The conceptual basis of non-invasive neuromodulation

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

D. Reynolds (1969) первым описал глубокую аналгезию во время электрической стимуляции центрального вещества, окружающего водопровод мозга. Изначально развитие данного направления связано с именами российских ученых. В США данной проблемой начали заниматься только с начала 1970-х годов.

В настоящее время термин «нейромодуляция» активно используется в научных кругах для обозначения хронической электростимуляции глубинных структур мозга в технологии имплантации электродов при лечении гиперкинезов и невропатической боли. Активную роль в продвижении брендов и технологий играют фирмы-производители устройств (электродов, стимуляторов и т. д.). Созданное в 1990-х годах в США International Neuromodulation Society (INS) трактует нейромодуляцию как терапевтическую активацию в центральной, периферической и автономной нервной системе электрическими факторами с помощью различных устройств (в том числе вживленных электродов) или фармакологически. В настоящее время нейромодуляция — это направление функциональной нейрохирургии, спектр применения которой ограничен. Пожизненное вживление электродов с целью купирования стойких болевых синдромов и гиперкинезов (нейромодуляция) имеет свои недостатки, и в ряде случаев неэффективно. Нейромодуляция является скорее обобщенным названием и не отражает механизмы реализации клинического эффекта (в данном случае это запредельное торможение афферентных путей болевой чувствительности мозга).

Обнаруженное учеными явление миграции ноциогенной зоны в сенсорноалгической системе человеческого организма при развитии болевых синдромов с последующей сенситизацией делает не совсем целесообразной пожизненную имплантацию электродов и электродных устройств для купирования болевых синдромов.

Сам термин «нейромодуляция» имеет более широкое значение, в частности, он используется для обозначения метода заместительной терапии «патологии регуляции».

Проблеме воздействия электрическими и электромагнитными импульсами различной частоты на человеческий мозг издавна уделяется особое внимание в связи с частотно-зависимым характером передачи информации в биологических системах.

Рис. 1. Электродное устройство для реализации неинвазивной нейромодуляции

Модуляция (лат. modulatio — ритмичность, размеренность) процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения), т. е. процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную частоту.

Американские исследования последних лет, также связанные с производством высокоэффективных устройств (инжинирингом) определили развитие нового направления — non-invasive brain stimulation (NIBS), которое существенно расширяет спектр применения аппаратной стимуляции. В ряде случаев стимуляция с помощью электромагнитных физических факторов приводит к обратному эффекту — супрессии нейрофизиологических параметров. В связи с этим правильнее использовать термин «неинвазивная нейромодуляция».

В настоящее время насчитывается около 100 различных неинвазивных методик электромагнитной модуляции. Наиболее распространены следующие технологии.

1. Мезодиэнцефальная модуляция (МДМ), или транскраниальная электростимуляция (ТЭС) —транскраниальный метод терапевтического воздействия на головной мозг при помощи импульсных токов. Исследования показали высокую эффективность применения транскраниальной электростимуляции в лечении неврологических заболеваний — уменьшение или полное исчезновение симптомов происходило в 80–90% случаев [11].
2. Транскраниальная стимуляция постоянным током (transcranial direct current stimulation, tDCS), или транскраниальная микрополяризация (ТКМП). Суть метода заключается в воздействии на отдельные структуры мозга очень слабым постоянным электрическим током.
3. Транскраниальная магнитостимуляция (ТМС) или ритмическая транскраниальная электростимуляция (рТМС) мозга — безопасный терапевтический и диагностический метод воздействия на нервные клетки. Процедура неинвазивна и безболезненна, применима при широком спектре неврологических, психиатрических и офтальмологических заболеваний как во взрослой, так и в педиатрической практике: от лечения фармакоустойчивой депрессии до болезни Паркинсона и детского церебрального паралича.
4. Магнитотерапия — метод физиотерапии, применяемый в рамках консервативного лечения различных болезней и в период реабилитации после хирургических вмешательств на опорно-двигательном аппарате. Механизм действия основан на оздоравливающем эффекте магнитного поля, которое способствует улучшению кровоснабжения спинного и головного мозга, насыщения кислородом сердца. Это приводит к повышению показателей сахара в крови, стабилизации артериального давления, нормализации функции внутренних органов. Для лечебных целей используют переменное или постоянное магнитное поле низкой и высокой частоты.
5. Воздействие электромагнитным полем крайне высокой частоты (КВЧ). КВЧ-терапия — применение волн миллиметрового диапазона с лечебной целью. Миллиметровые волны — электромагнитные колебания с частотой 30–300 ГГц. Это относительно новый и перспективный метод физиотерапии. В природе такие волны излучает Солнце, но они не доходят до Земли, их поглощает атмосфера. КВЧ-излучение обладает небольшой проникающей способностью в биологические ткани (так как их способны поглощать молекулы воды) и действует в поверхностных слоях кожи [11].
6. Фармакологическая нейромодуляция (пептиды, нейромодуляторы) как метод заместительной терапии «патологии регуляции», стимуляции антисистем широко используется в психиатрии и урологии. При стимуляции антисистем в ликворе обнаруживаются вещества, активирующие антисистему. Применение продуктов активации антисистем является перспективным для разработки специфической патогенетической терапии неврологических синдромов. Наиболее адекватным раздражителем для активации антисистем является электрический ток.

Важная составляющая концепции — изучение модуляции нейропластичности. Нейропластичность представляет собой совокупность различных процессов ремоделирования синаптических связей, направленных на оптимизацию функционирования нейрональных сетей (спрутинг), и заключается в различных изменениях структурно-функциональной и метаболической организации нервной системы, обеспечивающих продолжение эффекта, а также модуляцию эффекта при повторных воздействиях.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Клинико-нейрофизиологическое исследование больных с хронической ишемией головного мозга, травматической болезнью головного мозга, болевыми синдромами, а также функциональными расстройствами нервной системы выявило наличие признаков дисфункции лимбико-ретикулярного комплекса и мезодиэнцефальных структур головного мозга по данным электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и транскраниальной доплерографии (ТКДГ), общих механизмов патогенеза, определяющих дальнейшую направленность болезни (тенденцию к хронизации, истощению саногенетических резервов), связанных с дисфункцией сегментарных и надсегментарных вегетативных центров. Наличие алгических и психовегетативных синдромов, неспецифическое нарушение биоэлектрической активности мозга и церебральной гемодинамики является облигатным для больных с различной патологией нервной системы. Исследование раскрывает некоторые перспективы для немедикаментозной коррекции выявленных нарушений с помощью аппаратных воздействий электромагнитного физического фактора на головной и спинной мозг. Нами предложена концепция, в основе которой лежат нейрофизиологические процессы активации и торможения в центральной и периферической нервной системе, а также возможность их регуляции с помощью различных составляющих электромагнитного физического фактора.

Терапевтическими основами неинвазивной нейромодуляции в лечении травматичской болезни мозга, хронической ишемии мозга, болевых синдромов являются:

• оптимизация церебральной нейродинамики за счет ликвидации генераторов патологически усиленного возбуждения, по Г.Н. Крыжановскому (2005);
• стимуляция тормозных механизмов с выработкой соответствующих нейромедиаторов;
• оптимизация регуляторной функции вегетативной нервной системы (вегетативных ганглиях, ядрах гипоталамуса, лимбико-ретикулярном комплексе) на различных уровнях (центральном, периферическом);
• оптимизация церебральной и системной гемодинамики (снятие сосудистого спазма, улучшение венозного оттока, снижение внутричерепного давления, стимуляция ауторегуляторных механизмов) в зависимости от функционального состояния;
• ликвородинамические эффекты, изменение проницаемости гемато-энцефалического барьера;
• стимуляция антисистем (антиноцицептивной, антиневротической и др.);
• ослабление афферентного потока от ноцицепторов;
• симпатолитический и в аготонический эффекты;
• оптимизация психофизиологического статуса;
• стимуляция репаративных, регенераторных, компенсаторно-адаптационных, иммунных механизмов саногенеза за счет выработки продуктов стимуляции антисистем (серотонин, энкефалины, эндорфины);
• модуляция физиологической нейропластичности;
• психологический «плацебо» эффект от проводимой процедуры

Для реализации данной концепции нами предложены медико-технические решения [2, 4–7, 10]. Реализуется концепция с помощью программ ЭВМ управления выходными параметрами электростимулятора транскраниального и аппаратов для низкочастотной электромагнитотерапии (свидетельства о регистрации программ ЭВМ № 2005611926, 2003611167), а также новым классом ПК-совместимых устройств: электростимулятором транскраниальным (варианты), устройством для крепления электродов (патент РФ № 2297253 от 26.09.2003), устройством для реализации краниоспинальной электромагнитотерапии (патент РФ № 2264234 от 17.06.2004).

Рис. 2. Концептуальные основы неинвазивной нейромодуляции. КСЭМТ — краниоспинальная электромагнитотерапия; ТЭС — транскраниальная электростимуляция; рТМС — ритмическая транскраниальная магнитная стимуляция; tDCS — транскраниальная стимуляция постоянным током; СМТ — синусоидальные модулированные токи; МТ — магнитотерапия, КВЧ — терапия токами крайне высокой частоты.

Рис. 3. Нейросетевое моделирование — основа машинного обучения аппаратов для неинвазивной нейромодуляции

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Концепция обобщает применение неинвазивных методик электромагнитной стимуляции в неврологии. Эффективность неинвазивной нейромодуляции обусловлена центральными, периферическими и комбинированными эффектами транскраниальной электростимуляции, микрополяризации, сегментарно-ганглионарной магнитотерпии, связана с нейромодуляцией ауторегуляторных систем, сегментарных и надсегментарных вегетативных центров; подавлением генераторов патологически усиленного возбуждения (нейропатологических систем), активацией антисистем (противоболевой и антиневротической), оптимизацией церебральной нейро- и гемодинамики, уменьшением субъективной симптоматики и выраженности психовегетативных проявлений у больных хронической цереброваскулярной недостаточностью, травматической болезнью мозга и болевыми синдромами.

Нейромодуляторная концепция определила третий (наряду со стимуляцией/активацией и подавлением/супрессией) основополагающий — модуляторный подход к терапии заболеваний и травм нервной системы и продолжает динамически развиваться наряду с появлением новых технологических решений. Появление передовых технологий, в частности, с использованием искусственного интеллекта (нейросетей), позволит решать многие научные проблемы (рис. 2, 3).

About the authors

Alexey A. Voropaev

National Medical Research Center for Rehabilitation and Balneology of the Ministry of Health of Russia

Email: mgerasimenko@list.ru
ORCID iD: 0000-0003-0944-8234
SPIN-code: 4646-4268

PhD

Russian Federation, Moscow

Marina Yu. Gerasimenko

Russian Medical Academy of Continuous Professional Education of the Ministry of Health of Russia

Author for correspondence.
Email: mgerasimenko@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-1741-7246
SPIN-code: 7625-6452

DSc, Professor

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files