Достижения в неинвазивных методах стимуляции мозга для нейронной модуляции

Эволюция неинвазивной стимуляции мозга

За последние три десятилетия неинвазивная стимуляция мозга (НИБС) превратилась из нишевого экспериментального инструмента в краеугольный камень современной нейробиологии и клинической терапии. В отличие от хирургических вмешательств, требующих открытия черепа или имплантации электродов, методы НИБС модулируют нейронную активность через внешние устройства, применяемые к коже головы или транскраниально. Эта доступность ускорила как фундаментальные исследования в области функции мозга, так и разработку методов лечения состояний, которые когда-то считались рефрактерными для нефармакологических подходов. Сейчас область находится на критическом этапе, когда технологические инновации, вычислительное моделирование и персонализированная медицина сходятся для обеспечения более безопасной, более эффективной и более целенаправленной нейромодуляции.

Ранние работы в 1980-х и 1990-х годах установили, что слабые электрические или магнитные поля могут изменять возбудимость коры. Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) появилась как метод индуцирования фокусных токов с помощью электромагнитной индукции, в то время как транскраниальная стимуляция постоянного тока (tDCS) предоставила более простую, более дешевую альтернативу для модуляции, зависящей от полярности. С тех пор репертуар расширился, включив переменный ток (tACS), случайный шум (tRNS) и гибридные протоколы. Сегодня NIBS регулярно используется в клинических условиях для лечения основных депрессивных расстройств, хронической боли и реабилитации инсульта и исследуется для десятков других показаний. В этой статье рассматриваются самые значительные последние достижения в NIBS - от аппаратных улучшений и управления замкнутым контуром до комбинированной нейровизуализации и персонализированного дозирования - и обсуждаются их последствия для будущего нейронной модуляции.

Механизмы и принципы неинвазивной стимуляции мозга

Понимание того, как NIBS взаимодействует с нервной тканью, имеет важное значение для интерпретации как его терапевтического потенциала, так и его ограничений. Каждая техника использует отдельный физический принцип для воздействия на нейронные паттерны возбуждения, синаптическую пластичность и сетевые колебания.

Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS)

TMS генерирует быстро меняющееся магнитное поле через катушку, удерживаемую против кожи головы. Это поле индуцирует электрический ток в коре головного мозга, деполяризуя нейроны в фокусной области. В зависимости от частоты и характера стимуляции — один импульс, парный импульс, повторяющийся (rTMS) или тета-всплеск (TBS) — TMS может либо возбуждать, либо ингибировать корковую активность. Например, прерывистый TBS (iTBS) обычно увеличивает возбудимость, в то время как непрерывный TBS (cTBS) уменьшает его. FDA очистило TMS для лечения резистентной депрессии, обсессивно-компульсивного расстройства, прекращения курения и мигрени с аурой.

Транскраниальная стимуляция постоянного тока (tDCS)

tDCS обеспечивает низкий постоянный ток (обычно 1-2 мА) между двумя или более электродами кожи головы. Анодальная стимуляция повышает возбудимость коры путем деполяризации нейронных мембран, в то время как катодная стимуляция гиперполяризует и снижает возбудимость. Эффект не достаточно силен, чтобы напрямую запускать потенциалы действия, но модулирует вероятность спонтанного возбуждения и влияет на долгосрочную потенцацию (LTP) и депрессию (LTD)-подобную пластичность. tDCS портативна, недорога и была изучена для депрессии, фибромиалгии и когнитивного улучшения.

Транскраниальная альтернативная стимуляция тока (tACS)

tACS применяет синусоидальные токи на конкретных частотах (например, тета, альфа, гамма) для привития внутренних колебаний мозга. С помощью синхронизации или десинхронизации нейронных сетей, tACS может модулировать когнитивные процессы, такие как память, внимание и восприятие. Недавние исследования продемонстрировали частотные эффекты: гамма-tACS усиливает консолидацию памяти, в то время как альфа-tACS влияет на визуальное восприятие. Способность нацеливаться на осцилляторную активность открывает новые возможности для лечения расстройств, характеризующихся аномальными ритмами, такими как шизофрения и эпилепсия.

Транскраниальная случайная шумовая стимуляция (tRNS)

tRNS обеспечивает случайный переменный ток в широком диапазоне частот (например, 0,1-640 Гц). Этот стохастический резонансный эффект повышает возбудимость и пластичность коры, часто с более низкой чувствительностью и лучшей переносимостью, чем tDCS. tRNS показал перспективу в улучшении моторного обучения, визуального восприятия и восстановления после инсульта. Его механизм, вероятно, включает повторную, несинхронизированную активацию натриевого канала, что приводит к устойчивой деполяризации и нейропластическим изменениям.

Последние технические достижения

За последние пять лет был достигнут значительный прогресс в области точности, персонализации и интеграции технологий NIBS, которые касаются более ранней критики в отношении плохого пространственного разрешения, переменных результатов и трудностей в ослеплении фиктивных контролируемых испытаний.

Нейронавигационная стимуляция

Одним из наиболее эффективных улучшений является использование нейронавигации на основе МРТ для управления размещением катушки TMS. Используя структурные сканы с T1-взвешенным весом и иногда диффузионную тензорную визуализацию (DTI), операторы могут нацеливаться на конкретные области Бродмана или корковые субрегионы с миллиметровой точностью. Это существенно снизило межиндивидуальную изменчивость в дозиметрии, особенно для глубоких или функционально определенных целей, таких как дорсолатеральная префронтальная кора (DLPFC) или дополнительная моторная область. Исследования с использованием нейронавигации последовательно сообщают о больших размерах эффекта при лечении депрессии по сравнению со стандартными методами «5 см».

Интеграция с нейровизуализацией (fMRI, EEG, fNIRS)

Комбинирование NIBS с одновременной функциональной МРТ (fMRI), электроэнцефалографией (EEG) или функциональной ближней инфракрасной спектроскопией (fNIRS) позволяет осуществлять мониторинг и адаптивную стимуляцию в режиме реального времени. Например, одновременная TMS-fMRI отображает реакции сети мозга на фокусную стимуляцию, показывая, что эффекты TMS распространяются по сетям состояния покоя. Адаптивная TMS на основе ЭЭГ может обнаруживать специфические состояния мозга, такие как высокая альфа-мощность, и вызывать стимуляцию во время оптимальных окон для индукции пластичности. Этот подход с замкнутым циклом показал превосходную эффективность в улучшении моторного обучения и лечения депрессии по сравнению с протоколами с открытым циклом.

Протоколы персонализированной стимуляции

Персонализация выходит за рамки таргетинга, чтобы включать индивидуальные параметры стимуляции, основанные на анатомии головы, толщине черепа, корковой складчатости и исходной возбудимости. Вычислительные модели головы с использованием методов конечных элементов (FEM) предсказывают распределение электрического поля для каждого человека, позволяя исследователям соответствующим образом регулировать положение электродов, интенсивность тока или ориентацию катушки. Одно недавнее исследование в Природные коммуникации продемонстрировало, что персонализированные монтажи tDCS значительно улучшили точность рабочей памяти у пожилых людей, тогда как стандартные монтажи не показали никакого эффекта. Аналогичные персонализированные подходы проверяются для TMS при большой депрессии и для tACS при шизофрении.

Закрытый цикл и адаптивные системы

NIBS представляет собой сдвиг парадигмы от фиксированной стимуляции с открытым циклом к отзывчивым, зависящим от состояния мозга протоколам. Эти системы измеряют прокси нейронной активности (например, колебания ЭЭГ, потенциалы с двигательным возбуждением или периферическая физиология) и корректируют параметры стимуляции в реальном времени. Например, система TMS с ЭЭГ может доставлять импульсы только тогда, когда альфа-мощность падает ниже порога, увеличивая вероятность получения длительных после-эффектов. Носимые устройства с замкнутым циклом tDCS / tACS в настоящее время вступают в клинические испытания для эпилепсии и нарушений сна, где они могут автоматически адаптироваться к изменению ритмов мозга.

Клинические применения и доказательства

Хотя НИБС изучался на предмет наличия десятков неврологических и психиатрических заболеваний, наиболее убедительные доказательства указывают на несколько ключевых признаков.

депрессивное расстройство (MDD)

RTMS над левой DLPFC очищен FDA для лечения резистентной MDD. Недавние сетевые подходы, направленные на дорсомедиальную префронтальную кору (DMPFC) или использование ускоренной iTBS (например, Стэнфордская ускоренная интеллектуальная нейромодулирующая терапия, SAINT) привели к скорости ремиссии 70-90% в сильно резистентных к лечению популяциях. SAINT использует МРТ-ориентированное таргетинг, несколько ежедневных сеансов и протоколов на основе подключения, достигая ответа в течение нескольких дней, а не недель. Эти результаты бросают вызов представлению о том, что NIBS только скромно эффективен для депрессии.

Хроническая боль

Стимуляция моторной коры через rTMS имеет рекомендацию класса А для нейропатической боли, особенно после инсульта и сложного регионального болевого синдрома. Однако недавние исследования изучали нацеливание на другие узлы в болевой матрице, такие как передняя поясная кора или префронтальная кора, со смешанными результатами. Анодальная tDCS по M1 также показывает умеренную пользу, но размеры эффекта сильно различаются. В настоящее время область движется к персонализированной, сетевой таргетинг и комбинированной терапии с фармакологическими или поведенческими вмешательствами.

Реабилитация инсульта

NIBS может модулировать межполушарное ингибирование после инсульта. Как правило, пораженное полушарие показывает пониженную возбудимость, в то время как противоречивое полушарие становится гипервозбудимым. Стандартный подход заключается в сочетании возбуждающей стимуляции (например, анодальной tDCS или iTBS) над ипсилезионной M1 с ингибирующей стимуляцией (например, катодной tDCS или cTBS) над противоречивой M1. Недавние мета-анализы подтверждают значительные улучшения двигательной функции, особенно в сочетании с интенсивной физической терапией. Новые подходы используют двусторонние протоколы стимуляции и интегрируют NIBS с робототехникой или виртуальной реальностью.

Обсессивно-компульсивное расстройство (OCD)

В 2018 году FDA одобрило TMS для ОКР, нацеленную на медиальную префронтальную кору и переднюю поясную извилину. С тех пор исследования оптимизировали параметры стимуляции, что привело к частоте ответов около 50-60% у пациентов с резистентностью к лечению. Глубокая TMS (dTMS) с использованием H-каталограммы позволяет более глубокому проникновению более эффективно достигать передней поясной извилины. В области изучается, может ли персонализация протокола на основе размеров симптомов (например, проверка против загрязнения) улучшить результаты.

Новые приложения

• Шизофрения: tACS для усиления гамма-колебания уменьшает слуховые галлюцинации в предварительных испытаниях; tDCS над префронтальной корой улучшает рабочую память.
• Эпилепсия: Катодальная tDCS может снижать возбудимость коры и частоту приступов при очаговой эпилепсии; в разработке находятся системы замкнутого цикла.
• Болезнь Альцгеймера: RTMS в сочетании с когнитивной тренировкой показывает умеренные улучшения в памяти и познании, с постоянными усилиями по оптимизации дозирования и таргетинга.
• Травматическая травма головного мозга: NIBS для повышения нейропластичности и уменьшения посттравматической головной боли является активной областью исследования.