Капля чернил в стакане воды расплывается быстро и равномерно. Но если вода зажата между плотно упакованными шариками, чернильное облачко ползёт медленно и причудливо — огибает препятствия, застревает в узких горлышках. Примерно так же движутся молекулы воды в живой ткани. В опухоли мозга клетки стоят тесно, а пространство между ними напоминает лабиринт с пережатыми ходами.
Обычная МРТ показывает этот лабиринт смазанно. Но если менять время, в течение которого аппарат «слушает» сигнал от молекул воды, можно уловить, как далеко они успевают уйти. На коротких задержках вода только начинает разбегаться и чувствует ближайшие стенки. На длинных — её движение тормозит уже не одна клетка, а вся путаница проходов. Этот эффект называют зависимостью диффузии от времени.
Авторы работы построили модель TRACED, которая раскладывает МРТ-сигнал на четыре составляющие: долю внутриклеточной воды, разброс размеров клеток, истинную подвижность воды в межклеточных щелях и извилистость этих щелей (параметр, который физики называют извилистостью). Для быстрого расчёта сигналов нейросеть обучили на тысячах симуляций диффузии в виртуальных упаковках сфер разного диаметра. А чтобы перенести эти знания на реальные данные пациентов, применили перенос обучения: сеть, натренированную на симуляциях, дообучали прямо в ходе подгонки под клинические измерения.
Модель испытали на восьми пациентах с глиомами разной степени злокачественности. У двоих результаты сравнили с гистологией — тонкими срезами опухоли, изученными под микроскопом. Размеры клеток, полученные неинвазивно, совпали с измерениями на стекле. Это значит, что TRACED позволяет заглянуть в ткань на уровне отдельных клеток, не делая разреза.
Такой подход напоминает работу детектива, который по дрожанию паутины вычисляет, где именно сидит паук. Вместо паутины — градиенты магнитного поля, вместо паука — клетка. И чем точнее мы считываем эту дрожь, тем яснее видим архитектуру опухоли.
Размер клеток глиомы может различаться в десять раз — от 5 до 50 микрометров. Это как если бы в одной комнате стояли теннисный мяч и арбуз.
В романе «Особое мнение» Филипа Дика преступников вычисляют по предсказаниям мутантов. Модель TRACED тоже «предсказывает» структуру опухоли по косвенным следам — только вместо ясновидящих здесь градиенты магнитного поля.