, внезапно научившийся владеть парализованной рукой; раненый с амнезией, который вдруг вспомнил свою жизнь, и нимфоманка, спокойно отказавшаяся от секса на время Великого поста.

Такие внезапные перемены в работе мозга должны были иметь какое‑то объяснение. Соколофф задал себе вопрос: «Что происходит с мозгом во время панических атак?» Психоаналитики, начиная с Фрейда, лечили приступы страха, не постигая их физической основы. Между тем панические атаки материальны, выявляются при электроэнцефалографии. Но что означают ее данные? Какие нейроны работают неправильно, меняя электрическую активность всего мозга?

Будда в своих духовных исканиях пришел к тому, что ум человека – это не вещь, а сознание не поддается измерению и вычислению. Соколофф, напротив, решил измерить работу мозга и оценить ее математически. По окончании военной службы в 1949 г. он обратился к преподавателю своей медицинской школы, доктору Сеймуру Кети, который в университетской лаборатории измерял объем и скорость кровотока в сосудах мозга.

Момент оказался удачный: Кети как раз получил грант на новое исследование и у него была вакансия. На такую зарплату можно было нанять двух врачей, но, подумав, Кети отдал Соколоффу всю ставку, потому что энтузиазма юного доктора хватало на двоих.

Измеряя кровоток и сравнивая концентрацию газов в артериях и венах, они устанавливали расход кислорода в мозге. Чем эта величина выше, тем больше производится и потребляется энергии. Оказалось, что падает она лишь при коме или обмороке. Мозг спящего сжигает столько же кислорода, сколько мозг бодрствующего, и шизофреник в этом отношении не отличается от здорового индивида.

Когда это было опубликовано, среди ученых нашлось немало «буддистов», которые высмеивали результаты как очевидные, прибавляя, что мысль нематериальна. А стало быть, потребление энергии при умственной работе нулевое или бесконечно малое. Тогда Соколофф и Кети решили измерить кровоток отдельной области мозга, стимуляция которой наиболее наглядна. Была выбрана зрительная кора, а в качестве подопытного животного – кошка.

Идея состояла в следующем: когда нам есть на что смотреть, отвечающие за зрение и обработку сигнала центры мозга активнее поглощают из крови кислород и другие газы. Кровь обогащали радиоактивным йодом‑131, вводя газообразный трифторйодметан: газы преодолевают гематоэнцефалический барьер, который защищает мозг от случайно попавших в кровь примесей. Едва изотоп собирался в зрительном центре, животному отрубали голову. Мозг замораживали и разрезали на тонкие пластинки. Затем каждую пластинку накладывали на рентгеновскую пленку, которая засвечивалась под богатыми изотопом участками. Получалась своего рода томограмма.

Чтобы показать различия в работе мозга нормального и больного животного, некоторым кошкам зашивали один глаз. Причем делать это приходилось без анестезии, потому что стимулировать зрительный центр под наркозом бессмысленно. Полученные снимки стали первой в мире визуализацией мозговой активности.

На этот опыт ушло пять лет упорного труда, и он лишь подтверждал давно известное. Физиологи и психиатры установили зону ответственности каждого участка мозга еще в Первую мировую, когда хватало раненных в голову.

Самому Соколоффу исследование кровоснабжения области мозга представлялось попыткой изучать быт по водопроводу и канализации. Вот установлено, сколько обитатели нашей квартиры израсходовали воды, когда они стирают белье и чем болеют. Но главу семьи так не выявишь: для этого надо знать, сколько каждый из нас тратит денег.

Внутри мозга всего лишь одна ходячая монета – глюкоза. Когда в 1957 г. Соколофф писал главу для справочника по физиологии, он показал, что сахара – единственный источник энергии для клеток мозга. Белки и жиры не проходят гематоэнцефалический барьер. Казалось бы, достаточно скормить животному глюкозу с радиоактивным углеродом и потом узнать, какая из клеток больше его накопила. Но не тут‑то было. Глюкозу в мозгу тратят так же быстро, как зарплату в магазине: за полторы минуты от нее остается углекислый газ, который тут же выводится с кровью.

 

Случайно, работая по совсем другой теме, Соколофф узнал, что дезоксиглюкоза, которая отличается от глюкозы отсутствием одного атома кислорода, вызывает кому. Разделывать ее быстро ферменты нейронов не умеют, и она накапливается. Это как если бы зарплату выдавали не наличными, а кирпичами – их надо еще продать, на что требуется время. Соколофф запомнил это соединение.

От мысли пометить его радиоактивным углеродом‑14 пришлось отказаться: этот изотоп живет долго, потому что распадается медленно. Более радиоактивные тяжелые металлы не пройдут гематоэнцефалический барьер. Нужно, чтобы сама клетка мозга стала источником радиации, которую может засечь прибор. Соколоффу попалась работа химиков Брукхейвенской лаборатории об антивеществе.

Что такое антивещество, или антиматерия, мы до конца не понимаем. Возможно, это материя, которая движется нам навстречу во времени: из будущего в прошлое. Электрон в антимире имеет положительный заряд и называется позитроном. Когда он образуется при распаде, например, изотопа фтор‑18, то немедленно аннигилирует с первым попавшимся электроном. При этом вся масса обеих частиц превращается в энергию, испускаемую в форме гамма‑излучения. Чтобы устроить встречу с антимиром внутри мозга, можно заменить атом водорода в дезоксиглюкозе атомом радиоактивного фтора‑18: химические свойства почти те же, а гематоэнцефалический барьер подмены не заметит.

В 1968 г. чехословацкие химики разработали реакцию такой замены, и Соколофф опубликовал несколько впечатляющих снимков функциональной активности мозга обезьяны. В 1975 г. заведующий кафедрой неврологии в университетской больнице штата Пенсильвания Мартин Ривич предложил Соколоффу подготовить такой эксперимент на человеке. «Да как же вы станете рубить головы пациентам? – спросил Соколофф. – Разве что после того, как они оплатили ваши счета и им больше нечего терять!» Оказалось, в 1973‑м на кафедре ядерной медицины в той же больнице сделали томограф со счетчиком, способным вращаться вокруг головы пациента, снимая показания слой за слоем.

Эксперимент 16 августа планировали десятки ученых: изотоп фтора получали бомбардировкой атомов неона в циклотроне на острове Лонг‑Айленд, а томографию выполняли в Филадельфии, за 270 километров от ускорителя. Это час на самолете. Время полураспада изотопа фтор‑18 составляет 110 минут, причем два часа было нужно, чтобы ввести его в молекулу дезоксиглюкозы. Это значило, что ко времени начала исследования от полученного в ускорителе фтора останется в лучшем случае четверть и времени переделать опыт не будет.

Счет шел на минуты. К счастью, 16 августа 1976 г. стояла чудесная ясная погода, перелет прошел по графику и два добровольца превосходно перенесли процедуру. Снимки получились довольно низкого качества, а результаты выглядели весьма скромно: в пересчете на 100 граммов зрительная кора потребляла 10,27 миллиграмма глюкозы, а белое вещество – 3,8 миллиграмма. Но это была первая визуализация работы мозга живого человека!

Поскольку опыт вели неврологи, они первыми использовали позитронную эмиссию в клинической практике. При хирургическом лечении эпилепсии есть проблема поиска специфического очага, который вызывает судороги. В промежутках между приступами он потребляет глюкозы меньше нормы, поэтому обнаруживается при помощи ПЭТ, после чего можно провести его деструкцию.

Сообщением нейрохирургов заинтересовались онкологи, о которых Соколофф и не думал. Вспомнили эффект, открытый Отто Варбургом еще в 1931 г.: раковые клетки активно потребляют глюкозу, это их любимый источник энергии. Поскольку ПЭТ фиксирует как раз поглощение глюкозы, она дает ценнейшую информацию – живы ли еще клетки опухоли или погибли после курса химио‑ либо радиотерапии. В этом преимущество ПЭТ перед прочими методами, которые только показывают опухоль.

Как только возникла перспектива широкого практического применения, нашлись огромные деньги на совершенствование позитронно‑эмиссионной томографии. За 10 лет изобрели способы удешевить производство изотопа и ускорить его введение в дезоксиглюкозу.

Шагнула вперед и наука о клеточных мембранах. Мы узнали, на что нейроны тратят свою глюкозу. Оказалось, всего лишь на перемещение через мембрану ионов: натрий в одну сторону, калий в другую. Наши движения, мысли, чувства и воспоминания возникают от того, что нервные клетки качают ионы. А когда они перестают это делать, возникает паркинсонизм или болезнь Альцгеймера, наступает старение и сама смерть.

Что, если, пока человек еще остается собой, установить при помощи позитронно‑эмиссионной томографии, сколько каждая клетка потратила глюкозы в какой‑то произвольный момент? Сделать мгновенную фотографию работы мозга, со всеми рефлексами, эмоциями, раздумьями; нанеся ее на трехмерную карту расположения нейронов, получить цифровую копию сознания индивида. И таким образом обессмертить его личность, хотя бы в компьютерной памяти.

Эта идея неизменно вызывала у Соколоффа улыбку. Во всяком случае, при посторонних.

Примечание

Бросив психоанализ, Соколофф освоил математику, чтобы самостоятельно оценивать результаты своих тяжелых экспериментов и не губить даром подопытных кошек. В частности, для оценки скорости переработки глюкозы в пересчете на определенный вес мозговой ткани он вывел формулу с тремя интегралами.

Один из его лучших постдоков, канадец Мишель де Розье, был переученный гуманитарий. Очень хорошо и точно измерял все, что ему поручали, но у него было худо с математикой. И когда назначили новый эксперимент, результаты которого описывала эта формула, де Розье в субботу (свободный академический день) пришел к своему руководителю Соколоффу и сказал: «Я не понимаю, что мы делаем и зачем. Профессор, объясните, ради бога!» Соколофф бился с ним до вечера, но втолковать не смог. На следующий день, в воскресенье, в свой законный выходной, он повторил вывод формулы шаг за шагом, составляя для каждого нового уравнения комментарий, понятный для де Розье. И обнаружил ошибку! Которую тут же исправил. Сейчас на этой формуле основан весь математический аппарат ПЭТ/КТ.

Источник информации:

«Сто рассказов из истории медицины»

Михаил Шифрин