В практической офтальмологии при хирургии катаракты пациентам все чаще имплантируются мультифокальные интраокулярные линзы (мфИОЛ), которые образуют на сетчатке глаза несколько фокусов. Подобные интраокулярные линзы позволяют человеку хорошо видеть и вдали, и вблизи, несмотря на отсутствие физической аккомодации. Однако в литературе описаны различные изменения качества зрения у людей с имплантированными мфИОЛ [1][2]. В связи с этим исследование механизмов нейроадаптации человека представляется необходимым. Параметры подобных процессов можно оценить с помощью современного метода исследования – функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ).

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) позволяет выполнять картирование нейрональной активности на основании изменения интенсивности BOLD-сигнала (англ. BOLD – Blood Oxygenation Level Dependent), который определяется содержанием деоксигенированного гемоглобина в сосудах головного мозга [3]. В частности, данный метод длительное время применяется для исследования функциональной активности зрительной области коры головного мозга [4].

Для вызова кортикальной функциональной активности используются так называемые парадигмы исследования [5]. Парадигма исследования включает в себя последовательность стимулов или когнитивных задач, вызывающих активацию коры головного мозга, а также временные характеристики предъявления этих стимулов и прогноз реакции на их выполнение [6].

Частным случаем парадигмы исследования является парадигма с блоковым дизайном. В этом случае активация коры головного мозга достигается во время предъявления некоторых стимулов (чаще предъявление занимает 20–30 секунд), которое чередуется с периодами («эпохами») без предъявления данных стимулов (чаще около 30–40 секунд) [6]. Эти периоды «включения» и «выключения» (англ. – ON & OFF periods) стимула чередуются все время исследования (например, 5 минут), на протяжении которого непрерывно регистрируется BOLD-сигнал. Такой тип парадигмы исследования считается проверенным и достаточно надежным [7].

В качестве стимула, избирательно и сравнительно локально активирующего первичную зрительную кору, широко используется так называемый элемент Габора (либо фигура Габора) [8]. В частности, элемент Габора применялся в исследовании нейроадаптации зрительной коры головного мозга человека после имплантации мфИОЛ [9].

Цель исследования: определить изменение характера активации зрительной области коры головного мозга в ответ на стимуляцию после операции по установке мультифокального искусственного хрусталика.

Исследовано 22 пациента в возрасте от 45 до 65 лет (55 ± 5,2 года) с катарактами различной степени зрелости, которым была проведена билатеральная имплантация мультифокального хрусталика. Работа выполнена с февраля по декабрь 2022 г. Все процедуры с участием людей соответствуют этическим стандартам институционального и/или национального комитета по исследовательской этике и Хельсинкской декларации 1964 года и ее последующим изменениям или сопоставимым нормам этики. От каждого из участников было получено информированное добровольное согласие.

Критериями исключения являлись: сопутствующая патология глаз, сахарный диабет, коллагенозы, неврологическая патология.

Всем 22 пациентам из этой группы выполнена структурная нейровизуализация и BOLD-фМРТ-исследование до операции и через 1 месяц после операции.

Сканирование производили на 3.0 Тл томографе Siemens MAGNETOM® Verio, A Tim+Dot System, оборудованном 8-канальной катушкой для головы пациента.

Для структурной визуализации протокол исследования включал импульсную последовательность 3D T1 MPRAGE, которая в дальнейшем использовалась для корегистрации с данными фМРТ-исследования.

Всем пациентам проведена ф-МРТ головного мозга, в качестве стимула при выполнении BOLD-фМРТ использовался элемент Габора, ориентированный на 90°, с пространственной фазой 180° и 10 уровнями контрастности (рис. 1). Стимул был надпороговым в отношении восприятия цветового контраста для всех пациентов, что определялось в начале исследования при опросе пациента.

Элемент Габора предъявлялся на белом экране с поворотным механизмом для переключения между нейтральным серым фоном и собственно элементом Габора. По периферии установлена подсветка в виде белых и красных LED-лент, что позволяло «засвечивать» элемент Габора по периметру экрана (рис. 2).

Блоковая парадигма BOLD-фМРТ (рис. 3) состояла из чередования трех периодов покоя (взор пациента фиксирован на нейтрально-сером фоне) длительностью 30 секунд каждый и трех периодов предъявления элемента Габора по 30 секунд каждый. Параметры сканирования: TR = 3000 мс, TE = 30 мс, размер воксела – 3 × 3 × 3 мм. Первое сканирование выполнялось с незасвеченным элементом Габора. Далее – сканирование на фоне засветки элемента Габора белым холодным светом LED-ленты по периметру экрана. Затем – сканирование с применением красной LED-засветки с такой же светимостью по периферии экрана. Нейтральный фон не подсвечивался.

Оценивали представление ответа на стимуляцию первичной зрительной коры с помощью элемента Габора. Данные фМРТ (положительный BOLD-эффект) обрабатывали с помощью программного пакета SPM 12 (statistical parametric mapping) в среде Matlab R2017a. Коррекция артефактов движения выполнялась по стандарту генеральной линейной модели (generalized linear model, GLM).

Основными этапами пространственного препроцессинга являлись перестройка изображения с целью коррекции движений головы, корегистрация MPRAGE T1-изображения и функциональных МРТ-сканов, нормализация функциональных данных в стандартизированном пространстве MNI-152 (использована версия пространства MNI-152, интегрированная в SPM 12), пространственное сглаживание результирующего изображения. Далее создавались карты максимальной интенсивности (maximum intensity projection, MIP) на основе вычисления t-контрастов для периодов стимуляции.

Первоначально проводилась оценка исследований на индивидуальном уровне для установления характера активации зрительной коры в ответ на стимуляцию незасвеченным и засвеченным элементами Габора у каждого пациента (здесь и в дальнейшем использовались результаты на уровне достоверности p < 0,05). Оценку индивидуальных данных делали с учетом поправки на множественность пикселей – FWE (Family Wise Error). Устанавливался кластер пиковой активации с локальной максимой в пределах зрительной коры головного мозга. По координатам пространства MNI описывалась область расположения локальной максимы (относительно извилин и цитоархитектонических полей коры головного мозга).

Для оценки расположения зон активации в пространстве MNI-152 (в соответствии с извилинами и полями по Бродману) использовали приложение AAL3 для SPM12, интегрированное в среду Matlab. Описание локальных максим и кластеров пиковой активации приводится в соответствии с рекомендациями [10].

Карты максимальной интенсивности, полученные в ходе исследования каждого пациента, в отдельности использовали для групповой статистической оценки (так называемой оценки второго уровня). Первоначально устанавливали обобщенный паттерн активации зрительной коры в ответ на стимуляцию до и после проведения операции. Далее групповой анализ проводили с использованием парного t-теста (paired t-test) для статистического сопоставления паттернов активации до и после операции без засветки элемента Габора.

С использованием критерия χ 2 сравнивали частоту вовлечения значимых для зрительного процессинга областей головного мозга в кластер пиковой активации до и после операции. С использованием t-теста для парных выборок сравнивали активацию коры головного мозга без и на фоне засветки элемента Габора до и после операции, а также активацию коры при засветке белым и красным светом.

Результаты статистической оценки первого уровня (индивидуального): в целом отмечается воспроизводимость и локальность фМРТ-ответа при выполнении парадигмы исследования. Однако выявлен умеренный межиндивидуальный разброс корковых ответов.

После операции отмечается более локальная, тяготеющая к области шпорной борозды, активация, в то время как до операции она носит более диффузный характер. Пример изменения активации после проведенной операции приведен на рис. 4.

Результаты статистической оценки второго уровня (группового): характер активации коры головного мозга в ответ на предъявление элемента Габора до операции при групповом анализе «второго уровня» (n = 22) иллюстрирует рис. 5.

Нами найдены два статистически достоверных кластера пиковых активаций d в области затылочной зрительной коры у пациентов до операции при предъявлении элемента Габора без засветки: 1) в области левой средней затылочной извилины (93 % кластера по объему) и верхней левой затылочной извилины (6,45 % кластера по объему), общий объем кластера – 837 мм 3; 2) практически билатерально симметричный, более крупный кластер в области шпорной борозды и язычной извилины слева и справа (включая первичную зрительную кору) общим объемом 2835 мм 3. Максимальная активация отмечается в области левой средней затылочной извилины.

Характер активации коры головного мозга в ответ на предъявление элемента Габора после проведения операции при групповом анализе «второго уровня» (n = 22) иллюстрирует рис. 6.

Отмечается статистически достоверный обширный кластер пиковых активаций, включающий области левой средней затылочной извилины (9,65 % кластера по объему), язычной извилины слева (9,97 % кластера по объему) и справа (5,95 % кластера по объему), области шпорной борозды слева (8,56 % кластера по объему) и справа (6,34 % кластера по объему). Кластер занимает в основном затылочную кору головного мозга, но также распространяется в фузиформную извилину и предклинье теменной доли. Общий объем кластера – 76 626 мм 3. Максимальная активация отмечается в подушке таламуса справа и язычной извилине слева. В целом после операции отмечается более выраженная и обширная активация зрительной коры со сходным расположением локальных максим.

По результатам сравнения среднегрупповых (усредненных) изображений, полученных в условиях стимуляции элементом Габора белым и красным светом до и после операции на одной и той же выборке пациентов (n = 17), получены данные, которые иллюстрирует рис. 7.

При исследовании до оперативного вмешательства при предъявлении элемента Габора с белой засветкой на усредненных среднегрупповых картах отмечается локальная максима с t = 14,62 в области шпорной борозды справа, также выраженная активация в области шпорных борозд и язычных извилин билатерально. Кластер имеет объем 39 933 мм 3 и распространяется в фузиформную извилину и кору предклинья.

При исследовании до оперативного вмешательства при предъявлении элемента Габора с красной засветкой на усредненных среднегрупповых картах отмечается локальная максима с t = 12,31 в области язычной извилины справа, также выраженная активация в области шпорных борозд и язычных извилин билатерально. Основной кластер пиковых активаций в затылочной области имеет объем 5751 мм 3 (статистически значимо меньший, чем при использовании белой засветки, p < 0,05). Отмечаются признаки меньшей выраженности и протяженности гемодинамических перестроек по сравнению с исследованием на фоне белой засветки. Применение как белой, так и красной засветки вызывает у пациентов до проведения операции более выраженную кортикальную активацию, чем предъявление элемента Габора без засветки, что подтверждается применением парного t-теста.

При исследовании после оперативного вмешательства в условиях белой засветки элемента Габора отмечается пиковая активация с t = 18,88 в области шпорной борозды слева, также мощно активируются клин и язычные извилины билатерально. Главный кластер пиковых активаций зрительной коры имеет центр в области шпорных борозд (объем 23 544 мм 3) и распространяется в фузиформную извилину. В целом ответ коры несколько ниже, чем при исследовании с аналогичной белой засветкой до оперативного вмешательства, что подтверждается применением парного t-теста.

При исследовании после оперативного вмешательства в условиях красной засветки элемента Габора на усредненных изображениях отмечена пиковая активация с t = 16,41 в области язычной извилины слева. Также выявлены признаки существенных гемодинамических перестроек в области язычных извилин и шпорных борозд билатерально. Главный кластер пиковых активаций в затылочной области имеет объем 9423 мм 3 и распространяется в фузиформную извилину. Таким образом, активация коры при исследовании с красной засветкой после операции меньше, чем при исследовании с белой засветкой и без засветки элемента Габора, что подтверждается применением парного t-теста.

По результатам проведенного исследования установлено достоверное, но неоднозначное изменение нейрональной активности коры головного мозга в ответ на различные варианты стимуляции у пациентов после имплантации мфИОЛ. Усиление активации шпорной борозды и язычной извилины, а также активация фузиформной извилины и предклинья теменной доли могут говорить об усилении анализа зрительных стимулов вследствие имплантации мфИОЛ. Однако нельзя дать однозначный ответ, что активацию упомянутых зон головного мозга вызвали именно мультифокальные ИОЛ. В дальнейшем результаты данного исследования будут сравнены с результатами аналогичного исследования с участием пациентов, которым будут имплантированы монофокальные ИОЛ.