В исследовании, опубликованном 3 мая в Nature Biotechnology, исследователи Института нейробиологии UCSF Weill имплантировали новые устройства нейростимуляции, которые отслеживают активность мозга в течение многих месяцев, с терапией глубокой стимуляции мозга (DBS) и без нее. Сопоставив записи головного мозга с портативными мониторами движений, они определили паттерны мозговой активности, соответствующие определенным двигательным аномалиям, связанным с болезнью Паркинсона. Их исследование предоставляет первое свидетельство при нормальной повседневной деятельности в пользу давней гипотезы о том, что симптомы Паркинсона связаны с неустойчивыми моделями мозговых волн, и демонстрирует, как DBS восстанавливает порядок в мозговых волнах пациента.
«Мы можем записывать сотни часов активности мозговых волн по беспроводной сети, пока пациенты занимаются обычными делами», – сказал Филип Старр, доктор медицинских наук, профессор неврологической хирургии Долорес Кейкбред в Калифорнийском университете в США и старший автор исследования. "Это позволяет нам действительно впервые понять активность мозга, стоящую за конкретными неврологическими проблемами, поскольку они возникают в реальном мире."
Болезнь Паркинсона – это дегенеративное неврологическое заболевание, которое вызывает замедление движений (брадикинезию), затруднения при ходьбе и тремор, а также симптомы, не связанные с движением.
По данным Фонда Паркинсона, ежегодно около 60 000 американцев заболевают болезнью Паркинсона. Точная причина болезни Паркинсона неизвестна, но у всех пациентов наблюдается снижение уровня дофамина – нейромедиатора, который регулирует мотивацию в головном мозге.
Уже давно подозревали, что беспорядочные мозговые волны также играют роль в возникновении симптомов Паркинсона. Предыдущие исследования по мониторингу волновой активности мозга у пациентов с болезнью Паркинсона ограничивались короткими периодами в клинических условиях. Это значительно ограничивает объем данных, доступных для анализа, обеспечивая ограниченное представление об активности мозга пациента, которая циклически меняется и меняется в течение дня.
Старр и ведущий автор исследования Рои Гилрон, доктор философии, научный сотрудник отделения неврологической хирургии, стремились получить более полную картину.
Они имплантировали небольшие датчики, измеряющие электрическую активность, в области подталамуса и моторной коры головного мозга пяти пациентов с болезнью Паркинсона. Эти датчики были подключены к генераторам импульсов, позволяющим определять активность мозга.
Это позволяло вести непрерывную запись активности мозга, пока пациенты занимались своим распорядком дня.
Месяцы записей дали огромное количество данных.
Чтобы разобраться во всем этом, исследователи разработали алгоритм для сравнения активности мозговых волн с данными, записанными с датчиков движения, которые пациенты носили на запястьях. Они обнаружили, что периоды дискинезии (чрезмерное движение, вызванное лекарствами) и брадикинезии соответствовали усиленным мозговым волнам в определенных частотных диапазонах как в подталамусе, так и в моторной коре.
После нескольких месяцев записи и анализа исследователи пошли дальше и измерили влияние DBS на пациентов. DBS доставляет электрические импульсы в мозг и уже давно используется для облегчения симптомов болезни Паркинсона, хотя ранее не было понятно, почему это работает.
Это исследование продемонстрировало, что глубокая стимуляция мозга, по-видимому, улучшает симптомы Паркинсона, регулируя неустойчивые паттерны мозговых волн пациентов, частично за счет подавления низкочастотных волн, препятствующих движению, и регулирования волн более высоких частот, которые способствуют движению.
Предыдущие исследования с использованием имплантированных систем записи не могли зафиксировать влияние активной стимуляции на активность мозговых волн, поскольку электрические сигналы, создаваемые стимуляцией, вызывали помехи при записи.
В новом исследовании Гилрон и его коллеги разработали обходной путь, используя тот же принцип, что и в наушниках с шумоподавлением. Компенсируя электрические волны, создаваемые стимуляцией, исследователи могли заставить сигналы нейтрализовать друг друга, что позволило точно регистрировать мозговые волны с помощью записывающего провода.
«Это первый раз, когда мы смогли измерить влияние непрерывной стимуляции на мозговые волны», – сказал Гилрон. "Раньше мы проводили глубокую стимуляцию мозга сотням тысяч пациентов, не имея возможности контролировать немедленный эффект. Это было все равно, что пытаться лечить артериальное давление, не измеряя его."
Эти общие результаты помогают прояснить некоторые факторы, лежащие в основе болезни Паркинсона, но у каждого пациента с болезнью Паркинсона, вероятно, будут свои уникальные колебания мозговых волн. Исследователи говорят, что именно поэтому непрерывная нейронная запись так важна для успешного лечения.
Огромный набор данных, собранный из записей пациентов, помогает выявить мельчайшие паттерны мозговых волн, которые коррелируют с симптомами Паркинсона. При надлежащем анализе можно было предвидеть появление симптомов Паркинсона и корректировать паттерны мозговых волн при проявлении симптомов.
"Это похоже на космический телескоп Хаббла", – сказал Гилрон. «Мы могли видеть ночное небо перед ним, но Хаббл позволил нам увидеть гораздо больше деталей и объема, и это привело к уникальным открытиям.
Я надеюсь, что эта техника тоже подойдет."
Следующим шагом для исследователей станет рандомизированное клиническое исследование с участием 10 пациентов. Исследователи полагают, что это значительно ускорит индивидуальное лечение болезни Паркинсона, потому что новые алгоритмы для выявления паттернов симптомов могут быть протестированы немедленно, в отличие от лет, а иногда и десятилетий, затрачиваемых на разработку новых лекарств.
Исследователи говорят, что полученные данные имеют потенциал и помимо болезни Паркинсона.
Множество неврологических расстройств, связанных с неустойчивой активностью мозговых волн, таких как эпилепсия, хроническая депрессия и хроническая боль, вероятно, можно лечить таким же образом – посредством мониторинга активности мозга в реальном времени и персонализированной нейромодуляции.
«Мы рассматриваем популяцию пациентов с болезнью Паркинсона как способ развития этой платформы», – сказал Старр. "Надеюсь, это будет использовано при расстройствах, при которых в настоящее время у нас нет эффективных методов стимулирующей терапии."
Финансирование: NIH / NINDS UH3 NS100544 (Инициатива BRAIN)
Раскрытие информации: имплантированные исследовательские устройства были предоставлены бесплатно по контракту с Medtronic, Inc.