Ученые Калифорнийского университета в Сан-Франциско обнаружили возможный механизм того, как глубокая стимуляция мозга (DBS), широко используемый метод лечения двигательных расстройств, оказывает терапевтическое воздействие.
Немногие виды лечения дают такие быстрые и впечатляющие результаты, как при использовании DBS, когда хирургически имплантированные устройства доставляют электрические импульсы во внутренние структуры мозга, участвующие в движении. У большинства пациентов с болезнью Паркинсона (БП), которые получают лечение, симптомы замедленного движения, тремора и ригидности резко уменьшаются вскоре после активации устройства стимуляции и быстро возвращаются, если устройство выключено.
Но удивительно, что было очень мало понимания того, почему и как DBS работает так хорошо – недостаток знаний сдерживал усилия по дальнейшему совершенствованию терапии. Несмотря на большой успех DBS, остаются некоторые серьезные проблемы. Настройка стимуляции, обеспечиваемой устройствами DBS для каждого пациента, чтобы максимально уменьшить симптомы, является сложной задачей и требует много времени. И меньшинство пациентов никогда не получает той пользы, на которую рассчитывают их врачи. Благодаря лучшему пониманию того, как DBS действует на мозговые цепи, исследователи надеются устранить эти недостатки и сделать DBS еще более эффективным методом лечения.
Новое исследование, опубликованное 13 апреля 2015 года в журнале Nature Neuroscience, показывает, что DBS контролирует симптомы болезни Паркинсона, уменьшая чрезмерную синхронизацию активности мозга в моторной коре, области на внешней поверхности мозга, которая управляет движениями тела.
"Эта терапия становится широко распространенной при многих расстройствах мозга, помимо двигательных, включая психические состояния, такие как депрессия, но никто не знает, как это работает," сказал Филип Старр из UCSF, доктор медицинских наук, заведующий кафедрой неврологической хирургии Долорес Кексбред и старший автор нового исследования. "Это важный шаг в ответе на этот вопрос на уровне мозговых сетей, а не только в отношении того, где вы на самом деле применяете стимуляцию в мозге."
Предыдущее исследование под руководством Корали де Эмптинн, доктора философии, научного сотрудника лаборатории Старра, заложило основу для нового исследования. В 2013 году де Хемптинн, Старр и его коллеги сообщили в Proceedings of the National Academy of Sciences, что показатель синхронизированной ритмической активности мозга, которая обычно меняется в зависимости от движения или другого поведения, чрезмерно высок в коре головного мозга при БП.
В этой статье команда выдвинула гипотезу, что такая синхронизация цепей мозга при БП препятствует гибкости, необходимой мозгу для планирования и выполнения движений, и что DBS может работать, разделяя паттерны активности в моторной коре.
В новой работе, "поскольку мы обнаружили эту чрезмерную синхронность у пациентов с БП, мы решили посмотреть, есть ли связь между этой синхронностью и симптомами, и уменьшается ли синхронность, когда симптомы улучшаются с помощью DBS," сказал де Хемптин, первый автор статьи о нейробиологии в природе. "Мы измеряли синхронность в моторной области мозга до, во время и после DBS, а также в то время, когда пациент отдыхал или выполнял двигательную задачу, в которой ему приходилось дотянуться до экрана компьютера и коснуться его."
Во время операции 23 пациентам с болезнью Паркинсона, которым хирургическим путем имплантировались постоянные электроды DBS, команда UCSF вставила временную полосу из 6 записывающих электродов под череп и поместила ее над моторной корой. Как и в предыдущем исследовании, регистрация нервной активности показала чрезмерную синхронизацию ритмов активности у пациентов.
Как следует из названия терапии, конец стимулирующего провода устройств DBS помещается в структуру глубоко в головном мозге, известную как субталамическое ядро (STN), которое является частью "петля" нейронных цепей, которые включают моторную кору на поверхности мозга. Когда устройство DBS было активировано и начало стимулировать STN, эффект стимуляции достиг моторной коры, где чрезмерная синхронизация быстро уменьшилась. Если устройство было выключено, избыточная синхронность возобновлялась, у одних пациентов более постепенно, чем у других.
Операция DBS обычно длится около шести часов, и в середине процедуры пациентов будят для тестирования устройства и проверки правильности размещения стимулирующего электрода в STN. В течение этого периода исследователи попросили 12 пациентов выполнить задание, в котором они должны были коснуться синей точки, появляющейся на экране компьютера. Важно отметить, что, по словам Старра, записи показали, что DBS устраняет чрезмерную синхронность активности моторной коры и облегчает движение, не изменяя нормальных изменений мозговой активности, которые сопровождают движения.
"В нашей статье 2013 года показано, как болезнь Паркинсона влияет на моторную кору, а в этой статье показано, как DBS влияет на моторную кору," сказал Старр. "Имея в руках эти две части информации, мы можем начать думать о новых способах автоматического управления стимуляторами с помощью активности мозга, что является следующим нововведением в лечении двигательных расстройств."
Поскольку в этих экспериментах полосу записи нужно было удалить до окончания операции, данные записи собирались в течение относительно короткого времени. Чтобы расширить возможности для исследований, Старр и его команда в сотрудничестве с компанией Medtronic, производящей медицинские устройства, разработали новое поколение постоянно имплантируемых устройств DBS, которые могут регистрировать активность моторной коры головного мозга, одновременно обеспечивая стимуляцию STN.
По словам де Хемптинна, пять пациентов UCSF получили эти новые устройства, и все собранные ими данные могут быть загружены для исследования во время последующих посещений, что позволит еще глубже понять, как DBS изменяет активность мозга.
"Теперь мы можем попытаться найти еще лучшую корреляцию между DBS и симптомами, и мы даже можем посмотреть на эффекты лекарств," сказал де Hemptinne. "Эта новая возможность собирать данные за более длительный период времени будет очень мощной в продвижении новых исследований."