Электрическая стимуляция мозга: можно ли «быстро выучить математику и языки» без побочных эффектов?

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

Партнер номинации — Российский научный фонд.

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Спонсор конкурса — : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Более 5 миллионов человек в мире страдают от разной формы параличей, основные причины которых — инсульт (34%) и повреждение спинного мозга (24%).

Инсульт в настоящее время является одной из основных причин инвалидизации населения. В России ежегодно регистрируется более 450 000 инсультов, и инвалидами становятся 70–80% выживших после инсульта, причём примерно 20–30% из них нуждаются в постоянном постороннем уходе.

За последние 70 лет количество больных с травмой спинного мозга возросло в 200 раз, и в России подобные повреждения ежегодно получают более 8 000 человек. Чаще всего это приводит к неспособности больного самостоятельно передвигаться и обеспечивать свои основные потребности. В результате использования инвалидной коляски уменьшается физическая активность, что провоцирует развитие ряда заболеваний: болезни сердца, остеопороз, пролежни. Поэтому идет активный поиск альтернативных методов восстановления способности двигаться. Одной из самых новых разработок в этом направлении является нейроинтерфейс.

Нейроинтерфейс (он же интерфейс «мозг-компьютер», ИМК) — система, позволяющая передавать сигналы мозга напрямую на внешнее устройство (это может быть инвалидная коляска, экзоскелет, компьютер и др.), фактически управлять «силой мысли» (рис. 1).

В «‎Биомолекуле» можно более подробно прочитать про историю развития нейрокомпьютерных технологий, а также про современный проект Neuralink Илона Маска [1], [2].

Рисунок 1. Схема работы ИМК.

адаптировано по материалам сайта Tritriwulansari

Показания к ТЭС-терапии

Электростимуляцию мозга назначают при разных болезнях и состояниях человеческого организма:

• боли различной природы (головная боль, невралгия, радикулит, травмы, фантомные боли);
• шоковое состояния после стрессов;
• повышение артериального давления;
• болезни сердца;
• болезни органов ЖКТ;
• ЛОР-патологии;
• абстинентные синдромы;
• наркомания и алкоголизм;
• токсикоз при беременности;
• нарушение сна;
• последствия инсультов.

Методы регистрации сигналов мозга

Первое звено в схеме работы ИМК — это получение сигнала от мозга. Для этого используют следующие методы:

• электроэнцефалография (ЭЭГ), регистрирующая электрические сигналы мозга;
• магнитоэнцефалография (МЭГ), регистрирующая магнитные поля, возникающие вследствие электрической активности мозга;
• спектрометрия ближнего инфракрасного диапазона (БИКС), измеряющая насыщенность крови гемоглобином (чем активнее группа нейронов, тем больше она использует кислорода, переносимого оксигемоглобином);
• функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), основанная на измерении притока крови к разным областям мозга (чем активнее группа нейронов, тем бóльший приток крови к ней).

Сейчас в ИМК для получения информации об электрической активности мозга наиболее часто применяют ЭЭГ, так как она имеет высокое временное разрешение (электроды позволяют считывать немедленную активность отдельных участков мозга), относительно дешева, портативна и не представляет риска для пользователей. ИМК, основанные на ЭЭГ, состоят из набора сенсоров, улавливающих ЭЭГ-сигналы от различных областей мозга. Однако качество сигналов ЭЭГ ухудшается из-за того, что сигнал проходит через скальп, череп, а также множество других слоев, что создает шум.

Для уменьшения шума и улучшения качества записи прибегают к инвазивным способам — имплантированию внутрь черепа набора микроэлектродов [3]. Это подразумевает значительный риск для здоровья, из-за чего их редко задействуют в экспериментальной практике. В исследованиях ИМК существуют два инвазивных подхода: электрокортикография (ЭКоГ), при которой электроды располагаются на поверхности коры головного мозга, и интракортикальная запись нейронной активности — когда датчики имплантируют в кору (рис. 2). Такие решения в настоящее время применяют крайне редко, только в исключительных случаях: либо когда пациенту и так предстоит операция на мозге, либо когда это единственный шанс на возвращение возможности взаимодействовать с окружающим миром.

Рисунок 2. Схема расположения электродов для ЭЭГ, ЭКоГ и интракортикальных микроэлектродов.

адаптировано из [3]

Как усилить работу мозга

Денис Тулинов «Троицкий вариант» №10(79), 24 мая 2011 года

Человечество давно экспериментирует с разнообразными способами временно изменять работу мозга, чтобы получить возможности, недоступные в естественном режиме. Как правило, эти способы сводятся к употреблению натуральных либо синтезированных веществ, которые, однако, воздействуют сразу на весь мозг. В распоряжении ученых есть инструмент, позволяющий выборочно и локально влиять на отдельные участки, усиливая ту или иную функцию. Этот инструмент — электрическое или магнитное поле, и его применение приводит порой к поразительным результатам.

Рентгеновский снимок пациента, находящегося в состоянии минимального сознания, в голову которого имплантированы электроды для глубокой стимуляции мозга. AP Photo

Апрельский номер журнала Nature

рассказывает об экспериментах Винсента Кларка, нейробиолога из Университета Нью-Мексико (США). Кларк обнаружил, что транскраниальная стимуляция мозга постоянным током (
transcranial direct-current stimulation
, tDCS) повышает способность к обучению. По условиям эксперимента группе добровольцев надлежало играть в компьютерную игру DARWARS Ambush!, разработанную для тренировки военнослужащих, направляемых в Ирак.

Ее суть заключается в выработке умения замечать объекты, скрытые на фоне сложного ландшафта. Посредством электродов, прикладываемых к голове, испытуемые во время игры получали 30-минутную электростимуляцию на правой стороне мозга. Участники, которым подавался ток силой 2 миллиампера, показали результаты в два раза лучшие, нежели те, кто подвергался стимуляции током величиной всего 0,1 мА. «Они обучались быстрее, но у них нет никаких предположений или внутренних ощущений насчет того, почему это происходило», — говорит Кларк. Ученый рассматривает tDCS в качестве способа практически разделить механизмы обучения и сознания. По его словам, данная область исследований «в скором времени испытает взрывной рост и даст нам множество новой информации, в то же время, поставив перед новыми вопросами».

В 2000-е годы начало складываться понимание, за счет чего возникает наблюдаемый эффект от tDCS. Постоянный ток создает в ткани мозга электрическое поле, которое изменяет разность потенциалов между сторонами клеточных мембран. Так называемая «анодная» стимуляция, при которой ток направлен к электроду, приводит к деполяризации нейронов, в результате чего повышается их готовность ответить спайком на поступивший сигнал от других клеток. Соответственно, «катодная» стимуляция, при которой ток течет от электрода, вызывает противоположный эффект, увеличивая разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембран и тем самым снижая возбудимость нейронов. Совсем недавно нейрофизиологам из Калифорнийского технологического института удалось экспериментально показать, что внеклеточные электрические поля действительно изменяют характеристики потенциалов действия нервных клеток.

Согласно фармакологическим исследованиям, в районе синаптических контактов под воздействием электрического тока увеличивается производство NMDA-рецептора. Это усиливает пластичность нервной ткани, временно придавая ей состояние, при котором нейроны склонны перестраивать свои соединения в ответ на внешний стимул, такой как обучение новому поведению. Например, в 2009 г. Леонардо Коэн из Национального института неврологических расстройств (Мэриленд, США) показал, что tDCS улучшила способность испытуемых обучаться простым упражнениям на координацию, причем это улучшение сохранялось спустя три месяца после эксперимента.

Помимо ускорения процессов обучения, стимуляция мозга оказывает влияние на ряд других свойств психики. В частности, эту методику всерьез рассматривают как перспективное средство для лечения депрессий, посттравматических стрессов, задержек речевого и психического развития, других нервных расстройств. В 2007 г. Фелипе Фрейни из Центра неинвазивной стимуляции мозга (Бостон, США) и Паоло Боджо из Университета Маккензи (Сан-Паоло, Бразилия) открыли любопытный эффект tDCS.

Оказалось, что воздействие постоянным током на область, расположенную выше виска, так называемую дорсолатеральную префронтальную зону, приводит к тому, что человек становится менее готовым к принятию рискованных решений. В рамках эксперимента ученые попросили студентов поиграть в незамысловатую игру, где нажатие на клавишу наполняло воздухом изображенный на экране воздушный шар. Чем сильнее получится раздуть шар, тем больше виртуальных денег достается участнику.

В то же время, если шар лопнет, все накопления теряются.

Испытуемые, к которым применялась tDCS, вели себя более осторожно и останавливались раньше тех, кто не подвергался воздействию. По словам Боджо, этот результат можно использовать для лечения разного рода зависимостей, при которых людям не достает «тормозящего контроля» своих поступков.

Эти и ряд других аналогичных экспериментов позволяют заключить, что даже слабого и непродолжительного, как в случае tDCS, воздействия поля на мозг достаточно, чтобы улучшить его работоспособность. Вместе с тем неизбежно возникают по меньшей мере два вопроса: 1) почему более эффективный режим в естественных условиях выключен и 2) насколько велик потенциал стимуляции в плане усиления когнитивных способностей человека. В целом об ответах говорить пока рано, однако эксперименты нейробиолога Аллана Снайдера дают на этот счет определенную пищу для размышлений.

Профессор Аллан Снайдер разбудит в вас гения. Фото с сайта www.zrobtosam.com

Профессор Снайдер руководит Центром по изучению сознания в Сиднее (Австралия). Он утверждает, что каждый

из нас обладает возможностями, которые демонстрируют так называемые
саванты
, люди с экстраординарными способностями. В нормальном мозгу эти возможности присутствуют, но подавлены высокоуровневой обработкой информации, организующей целостное смысловое восприятие. У савантов же доступ к сырым, необработанным данным не блокирован, и они пользуются непосредственно тем, что содержит мозг. К сожалению, чаще всего такой открытый доступ сопровождается аутизмом, однако бывают исключения. Например, умственно и психически здоровый Орландо Серелл (Orlando Serell) стал помнить подробности каждого дня своей жизни после того, как в возрасте 10 лет ему в голову попал бейсбольный мяч.

У обычного человека высокоуровневую блокировку можно временно снять методом низкочастотной транскраниальной магнитной стимуляции. В экспериментах Снайдера магнитные импульсы направлялись в левую переднюю височную долю (LATL) испытуемых, после чего у них наблюдались заметные улучшения способностей в рисовании, чтении и счете. Зона LATL участвует в семантической обработке и формировании категорий, а магнитное воздействие в чем-то аналогично временному подавлению этой области. В результате, как предполагает Снайдер, высвобождается активность правого полушария, и человек начинает воспринимать поток низкоуровневых данных, идущих оттуда.

Профессор предполагает, что фотографическая память, перемножение чисел в уме, умение хорошо рисовать и прочие способности савантов, — всё это свойства, характерные для любого мозга. За исключением того, что саванты имеют к ним доступ, а у остальных он перекрыт активностью левого полушария. Но гипотетически можно научиться воздействовать на мозг таким образом, чтобы снять искусственное торможение и получить эти удивительные возможности. Если Снайдер прав, нас ожидают времена, когда в распоряжении людей появится когнитивный усилитель, и они будут использовать его в своей деятельности.

Применение магнитной стимуляции, как и транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS), представляют собой неинвазивные методы воздействия, которые помимо очевидных достоинств имеют один недостаток. Вследствие того, что источник поля располагается на поверхности черепа, затронутым оказывается лишь небольшой слой коры, дальше которого стимуляция не оказывает никакого влияния. Однако в мозгу существуют структуры, находящиеся достаточно глубоко, и подача электрического тока на них также приводит к удивительным и благотворным для человека результатам. Чтобы добраться до этих структур, ученые используют метод глубокого вживления электродов в ткань мозга.

В отдельных случаях, если в мозг вставить электрод и подать на него напряжение, у человека пробуждаются неожиданные воспоминания. Первым это зафиксировал Уайлдер Пенфилд в 1950-х. Он лечил пациентов от эпилепсии с помощью глубокой электростимуляции (Deep Brain Stimulation

, DBS). Во время процедуры люди оставались в сознании и подробно описывали свои ощущения. При подаче тока перед их глазами возникали различные сцены из их жизни. Прошлое буквально врывалось в настоящее: пациенты видели происходящее, слышали голоса, звуки, запахи. Они узнавали своих знакомых, родственников, окружающую обстановку, могли назвать точное место в городе, где «находились» в тот момент. При этом отдавали себе отчет в том, что в реальности лежат на операционном столе в Монреале, одновременно существуя в двух мирах. Воспоминания не были статичны. Они разворачивались с естественной скоростью, словно соматический опыт переживался вновь. Часто вспоминалась музыка — пациенты слышали песню, которая развивалась от фразы к фразе, от припева до куплета так, что они могли подпевать. Один и тот же фрагмент произведения можно было вызвать из памяти, вновь подав ток на электрод. Примечательно, что задействованные нейроны активировались во второй раз легче, откликаясь на меньшее напряжение.

Время от времени исследователи повторяют результаты, описанные Пенфилдом. По понятным причинам они могут быть только побочным эффектом эксперимента, так как глубокая электростимуляция требует хирургической операции и применяется только в лечебных целях. В 2008 г. журнал Annals of Neurology

сообщил о случае с 50-летним пациентом, которого пытались лечить от ожирения методом DBS. Внезапно это вызвало у него яркое переживание эпизода 30-летней давности. Он оказался в парке со своими друзьями. Среди людей он также увидел свою девушку того периода жизни. Одежда окружающих соответствовала прошлому времени, люди в парке разговаривали. Воспоминание было цветным. Интересно, что повышение напряжения с 3 до 5 вольт приводило к тому, что сцена становилась более живой и детальной. По всей видимости, огромное количество фрагментов нашей жизни хранится где-то глубоко в нейронах и остается навсегда скрытым от нашего внимания.

Метод транскраниальной стимуляции мозга постоянным током (tDCS) пугающе доступен. Фото с сайта 2.bp.blogspot.com

Помимо оживления воспоминаний глубокая стимуляция порой способна буквальным образом оживить нечто более важное — сознание человека. Стоит отметить успешный эксперимент целой команды медиков и неврологов, которые сумели восстановить ключевые функции мозга у мужчины, шесть с половиной лет находившегося в состоянии минимального сознания. В результате разбойного нападения в 1999 г. он получил обширные повреждения головы и потерял способность к коммуникации и целенаправленному поведению.

Как позже показали томографические исследования, некоторые важные участки коры остались нетронутыми, но не функционировали. Это обстоятельство заинтересовало ученых. Они предположили, что в результате травм был отключен механизм, активирующий кору. Ключевая роль здесь принадлежит таламусу — структуре, в которой происходит обработка и интеграция практически всех сигналов, идущих в кору большого мозга от спинного, среднего мозга, мозжечка и базальных ганглиев. По мысли медиков, если подвергнуть электростимуляции ядра таламуса, это может привести к пробуждению сохраненных участков коры. Однако таламус находится глубоко в мозгу, поэтому никакая неинвазивная техника до него не достанет. Единственная возможность — внедрить электроды хирургическим путем.

После долгих обсуждений, касающихся в основном этических коллизий, возникших в связи с оперированием человека без его согласия, процедура была исполнена. Практически сразу же, в первые два дня работы электродов, состояние пациента заметно улучшилось. Он стал держать глаза открытыми продолжительное время и отзываться на голоса, поворачивая голову. Ученые, однако, были вынуждены сделать паузу на 50 дней, чтобы удостовериться, что улучшение не является неизвестным эффектом хирургического вмешательства. Затем на протяжении 18 недель таламус стимулировали различными сочетаниями частоты и продолжительности возбуждений, дабы найти наилучший вариант.

Больной фактически вернулся к жизни. Он стал отвечать на вопросы, мог держать в руках предметы и двигать конечностями. Он начал глотать пищу, а ведь до этого шесть лет его кормили через гастрономическую трубку. Его мать в интервью для прессы едва сдерживала слезы: «Теперь мой сын может говорить, есть и смотреть кино. Он может пить из кружки. Он может выражать боль. Он может смеяться и плакать…» Это был первый случай, когда методом глубокой стимуляции мозга (DBS) удалось вытащить пациента из состояния минимального сознания.

Как видно из вышесказанного, стимулировать мозг можно разными способами, приближая к нему электрическое или магнитное поле либо помещая источник непосредственно внутрь головы. Однако стоит упомянуть еще один вариант: мозг получает стимуляцию даже тогда, когда электрический ток подается на другую, правильно выбранную, часть тела. И эта часть тела — язык. Экспериментально показано, что электротактильная стимуляция языка заметно улучшает координацию движений, чувство равновесия и владение речью у людей, испытывающих трудности в результате травм мозга или болезни.

Исследования в данном направлении проводит наш соотечественник Юрий Данилов, возглавляющий Лабораторию тактильной коммуникации и нейрореабилитации в Университете штата Висконсин (США). По его словам, эта технология позволит разработать новые клинические приложения неинвазивной нейромодуляции для травм мозга, рассеянного склероза, инсультов, болезни Паркинсона и, кроме того, расширения возможностей сенсорных систем человека.

Большая часть описанных методов стимуляции мозга всё еще требует специального оборудования и не выходит за пределы медицинских центров и научных лабораторий. В то же время насчет tDCS существуют серьезные опасения: чтобы воспроизвести опыт в домашних условиях, достаточно пары проводов, резистора и обычной 9-вольтовой батарейки. Если такой прокачкой мозга станут пользоваться обычные люди (например, студенты перед экзаменом), это даст им преимущество и, что более существенно, сформирует в обществе условия, подталкивающие граждан к использованию подобных устройств. Научный прогресс, как обычно, несет с собой разнообразные следствия, а задача человека разумного — достойно в них разобраться.

Литература:

Fox D. (2011).
Neuroscience: Brain buzz —Nature
. C.A. Anastassiou, R. Perin, H. Markram, C. Koch (2011).
Ephaptic communication in cortical neurons
—
Nature Neuroscience
. Snyder AW (2009).
Explaining and inducing savant skills: privileged access to lower level, less-processed information
—
Phil. Trans. R. Soc. B
. Chi RP, Snyder AW (2011).
Facilitate Insight by Non-Invasive Brain Stimulation
—
PLoS ONE
. Hamani, C
et. al
(2008).
Memory enhancement induced by hypothalamic/fornix deep brain stimulation
—
Annals of Neurology
. N. D. Schiff
et al.
(2007).
Behavioural improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury
—
Nature
.

Сенсомоторный ритм и моторная кора

Как мы уже говорили, цель ИМК — улавливание намерения пользователя посредством регистрации его мозговой активности. При регистрации мозговой активности с помощью ЭЭГ мы получаем графическое изображение сложного колебательного электрического процесса, в котором можно выделить ряд определённых ритмов, которые отличаются между собой по амплитуде и частоте: альфа, бета, дельта, мю и другие. Сейчас нас интересует мю-ритм, так как именно на его основе работают нейроинтерфейсы, используемые в нейрореабилитации движений.

Мю-ритм, или сенсомоторный ритм (СМР), имеет частоту 8–13 Гц и регистрируется над моторной областью коры головного мозга, расположенной в задней части прецентральной извилины (рис. 3). Подавление мю-ритма происходит тогда, когда человек совершает какое-либо движение или воображает выполнение движения — это называется десинхронизацией, связанной с событием (event-related desynchronization, ERD). Это происходит потому, что нейроны, которые до этого возбуждались синхронно, приобретают индивидуальные, не похожие друг на друга паттерны возбуждения. При этом человек может тренироваться в воображении движений, и со временем подавление мю-ритма при этом становится всё более выраженным, что используют при обучении управлению ИМК.

Для моторной коры характерна топическая организация. Это значит, что каждому участку коры соответствует определённый участок тела, который она контролирует. На рисунке 3 изображен гомункулус Пенфилда, части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены. Как видно из рисунка, представительства верхних и нижних конечностей находятся достаточно далеко друг от друга, благодаря чему возможно раздельное распознавание нейроинтерфейсом воображения движений рук и ног.

Рисунок 3. Соматосенсорный и моторный гомункулус.

адаптировано по материалам сайта BioNinja

Обратите внимание, что представительство нижних конечностей в моторной коре значительно меньше представительства верхних. Это легко объяснимо наличием мелкой моторики рук: мозгу нужно контролировать множество отдельных мышц пальцев. У ног же, наоборот, мало мышц, которыми нужно управлять, и они более крупные. К тому же видно, что представительство нижних конечностей попадает в межполушарную щель, что затрудняет распознавание сигналов ЭЭГ, генерируемых при воображении движений разных групп мышц ног. Поэтому использование ИМК для ног вызывает определённые сложности, и большинство существующих научных работ по нейрореабилитации с помощью ИМК посвящено именно верхним конечностям, так как с их воображением проще работать. В лаборатории физиологии движений Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, где работает автор, проводят исследования, направленные на изучение процессов реабилитации нижних конечностей, а также на возможность применения при этом чрескожной электростимуляции спинного мозга (ЧЭССМ) и специальных практик, помогающих увеличить эффективность управления ИМК [4].

Устройство и работа манитного стимулятора

Транскраниальный магнитный стимулятор Нейро МС/Д
1 — основной блок; 2 — модуль охлаждения; 3 — модуль пополнения; 4 — кронштейн для индуктора; 5 — программное обеспечение

Аппарат для проведения ТМС

состоит из трёх основных частей: системы конденсаторов высокого напряжения (более 3,5 кВ) и большой силы тока, катушки (койла) и блока управления.1718 Имеются дополнительные технические элементы обеспечивающие комфортное проведение процедуры и исправную работу магнитного стимулятора: модуль охлаждения аппарата, рукоятка (кронштейн) для фиксации катушки, программное обеспечение.

• Основной блок – основа системы. Его передняя панель содержит элементы управления и показатели, отражающие параметры работы стимулятора. Возможно подключение к компьютеру через кабель USB. Основной блок может работать с частотой до 30 Гц; максимальная индукция осуществляется на частоте до 5–7 Гц;
• Модуль охлаждения – представляет собой жидкостную систему охлаждения. С помощью модуля охлаждения сеанс ведется гораздо быстрее, без необходимости перерывов для обмена или охлаждения катушки во время сессии или между пациентами. Охлаждающая жидкость не заполняет индуктор, а движется по обмотке, отводя тепловую энергию от места ее образования;

Работа модуля охлаждения

• Модуль пополнения – дополнительный блок питания увеличивает максимальную частоту стимуляции до 100 Гц, а частоту максимальной индукции — до 20–25 Гц. Использование модуля пополнения дает возможность проводить theta-burst-стимуляцию (TBS), при которой сеанс значительно короче обычной ТМС;
• Кронштейн для индуктора – позволяет удерживать индуктор в одном и том же положении относительно головы пациента в течение всего сеанса;
• Программное обеспечение – программа «нейро-МС.NET». Программное обеспечение с помощью компьютера обеспечивает контроль базы данных пациентов, управление курсами и сеансами, проведение стимуляции по существующим программам и создание собственных программа для проведения ТМС.

Виды индукторов:

Кольцевой индуктор –

имеет диаметр катушки 150 мм. Применяют для периферической стимуляции мышц и кортикальной билатеральной стимуляции. Подходит для периферической стимуляции в урологии и колопроктологии;

Кольцевой индуктор
Индуктор – восьмёрка –

имеет диаметр катушек по 100 мм. По сравнению с кольцевым индуктором обеспечивает стимуляцию более глубоко расположенных тканей.

Индуктор-восьмёрка

Распределение магнитного поля поля в кольцевом индукторе и индукторе-восьмёрке
Угловой индуктор-восьмёрка

– имеет диаметр катушек по 100 мм. Имеет анатомическую форму, соответствующую форме головы. Используется для глубокой кортикальной стимуляции.

Угловой индуктор-восьмёрка
Двойной конический индуктор

– имеет диаметр катушек по 125 мм. Обеспечивает наиболее глубокую стимуляцию. Подходит для стимуляции корковых представительств мышц нижних конечностей и тазового дна, мозжечка и DMPFC.

Двойной конический индуктор
Каждый индуктор имеет на боковой поверхности индикатор готовности прибора (загорается зелёным цветом) и кнопку подачи магнитного стимула.1920

Принцип работы магнитного стимулятора

заключается в генерации системой конденсаторов тока, передающейся на катушки, с последующим формированием в них магнитного поля (до 2,2 Тесла). В результате, в нервных тканях формируется собственный электрический импульс, проходящий через проводящие пути от стимулируемых корковых структур к тканям и мышцам, имеющим в них представительство.21

Стоит отметить, что магнитные стимуляторы в зависимости от цели проведения ТМС, способны генерировать разные типы стимулов:222324

• Монофазный стимул
  – ток в индукторе при этом стимуле течёт в одном направлении, нарастая по синусоидальному закону и спадая по экспоненте;

Монофазный стимул

• Бифазный стимул
  — ток в индукторе при этом стимуле характеризуется одним периодом затухающей синусоиды;

Бифазный стимул

• Бифазный burst стимул
  — стимуляция, при которой выдается серия бифазных стимулов с высокой частотой (до 100 Гц) и убывающей амплитудой;

Burst-стимул

• Парный монофазный стимул
  — два стимула с заданным межстимульным интервалом и амплитудой, задаваемой независимо для каждого стимула.

Парный монофазный стимул
Таким образом, на сегодняшний день создан ряд магнитных стимуляторов, отвечающих разным требованиям и целям проведения ТМС.25

Линейка магнитных стимуляторов от компании “Нейрософт”

Кроме магнитных стимуляторов от компании “Нейрософт” широко применяют стимуляторы от компании “MagVenture”: MagPro R100, MagPro R30, MagPro x100.262728 Магнитные стимуляторы данной линейки отличаются по показателям максимальной частоты стимуляции и формам импульса в зависимости от целей ТМС. Принцип действия и строение аппаратов тот же, что и в описании выше. Данные аппараты работают без специфического программного обеспечения на базе встроенного компьютера, имеющего всё необходимое для отслеживания показателей и хранения результатов при ТМС.

Как эффективно воображать движения

Известны следующие особенности воображения движений, которые повышают его эффективность:

• Кинестетическое (с обращением внимания на ощущения от мышц и суставов) представление, а не зрительное [5];
• Представление от первого лица, а не от третьего [6];
• Воображение движений после реально осуществлённого действия [7];
• Использование обратной связи (когда человеку показывают, насколько хорошо он справляется с заданием) [8]. Высокую эффективность показала обратная связь в виде виртуальной реальности: при воображении движений ног аватар, которым управляет испытуемый, идет вперёд, а при прекращении воображения — останавливается. Задача испытуемого — идти вперёд и останавливаться в определенных точках виртуального пространства [9–12];
• Одновременный просмотр видео, в котором выполняется соответствующее движение, помогает усилить десинхронизацию мю-ритма за счет работы зеркальных нейронов [13];
• Применение медитативных практик, в частности, медитации осознанности (mindfulness meditation) [14].

Кроме того, нами было показано, что эффективность воображения движений зависит от личностных характеристик человека [15].

Для эксперимента было набрано 44 человека с ведущей правой рукой. Все они проходили тестирование по опроснику Кеттелла, который определяет 16 основных индивидуальных особенностей. Далее испытуемые управляли ИМК, основанном на воображении движений рук. Оказалось, что при воображении движений правой руки успешнее экспрессивные чувствительные экстраверты, а при воображении движений левой руки — практичные, сдержанные, скептичные и не очень общительные люди.

Мы предполагаем, что это можно объяснить разным уровнем содержания дофамина в правом и левом полушариях, а также разницей в способах кодирования информации о движениях [16]. Более подробно об этом можно прочитать в статье, опубликованной автором и коллегами в журнале «Доклады Академии наук» [15]. Знание личных психологических параметров пользователя ИМК может помочь в разработке индивидуальных тренингов и методов подготовки перед управлением нейроинтерфейсами.

Зачем же нужно воображение движений и работа с нейроинтерфейсами? Как это может помочь людям с нарушениями движений? Разберём эти вопросы на примере двух самых распространенных причин двигательных расстройств — инсульта и травмы спинного мозга.

Механизмы нейропластичности

При инсульте происходит острое нарушение кровоснабжения головного мозга (либо в результате закупоривания сосуда тромбом — ишемический инсульт, либо в результате кровоизлияния — геморрагический). Так как вместе с кровью к нейронам перестаёт поступать всё, что необходимо им для жизнедеятельности, участки мозга, где остановилось кровообращение, отмирают. И если это зоны, отвечающие за двигательную активность — например, моторная область коры, то у больного возникает гемипарез, снижение силы мышц одной стороны тела, или гемиплегия, полный паралич половины тела.

Восстановление двигательной функции осуществляется в основном за счет механизмов нейропластичности — способности мозга изменяться под действием опыта: устанавливать новые связи между нейронами, разрушать старые и ненужные, восстанавливать утраченные после повреждения. В данных процессах принимают участие не только нейроны, но и клетки нейроглии, а также сосудистая система [17]. Также изменяется активность синапсов и их количество [18]. Для активации данных механизмов в медицине применяется двигательная реабилитация. Однако у пациентов с параличом или высокой степенью пареза осуществление реальных движений невозможно, поэтому прибегают к тренировкам с ИМК, основанном на воображении движений. При представлении движений активируются те же зоны мозга, которые также участвуют в подготовке реального действия и в его совершении, вследствие чего такая нейрореабилитация становится реальной [19].

Благодаря таким реабилитационным тренировкам происходит перестройка нейронов вокруг повреждённой области: увеличивается объём серого вещества в двигательной зоне мозга, а соседние участки берут на себя утраченные функции [20]. Двигательные области неповреждённого полушария также участвуют в этом процессе.

Эффективность этих занятий может быть повышена за счёт использования биологической обратной связи — зрительной или тактильной — когда пациент видит на экране монитора, насколько хорошо он справляется с заданием (воображением движения конечности), или когда он чувствует вибрацию от специального прибора при успешном выполнении задачи.

Также существуют системы, дающие двигательную обратную связь: например, когда человек воображает движение правой ноги, приводя её в движение специальным механизмом. По такому принципу работает система «Биокин» (ООО «Косима»), разработанная под руководством Герасименко Ю.П. (Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН) (рис. 4) [21]. Она включает в себя обратную связь, функциональную электростимуляцию (ФЭС) и чрескожную электростимуляцию спинного мозга (ЧЭССМ), что делает её высокоэффективным инструментом в области нейрореабилитации нижних конечностей [22].

Рисунок 4. Биокин. Комплекс для нейрореабилитации нижних конечностей, основанный на применении ИМК с обратной связью, ФЭС (функциональной электростимуляции) и ЧЭССМ (чрескожной электростимуляции спинного мозга).

сайт «Биокин»

Такие системы позволяют замкнуть сенсомоторную петлю: от посылаемого мозгом эфферентного (исходящего) сигнала двигательной активности к афферентному (приходящему) сигналу о сенсорной обратной связи (рис. 5) [23].

Рисунок 5. Нейропластичность, вызываемая использованием ИМК, основанном на воображении движений. При повреждении моторных областей коры реальное движение становится невыполнимым, поэтому для активации процессов нейропластичности остаётся только возможность воображения движений. Использование ИМК со зрительной и тактильной обратной связью обеспечивает усиление этих процессов.

адаптировано из [23]

Данный механизм реабилитации может объяснить концепция пластичности Хебба: при одновременной активации двух связанных друг с другом нейронов усиливается их синаптическое взаимодействие, что приводит к более надёжному контакту между ними (рис. 6). Если предположить, что передача сигнала от моторной коры головного мозга к мышцам конечностей была нарушена из-за инсульта или травмы, то одновременная активация сенсорной и моторной коры может усиливать ранее неактивные контакты между нейронами за счет пластичности и таким образом вести к восстановлению двигательной функции конечностей [24].

Рисунок 6. Механизм пластичности Хебба. Усиление синаптического взаимодействия между двумя нейронами происходит из-за повторяющейся стимуляции постсинаптической клетки пресинаптической клеткой.

адаптировано из «»

Рисунок 7. Образование новый нейронных связей в области повреждения спинного мозга (ПСМ).

адаптировано из [25]

При восстановлении двигательной функции после травмы спинного мозга задействованы те же механизмы нейропластичности. При таком повреждении часть нервных волокон, в том числе двигательных, оказывается прервана, что вызывает паралич конечностей, а часть сохраняет свою целостность. Благодаря этому при проведении нейрореабилитации существует возможность активации процессов нейропластичности: неповреждённые волокна образуют синаптические связи с двигательными нейронами (мотонейронами), которые, в свою очередь, передают сигнал мышцам (рис. 7) [25].

Для увеличения эффективности нейрореабилитации при помощи ИМК часто дополнительно используют функциональную электростимуляцию мышц (ФЭС). Она обеспечивает сокращение мышцы в тот момент, когда пользователь воображает движение с участием этой мышцы (рис. [26]. Это приводит к усилению нейропластичности по механизму Хебба: происходит одновременная активация моторных областей головного мозга, передающих сигнал мотонейронам спинного мозга, и чувствительных нейронов, активируемых сокращающейся под влиянием ФЭС мышцей, что замыкает сенсомоторную петлю.

Рисунок 8. Система ИМК-ФЭС. При воображении движений сигнал из моторной коры обрабатывается компьютером (ПК) и передаётся к прибору функциональной электростимуляции (ФЭС), который вызывает сокращение соответствующей мышцы. Далее сигнал от мышцы передается в сенсорную кору, обеспечивая обратную связь.

адаптировано из [26]

Электростимуляция спинного мозга

В последние годы большую эффективность в нейрореабилитации после повреждения спинного мозга показала его электростимуляция (ЭССМ). Спинной мозг имеет два утолщения: в области шеи и поясницы, что соответствует месту выхода из них корешков двигательных нейронов верхних и нижних конечностей. В поясничном утолщении спинного мозга находятся специализированные нейронные сети, обеспечивающие автоматический процесс шагания (генераторы шагательных движений, ГШД). Иными словами, если наложить на твердую оболочку спинного мозга в месте поясничного утолщения электроды, подающие ток определенной амплитуды и частоты, можно вызвать непроизвольные шагательные движения даже у людей с параличом нижних конечностей [27]. Однако такой способ требует хирургического вмешательства, так что существует риск развития послеоперационных осложнений.

В настоящее время наиболее безопасной и безболезненной считается чрескожная электростимуляция спинного мозга (ЧЭССМ). На видео 1 (Edgerton Lab, University of California) можно видеть, как вызываются непроизвольные шагательные движения ног при облегченном положении больного, с подвешенными на рамах-качелях ногами [28].

Видео 1. Непроизвольная ходьба при чрескожной электростимуляции спинного мозга.

Edgerton Lab, University of California

При использовании ЧЭССМ появляется вопрос правильного расположения стимулирующих электродов. Если при установке инвазивных электродов во время операции хорошо различимы сегменты и корешки спинного мозга, то при установке накожных электродов могут возникнуть затруднения с нахождением нужного участка. Данную задачу решают с помощью подачи одиночных импульсов на электрод и регистрации рефлекторных мышечных ответов — ведь каждому сегменту спинного мозга соответствуют строго определённые группы мышц.

Также существует проблема недостаточной амплитуды посылаемых импульсов — из-за дегенеративных процессов при повреждении спинного мозга требуется большая амплитуда стимуляции для получения нужного ответа. Однако это чревато получением ожогов. В нашей лаборатории было создано оптимальное устройство для неинвазивной электрической стимуляции спинного мозга [29].

Кроме того, была разработана система, детектирующая фазы шагательного цикла в онлайн-режиме и стимулирующая спинной мозг согласно этим фазам [30]. Во время ходьбы в разные моменты напрягаются разные мышцы, и под определёнными углами сгибаются суставы, что можно регистрировать специальными приборами — акселерометрами и гироскопами. Обе ноги движутся скоординировано, и на основании положения одной ноги можно предсказать положение другой. Принцип работы системы следующий: пациенту с гемипарезом на здоровую ногу накладываются датчики движения, которые передают сигнал к прибору для ЧЭССМ. Он, в свою очередь, стимулирует в определённые моменты времени группы мотонейронов спинного мозга, отвечающих за движение мышц-сгибателей и разгибателей ноги, что способствует нормализации ходьбы и восстановлению движения пораженной конечности.

Применение

ТМС применяют в трёх основных направлениях:2930

• нейрореабилитация после черепно-мозговой травмы, инсульта и оперативных вмешательств на головном мозге, в частности для коррекции остаточных неврологических нарушений (афазия, апраксия, дизартрия, аграфия, алексия)
• лечение неврологических и психических заболеваний
• диагностика нарушений нервно-мышечной проводимости

Нередко ТМС применяют для коррекции нарушений развития нервной системы у детей:

• детская афазия, алалия, дизартрия, логоневроз, задержка речевого развития
• задержка психического развития
• расстройства аутистического спектра
• детский церебральный паралич

Успехи современной нейрореабилитации

Самым масштабным исследованием в области нейрореабилитации с использованием ИМК, основанного на воображении движений, является работа Donati с соавторами, опубликованная в Nature в 2021 году [31]. В этом исследовании приняли участие восемь человек с параличом нижних конечностей, вызванным повреждением спинного мозга. Для них была разработана специальная система реабилитации, включающая в себя шесть этапов с увеличивающейся сложностью, и с каждым пациентом было проведено около 255 (!) сессий в течение года.

Первый этап включал в себя глубокое погружение в среду виртуальной реальности, во время которого испытуемый управлял перемещением своего аватара (компьютерного персонажа), воображая движение нижних конечностей в положении сидя. Затем пациент делал то же самое, только в положении стоя, с опорой на специальный стол. Во время третьего этапа проходили тренировки на беговой дорожке: испытуемый ходил с использованием прибора, поддерживающего вес тела (Lokomat). На четвёртом этапе осуществлялось движение ног уже в воздухе, а не по беговой дорожке. На пятом этапе пациент тренировался на беговой дорожке с помощью роботизированной системы, поддерживающей конечности и контролируемой ИМК. И на заключительной стадии испытуемый ходил в экзоскелете, управляемом ИМК: экзоскелет делал шаг, когда человек представлял себе движение соответствующей ноги. Во время всех тренингов испытуемые получали тактильную обратную связь — вибрацию, которая подавалась на предплечье, когда виртуальная или роботизированная нога с той же стороны касалась земли. Схему эксперимента вы можете увидеть на рисунке 9, а сам процесс реабилитации — на видео 2.

Рисунок 9. Схема эксперимента, включающая в себя шесть этапов: 1 — ИМК + виртуальная реальность (ВР) в положении сидя; 2 — ИМК + ВР в положении стоя; 3 — ходьба по беговой дорожке с поддержанием веса тела; 4 — движение ног в воздухе; 5 — ходьба по беговой дорожке с помощью роботизированной системы, контролируемой ИМК; 6 — ходьба в экзоскелете, управляемом ИМК. Обозначения: ЭЭГ — электроэнцефалография; ЭМГ — электромиография, регистрирующая активность мышц; Такт. — тактильная обратная связь.

[31]

Видео 2. Процесс проведения эксперимента.

[31]

Через 12 месяцев тренировок по этой системе у всех восьми пациентов повысились показатели по тактильным ощущениям, а также восстановился свободный контроль ключевых мышц нижних конечностей. В результате был виден заметный прогресс в их способности ходить. Многие пациенты смогли ходить при помощи вспомогательных приборов. Кроме этого, у всех пациентов было отмечено значительное повышение эмоциональной стабильности и оценки качества жизни, а также снизился уровень депрессивности и увеличилась самооценка. Улучшились состояние кожи и функция пищеварительной системы, что связано, по-видимому, с нормализацией активности симпатической и парасимпатической систем. Дело в том, что вдоль позвоночника расположены узлы вегетативной нервной системы, которая регулирует работу внутренних органов. Они повреждаются при травмировании спинного мозга, что вызывает нарушение деятельности пищеварительной системы, которая в свою очередь влияет на состояние кожи посредством выделения сигнальных молекул, в том числе и провоспалительных [32], [33].

Неврологическое восстановление было связано с механизмами пластичности как на уровне спинного мозга, так и на уровне сенсомоторной коры. Кортикальная и спинномозговая пластичность изменяет нейронные связи в сохранившейся области спинного мозга при помощи моторных и сенсорных связей (рис. 10).

Рисунок 10. Пластичность спинного мозга (СМ) и коры головного мозга, осуществляющаяся с помощью моторных (красных) и сенсорных (синих) связей.

адаптировано из [31]

Проведение ТКЭС-терапии

Никакой подготовки перед проведением ТКЭС не требуется. Прежде чем начать процедуру, пациент должен снять пирсинг и другие украшения. Обычно электротерапия проводится в положении лежа, но в некоторых случаях разрешается сидеть.

Врач закрепит электроды на голове, настроит параметры тока и длительность проведения процедуры. Первый сеанс проводится при минимальных значениях электротока. При втором посещении напряжение увеличивается. Если больной чувствует дискомфорт, то процедуру прекращают и заново подбирают параметры. После завершения сеанса не рекомендуется есть в течение двух часов.

Один сеанс длится до 20 минут, однако время можно увеличить в тех случаях, если требуется купировать сильную боль. Курс электротерапии обычно составляет 15 сеансов.

Часто транскраниальную электростимуляцию мозга назначают вместе с другими методами лечения для повышения их эффективности.