Электростимуляция головного мозга как симптоматическая помощь больным с паркинсонизмом, дистониями и другими мышечными нарушениями

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

Противопоказания к ТЭС-терапии

Процедуру нельзя проводить в следующих случаях:

• возраст до 5 лет;
• повреждения кожи в местах наложения контактов;
• наличие кардиостимуляторов;
• гипертонических криз;
• эпилепсия;
• гипертиреоз.

Физиотерапевтическое оборудование. ФотоГалерея

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]

2.Как это работает?

Внутримозговые электроды

для хронической стимуляции головного мозга получают электромагнитные импульсы от
генератора
, который располагается подкожно и настраивается на определённую программу при помощи
дистанционного пульта.
Следует заметить, что методика электростимуляции мозга не является лечением. Это симптоматическая помощь пациентам

, которые обречены (зачастую пожизненно) испытывать функциональные мышечные нарушения, существенно снижающие качество жизни. Наиболее оправдана и показана нейростимуляция мозга пациентам с болезнью Паркинсона, дистонией, эссенциальным тремором, эпилепсией, различными двигательными расстройствами.

Посетите нашу страницу Нейрохирургия

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.

Показания и противопоказания, побочные эффекты

Проведение ТМС с лечебной и восстановительной

целью проводится при следующей патологии:[/efn_note]31 32

• последствия черепно-мозговой и спинальной травмы;
• нарушение мозгового и спинального кровообращения,сопровождающееся моторными нарушениями;
• демиелинизирующие заболевания (рассеянный склероз, полинейропатия Гийена-Барре);
• нейродегенеративные заболевания (боковой амиотрофический склероз, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона);
• врожденная патология ЦНС (детский церебральный паралич, последствия перинатальной гипоксии);
• психические расстройства (депрессия, обсессивно-компульсивное расстройство, шизофрения);
• нарушения развития ЦНС у детей (расстройства аутистического спектра, афазия, дизартрия, алалия и др).

ТМС с диагностической целью

показана для регистрации следующих показателей:

• проводимости центральных и периферический нейронных путей;
• кортикальной возбудимости и пластичности моторных зон головного мозга;
• вызванного моторного ответа;
• времени корешковой задержки.

Противопоказаниями

к проведению ТМС является:33

• Наличие магнитных имплантов (помпы для поставки лекарственных средств, металлоконструкции, допустимо наличие кардиостимулятора и электродов для глубокой мозговой стимуляции);
• Судорожные синдромы и припадки;
• Аневризмы сосудов и опухоли головного мозга;
• Острые инфекционные заболевания;
• Негативные последствия ранее проведенных процедур ТМС (головные боли, тошнота, рвота, головокружения и другие побочные реакции);
• Тяжелая патология сердца;
• Беременность;
• Возраст до 3-х лет.

Побочные эффекты

и их распространенность при разных протоколах ТМС представлены в таблице.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОГРАНИЧЕНИЯ

Эффективность терапевтической ТМС при различных патологиях приведена в таблице:34

Примечание

: Эффект: А — определенный, В —вероятный, С — возможный.

Ограничения метода ТМС связаны с малым количеством исследований в данной области, новизной большей части полученных данных с недостаточным уровнем доказательности, а также отсутствием официальных клинических рекомендаций относительно применения ТМС в диагностике и лечении заболеваний.

Footnotes

1. Магнитная стимуляция в диагностике и лечении болезней нервной системы. Руководство для врачей. Под ред. Никитина С.С., Куренкова А.Л. Издательство М.: САШКО; 2003.
2. Wassermann E. M. et al. Safety and side-effects of transcranial magnetic stimulation and repetitive transcranial magnetic stimulation //Handbook of transcranial magnetic stimulation. London: Arnold. — 2002. — с. 39-49.
3. Barker A. T., Jalinous R., Freeston I. L.
   Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex // The Lancet : журнал. — 1985. — Vol. 325, no. 8437. — P. 1106—1107.
4. Bickford R. G. et al. Magnetic stimulation of human peripheral nerve and brain: response enhancement by combined magnetoelectrical technique. // Neurosurgery : журнал. — 1987. — Vol. 20, no. 1. — P. 110—116.
5. George M. S. et al. Daily repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) improves mood in depression. // Neuroreport : журнал. — 1995. — Vol. 6, no. 14. — P. 1853—1856.
6. Pascual-Leone A. et al. Akinesia in Parkinson’s disease. I. Shortening of simple reaction time with focal, single pulse transcranial magnetic stimulation// Neurology : журнал. — 1994. — Vol. 44, no. 5. — P. 884—884.
7. Pascual-Leone A. et al. Akinesia in Parkinson’s disease. II. Effects of subthreshold repetitive transcranial motor cortex stimulation// Neurology : журнал. — 1994. — Vol. 44, no. 5. — P. 892—892. DOI: https://doi.org/10.1212/WNL.44.5.892
8. Jose Luis Rodriguez‐Martin, José Manuel Barbanoj, V Pérez M Sacristan. Transcranial magnetic stimulation for the treatment of obsessive‐compulsive disorder // Cohrane library. — John Wiley & Sons, Inc., 2003. — 22 April. — doi:10.1002/14651858.CD003387
9. Brain Stimulation Approved for Obsessive-Compulsive Disorder by Rebecca Voelker, MSJ in JAMA. Published September 18, 2021 – DOI: 10.1001/jama.2018.13301
10. Степанченко А.В., Мамедов Т.Р., Шаров М.Н, Савушкин А.И., Крымшаухалова С.Я. // Магнитная стимуляция в лечении обострения невралгии тройничного нерва// Боль:журнал – №3(4) – стр. 40-45// Издательство Медицинская энциклопедия (Москва)/2004г.
11. L.M. Oberman, P.G. Enticott, M.F. Casanova, A. Rotenberg, A. Pascual-Leone, J.T. McCracken Transcranial Magnetic Stimulation in Autism Spectrum Disorder: Challenges, Promise, and Roadmap for Future Research // Autism research: official journal of the International Society for Autism Research – 2021 Feb;9(2):184-203. doi: 10.1002/aur.1567. Epub 2015 Nov 4.
12. Войтенков В.Б., Mally J., Скрипниченко Н.В., Климкин А.В. Транскраниальная магнитная стимуляция как диагностическая и терапевтическая методика // Неврологический журнал 2015, т.20, №5 – стр.4-13 // ОАО Издательство: Медицина (Москва), 2015 г.
13. Гимранов Р. Ф. Транскраниальная магнитная стимуляция. — М.: «Аллана», 2002. — 164 с. ISBN 5-86656-115-1
14. Магнитная стимуляция в диагностике и лечении болезней нервной системы. Руководство для врачей. Под ред. Никитина С.С., Куренкова А.Л. Издательство М.: САШКО; 2003.
15. Войтенков В.Б., Mally J., Скрипниченко Н.В., Климкин А.В. Транскраниальная магнитная стимуляция как диагностическая и терапевтическая методика // Неврологический журнал 2015, т.20, №5 – стр.4-13 // ОАО Издательство: Медицина (Москва), 2015г.
16. Гимранов Р. Ф. Транскраниальная магнитная стимуляция. — М.: «Аллана», 2002. — 164 с. ISBN 5-86656-115-1
17. А.А. Сорочинский Транскраниальная магнитная стимуляция// Журнал: Известия ЮФУ. Технические науки – 2010 – №9 – стр. 207-210.
18. https://kandel.com.br/equipamentos/emt/neuro-msd/
19. https://kandel.com.br/equipamentos/emt/neuro-msd/
20. https://neurosoft.com/ru/catalog/tms/neuro-msd-therapeutic#delivery
21. А.А. Сорочинский Транскраниальная магнитная стимуляция// Журнал: Известия ЮФУ. Технические науки – 2010 – №9 – стр. 207-210.
22. Sommer M, Alfaro A, Rummel M, Speck S, Lang N, Tings T, et al. Half sine, monophasic and biphasic transcranial magnetic stimulation of the human motor cortex. Clin Neurophysiol 2006, 117: 838-44.
23. Valls-Solé J, Pascual-Leone A, Wassermann EM, Hallett M. Human motor evoked responses to paired transcranial magnetic stimuli. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1992 85: 355-64.
24. Huang YZ, Edwards MJ, Rounis E, Bhatia KP, Rothwell JC. Theta burst stimulation of the human motor cortex. Neuron 2005, 45: 201-6.
25. https://neurosoft.com/ru/catalog/tms/neuro-msd-therapeutic#delivery
26. https://www.magventure.com/tms-research/products-overview/research-stimulators/stimulators/magpro-r100-4
27. https://www.magventure.com/tms-research/products-overview/research-stimulators/stimulators/magpro-x100-w-magoption
28. https://www.magventure.com/us/tms-research/products-overview/research-stimulators/stimulators/magpro-30
29. Войтенков В.Б., Mally J., Скрипниченко Н.В., Климкин А.В. Транскраниальная магнитная стимуляция как диагностическая и терапевтическая методика // Неврологический журнал 2015, т.20, №5 – стр.4-13 // ОАО Издательство: Медицина (Москва), 2015г.
30. А.В. Червяков, А.Г. Пойдашева, Ю.Е. Коржова, Н.А. Супонева, Л.А. Черникова, М.А. Пирадов// Ритмическая транскраниальная магнитная стимуляция в неврологии и психиатрии// Журнал неврологии и психиатрии (Москва), № 12, 2015 – стр. 7-18// doi: 10.17116/jnevro20151151127-18
31. А.В. Червяков, А.Г. Пойдашева, Ю.Е. Коржова, Н.А. Супонева, Л.А. Черникова, М.А. Пирадов// Ритмическая транскраниальная магнитная стимуляция в неврологии и психиатрии// Журнал неврологии и психиатрии (Москва), № 12, 2015 – стр. 7-18// doi: 10.17116/jnevro20151151127-18
32. А.А. Сорочинский Транскраниальная магнитная стимуляция// Журнал: Известия ЮФУ. Технические науки – 2010 – №9 – стр. 207-210.
33. Н.А. Супонева, И.С. Бакулин, А.Г. Пойдашева, М.А. Пирадов // Безопасность транскраниальной магнитной стимуляции: обзор научных рекомендаций и новые данные// Журнал: Нервно-мышечные БОЛЕЗНИ, т.7, 2’ 2021 – стр.21-36// DOI: 10.17650/2222-8721-2017-7-2-21-36
34. А.В. Червяков, А.Г. Пойдашева, Ю.Е. Коржова, Н.А. Супонева, Л.А. Черникова, М.А. Пирадов// Ритмическая транскраниальная магнитная стимуляция в неврологии и психиатрии// Журнал неврологии и психиатрии (Москва), № 12, 2015 – стр. 7-18// doi: 10.17116/jnevro20151151127-18

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]

Преимущества транскраниальной электростимуляции в «Медицентре»

• Профессионализм. У нас работают опытные физиотерапевты с многолетним стажем.
• Современное оборудование. Используем современные физиотерапевтические аппараты для электростимуляции.
• Безопасность. Процедура электрической стимуляции безопасна для пациентов.
• Экономия на лекарствах. В процессе лечения электротерапия может заменить некоторые медикаменты.
• Экономия времени. Прием пациентов по предварительной записи.

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.

3.Подготовка и проведение операции

Каждое расстройство обусловлено нарушениями в определённом участке мозга, поэтому установка электродов проводится после тщательной диагностики, которая включает:

• электроэнцефалограмму;
• МРТ;
• КТ;
• общую диагностику состояния организма.

Процедура установки электродов и генератора проводится под местной анестезией

, поскольку сам мозг не имеет болевых рецепторов и требуется только обезболивание кожи. Во время оперативных манипуляций пациент находится в полном контакте с хирургом, что позволяет оценивать состояние и ход операции.

После операции

проводится мероприятия для профилактики инфицирования затронутых областей, включающие курс антибиотиков. Выписка из стационара происходит на 3-5 день. Через две недели необходимо повторное посещение нейрохирурга.

О нашей клинике м. Чистые пруды Страница Мединтерком!

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]

Не забудьте выключить электричество

Микрополяризация в предписанных врачами дозах считается безопасной для человека, хотя, помимо зуда и жжения кожи головы, в 17% случаев пациенты жаловались на головную боль. Но это официальные эксперименты, а дома фанаты TES идут ва-банк. Во-первых, желая быстрого и заметного результата, кое-кто увеличивает рекомендуемый учеными ток. Во-вторых, они оставляют устройство включенным на более долгое время и сидят с электродами за конспектами и лекциями в надежде на лучшее запоминание. В-третьих, самостоятельно сделанные устройства могут выдавать неправильные токи. Негативное влияние на мозг экспериментаторов при таких условиях неизвестно. На форумах люди жалуются на боли в руке, усиление тревожности вместо ее уменьшения, усиленную раздражительность, тяжесть и неприятное напряжение в голове.

Еще одна проблема «хакеров мозга» — чрезмерно оптимистичная трактовка результатов исследований. Если ученые пишут, что TES в некоторых случаях улучшает способности к обучению или креативность, то в глазах человека, желающего чудес, это превращается в прямое доказательство того, что электроразряды сделают его великим математиком. Увлеченный экспериментатор вряд ли думает, что объективно измерить креативность крайне сложно, а улучшение познавательных способностей учеными оценивается как успехи во вполне конкретных тестах, не всегда применимых к реальности.