Операции и процедуры
ЭЭГ головного мозга (Электроэнцефалография)
Электроэнцефалография (ЭЭГ) — метод исследования функционального состояния головного мозга, основанный на регистрации его биоэлектрической активности через неповрежденные покровные ткани головы.
На ЭЭГ регистрируется электрическая активность мозга, генерирующаяся в коре, синхронизирующаяся и модулирующаяся таламусом и ретикулярными активирующими структурами. Регистрация биоэлектрических потенциалов головного мозга и графическое их изображение фотографическим методом или путем чернильной записи производятся специальным прибором — электроэнцефалографом. 
Его основным узлом являются высокочувствительные электронные усилители, позволяющие на бумажной ленте в реальном времени получать картину изменения колебаний биопотенциалов в разных областях коры больших полушарий, и осциллографические системы регистрации. Современные электроэнцефалографы — это многоканальные приборы (чаще имеющие 8 или 16, иногда 20 и более усилительно-регистрирующих блоков — каналов), позволяющие одновременно регистрировать биотоки, отводимые от нескольких симметричных отделов головы. Исследование должно проводиться в свето- и звукоизолированном помещении. Так как ЭЭГ является одним из способов, который позволяет с высокой точностью отличить эпилепсию от других пароксизмальных состояний, поэтому прохождение ЭЭГ(электроэнцефалограммы) стало обязательным для получения психиатрического освидетельствования для получения/замены водительских прав (согласно Письму Министерства здравоохранения и социального развития РФ от 5 апреля 2012 г. N 14-5/10/2-3374).
КАК ПРОВОДИТСЯ ЭЭГ ГОЛОВНОГО МОЗГА?
На голову человека одевается специальная шапочка с электродами-антенами, соединенными с самим прибором. Сигналы, поступающие с коры головного мозга, передаются на электроэнцефалограф, который преобразует их в графическое изображение (волны). Это изображение напоминает ритм сердца на электрокардиограмме (ЭКГ).
В процессе регистрации биотоков мозга пациент находится в кресле в удобном положении (полулежа). При этом ему не следует:
ПОКАЗАНИЯ К ЭЭГ
Электроэнцефалография применяется при всех неврологических, психических и речевых расстройствах. По данным ЭЭГ можно изучить цикл «сон и бодрствование», установить сторону поражения, расположение очага поражения, оценить эффективность проводимого лечения, наблюдать за динамикой реабилитационного процесса. Большое значение ЭЭГ имеет при исследовании больных с эпилепсией, поскольку лишь на электроэнцефалограмме можно выявить эпилептическую активность головного мозга.
ЭЭГ ГОЛОВНОГО МОЗГА ПРИ ЧМТ
С развитием КТ и МРТ диагностики электроэнцефалография (ЭЭГ) утратила свою роль в объективизации локальных поражений мозга. Однако она осталась незаменимой для оценки функционального состояния мозга в разные периоды тяжёлых ЧМТ.
При травме средней тяжести и тяжелой ЧМТ изменения электроэнцефалограммы (ЭЭГ) более грубые, протекают фазно. Выраженность медленных колебаний и нарушения альфа–ритма зависят от степени вовлечения в патологический процесс стволовых структур, наличия контузионных очагов и внутричерепных гематом. В области проекции контузионного очага проявление медленной активности зависит от локализации и распространения зоны ушиба.
Наиболее грубые локальные изменения, на фоне также грубо выраженных общемозговых изменений, выявляются при массивных корково-подкорковых очагах контузии. Патологические изменения в этих случаях имеют тенденцию к нарастанию в течение первых 5-7 сут.
В остром периоде при эпидуральных гематомах часто отсутствуют выраженные общемозговые изменения; очаговые имеют характер отграниченных медленных волн или локального угнетения альфа-ритма.
При субдуральных гематомах изменения электроэнцефалограммы (ЭЭГ) многообразны, характеризуются значительными общемозговыми изменениями: общим угнетением активности, наличием полиморфных дельта-волн при замедлении, снижении и дезорганизации альфа-ритма, проявлением вспышек медленных волн «стволового» типа. Очаговые изменения характеризуются обширностью, нечеткой отграниченностью. Нередко выявляется лишь межполушарная асимметрия без четкого очага.
При внутримозговых гематомах на электроэнцефалограмме (ЭЭГ) проявляются выраженные общемозговые дельта-тета-волны. Очаговые изменения в зоне проекции гематомы — в форме преобладания медленных волн. Особое значение для оценки состояния и прогноза имеет электроэнцефалография (ЭЭГ) при тяжелой ЧМТ, сопровождающейся длительным коматозным состоянием. В этих наблюдениях изменения электроэнцефалограммы (ЭЭГ) многообразны и зависят от тяжести травмы, наличия и локализации очагов контузии и внутричерепных гематом.
Для больных, перенесших тяжелейшую травму с обратимым течением, характерно фазное изменение электроэнцефалограммы (ЭЭГ). На начальном этапе — полиритмия с преобладанием медленных форм активности, реже — снижение амплитуды колебаний. Типично наличие сигма-ритма (13–15 Гц), характерного для нормального сна, билатеральных тета-волн или низкочастотного альфа-ритма, острых волн на фоне дельта-колебаний. Проявляется межполушарная асимметрия, реактивность на раздражения ослаблена. Отмечаются «стволовые» вспышки медленных волн. В дальнейшем при выходе из комы после фазы общего снижения активности постепенное восстановление активности.
При тяжелой ЧМТ, закончившейся летально, на фоне глубокого нарушения сознания и витальных функций на электроэнцефалограмме (ЭЭГ) доминирует медленная активность от медленных волн до бета-колебаний (альфа-кома, бета-кома), отличающаяся монотонностью, ареактивностью на раздражения, в том числе на болевые, сглаженностью регионарных различий. Очаговые медленные волны в зоне контузии или гематомы не проявляются. Типично преобладание тета-ритма низкой частоты (5Гц), указывающего на полную блокаду корковой активности и доминирование регуляции со стороны стволовых и подкорковых систем мозга.
В отдаленном периоде ЧМТ электроэнцефалография (ЭЭГ) позволяет определить эпилептическую активность. Патологические черты электроэнцефалограммы (ЭЭГ), как правило, сохраняются более длительный срок, чем клинические симптомы. Скорость восстановления электроэнцефалограммы (ЭЭГ) находится в зависимости от тяжести травмы. Наиболее стойкими изменения электроэнцефалограммы (ЭЭГ) оказываются в зоне контузионных очагов или бывшей гематомы. В этих зонах мозга нередко формируется эпилептическая активность.
Изменения электроэнцефалограммы (ЭЭГ) в отдаленном периоде проникающей ЧМТ могут проявляться в значительной степени на протяжении многих лет. Они носят как общемозговой характер, что обусловлено развившимися к этому времени нарушениями гемо- и ликвородинамики, так и проявляются локальными изменениями (эпилептическая или медленная активность) в зоне первичного поражения мозга.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭЭГ
Результат электроэнцефалограммы представляет собой запись на бумаге или в памяти компьютера. На бумаге записываются кривые, которые анализирует врач. Оценивается ритмичность волн на ЭЭГ, частота и ампли туда, выявляются характерные элементы с фиксацией их распределения в пространстве и во времени. Затем все данные суммируются и отражаются в заключении и описании ЭЭГ, которое вклеивается в медицинскую карту. 
Заключение ЭЭГ основывается на виде кривых, с учетом клинических симптомов, имеющихся у человека.
Такое заключение должно отражать основные характеристики ЭЭГ, и включает в себя три обязательные части:
Заключение согласно описанию ЭЭГ и его интерпретация (например: «Признаки ирритации коры и срединных структур мозга. Асимметрии между полушариями мозга и пароксизмальной активности не выявлено»).
Определение соответствия клинических симптомов с результатами ЭЭГ (например: «Зафиксированы объективные изменения функциональной активности мозга, соответствующие проявлениям эпилепсии»).
Долго собирался лечить геморрой, самое страшное было закончить жизнь с калоприёмником. Выбирал,. >>>
Хочу от всей души поблагодарить Маевского Владимира Леонидовича за проведенную операцию по. >>>
Выражаю огромную благодарность Владимиру Леонидовичу Маевскому. Буквально на днях была проведена. >>>
Хочу выразить огромную благодарность Толстых Владимиру Сергеевичу! Я делала у него операцию по. >>>
Информация
ЭЭГ головного мозга у детей. Информация для родителей.
ЭЭГ головного мозга у детей. Информация для родителей
Не удивительно, что любые обследования, выявляющие состояние головного мозга у детей, заставляют родителей переживать и нервничать. В действительности же большинство методов диагностики в педиатрии совершенно безболезненны и безопасны. Один из таких методов –энцефалография (ЭЭГ).
Суть метода
ЭЭГ головного мозга у детей – это исследование коры головного мозга, которое основывается на регистрации электрических потенциалов. Данный метод считается лучшим способом получения информации о работе мозга у детей любой возрастной группы.
Нервную систему человека составляют миллиарды клеток (нейронов). Нейроны обладают способностью создавать и передавать электрические импульсы. Совокупная активность нейронов образует биоэлектрическую активность головного мозга. Именно эта активность фиксируется и записывается графически при снятии ЭЭГ. В итоге получается электроэнцефалограмма. Этот график со множеством кривых линий сообщает врачу о процессах, происходящих в мозге ребёнка. Благодаря электроэнцефалограмме врач может определить нормально ли протекают процессы или они подверглись патологическим изменениям.
Показания к проведению ЭЭГ головного мозга
Получив направление на энцефалографию и разобравшись, что же это такое, у родителей возникает вопрос: зачем их ребёнку нужна эта процедура? Необходимо понимать, что энцефалография рекомендуется не только при подозрении того или иного заболевания, но и для обычной оценки работы мозга ребёнка. Энцефалографию ребёнку может назначить психиатр, невролог или нейрофизиатр.
Стандартные показания к проведению процедуры:
Энцефалография назначается при многих проблемах, связанных с работой нервной системы, т.к. ЭЭГ головного мозга обнаруживает основные нарушения в его функционировании. Энцефалография позволяет диагностировать такие заболевания как ДЦП, минимальная мозговая дисфункция, энцефалопатия, синдром вегетативной дистонии, эпилепсия и пр. Благодаря этой процедуре можно подобрать препараты для эффективного лечения, оценить продуктивность терапии.
Даже если у ребёнка не диагностированы серьёзные заболевания, но имеются трудности в поведении и развитии, ему назначают ЭЭГ. Энцефалография позволяет врачу обнаружить причины и степень выраженности патологии при отставании в речевом и моторном развитии, проблемах с памятью, рассеянном внимании, гиперактивности и т.д. Также ЭЭГ головного мозга рекомендуется школьникам при сильной утомляемости.
Подготовка ребёнка к процедуре
Ребёнка необходимо подготовить к проведению ЭЭГ головного мозга. Накануне обследования следует вымыть волосы ребёнка детским шампунем, т.к. для проведения энцефалографии на голову ребёнка будут установлены электрически датчики.
Младенцам проводят ЭЭГ только в состоянии сна, обычно это происходит днём. Чтобы ребёнок уснул на время проведения обследования, при записи на процедуру нужно учитывать привычный график сна и бодрствования. Так же врачи рекомендуют покормить ребёнка прямо перед процедурой из бутылочки. Если ребёнок находится на естественном вскармливании, то маме ребёнка следует сцедить молоко.
Детям после года ЭЭГ проводят в период бодрствования. Крайне важно, чтобы поведение ребёнка при этом было спокойным, и чтобы ребёнок чётко выполнял указания врача. В двух-трёх летнем возрасте добиться этого от ребёнка бывает сложно. В таком случае родителям необходимо уделить время психологической подготовке ребёнка к обследованию.
Всё это необходимо отрепетировать дома в привычной обстановке. Так как ребёнку придётся одевать специальную шапочку, следует включить этот момент в процесс подготовки. Если ребёнок регулярно принимает какие-то препараты, не следует отказываться от них перед проведением ЭЭГ головного мозга. Однако об этом следует сообщить врачу при проведении обследования.
Если у ребёнка насморк или кашель процедуру не проводят. Перед обследование с головы ребёнка следует снять все заколки, резинки, украшения. Снять серёжки. Косы необходимо расплести.
Начало процедуры
Энцефалографию проводят в небольшом помещении со свето- и звукоизоляцией. Комната оборудована кушеткой, пеленальным столиком, регистрирующим устройством. Перед процедурой ребёнку одевают специальную шапочку, которая может походить на тканевый шлем с электродами или представлять собой резиновую сетку, к которой крепится нужное количество датчиков. Датчики соединены с энцефалографом мягкими проводами. Биотоки, протекающие в электродах, крайне малы и не способны навредить ребёнку.
Энцефалографическое оборудование заземлено. Перед тек, как наложить датчики, врач наносит на них гель, воду или физраствор. Это необходимо для того, чтобы избежать воздушной подушки между кожей головы и датчиком. Иногда необходимо протереть кожу головы спиртом, чтобы удалить кожный жир. На уши ребёнку одевают клипсы-электроды, которые не проводят ток.
Особенности проведения процедуры
Порядок проведения ЭЭГ головного мозга зависит от возраста ребёнка. Дети до года обычно лежат на руках мамы или на пеленальном столике. Важно, чтобы ребёнок во время обследования спал. Если ребёнок капризничает, то его необходимо сперва успокоить. Сеанс энцефалографии длится максимум 20 минут, его цель – зафиксировать биоэлектрическую активность мозга ребёнка в спокойном состоянии.
Детям постарше могут проводиться более сложные обследования. Ребёнок располагается на кушетке полулёжа, голова не должна быть наклонена вперёд, в противном случае это может исказить электроэнцефалограмму. Необходимо, чтобы ребёнок был расслаблен.
Стандартная процедура ЭЭГ головного мозга включает в себя следующие этапы:
Длительность обычной процедуры – 30 минут, однако в некоторых случаях может понадобиться дополнительное исследование. Врач может прибегнуть к воздействию звуковыми стимулами, попросить пациента сжимать и разжимать кулаки, провести психологические тесты. Порой осуществляется фотостимуляция на более высоких частотах, предварительная темновая адаптация, предполагающая нахождение ребёнка в затемнённом помещении в течение 40 минут, или регистрация показаний во время ночного сна.
Расшифровка результатов
В результате ЭЭГ формируется документ – электроэнцефалограмма. На этом графике кривые линии отражают активность нейронов различных участков мозга. Итоги исследования фиксируются на бумаге и в компьютерной программе. Благодаря новым технологиям медицинские центры могут проводить спектральный анализ ЭЭГ, просматривать отдельные участки, рассчитывать их частоту и амплитуду, преобразовывать колебания в диаграммы, карты и таблицы. Всё это предоставляет врачу наглядные и точные данные, на основе которых он может поставить диагноз.
Энцефалография – абсолютно безопасная процедура, такую процедуру можно повторять многократно.
При этом важно, чтобы родители сохраняли результаты предыдущих ЭЭГ, т.к. в юном возрасте нервная система только созревает и характеристики её деятельности очень изменчивы. Благодаря результатам ЭЭГ разных периодов жизни, врач сможет следить за динамикой развития головного мозга и адекватно оценить общую картину заболевания.
Биоэлектрическая активность клеток-нейронов – это крайне важный показатель работы нервной системы. ЭЭГ головного мозга у детей является единственным точным, безопасным и доступным методом анализа работы структур мозга, который применим, как для постановки диагноза, так и для контроля лечения. Исходя из этого, получив от врача направление на ЭЭГ, родителям стоит спокойно отнестись к предстоящей процедуре и правильно подготовить ребёнка к обследованию.
Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги
Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги
Роботизированный экзоскелет, управляемый нейроинтерфейсом.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: В СМИ часто можно услышать о проектах, которые помогают парализованным людям взаимодействовать с окружающим миром. Но в этой статье мы поговорим о не менее интересной, но более обойдённой вниманием теме — о нейроинтерфейсах, помогающих людям с параличом конечностей восстанавливать самостоятельную двигательную активность.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
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 — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
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
Методы регистрации сигналов мозга
Первое звено в схеме работы ИМК — это получение сигнала от мозга. Для этого используют следующие методы:
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.
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].
Как эффективно воображать движения
Известны следующие особенности воображения движений, которые повышают его эффективность:
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.
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).
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.
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.
Рисунок 7. Образование новый нейронных связей в области повреждения спинного мозга (ПСМ).
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. 8) [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.
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.
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.
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 2016 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.
Видео 2. Процесс проведения эксперимента.
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.
Заключение
Современная наука в области нейрореабилитации стремительно развивается и достигает удивительных результатов — в буквальном смысле ставит на ноги людей, ранее прикованных к кровати или инвалидной коляске. Появляются новые, более эффективные способы регистрации сигналов мозга; использование ИМК дополняется использованием обратной связи, ФЭС и ЧЭССМ; углубляются знания о механизмах нейропластичности; проводятся масштабные исследования в области разработки техник нейрореабилитации. Однако остается проблема доступности данных методов. Они очень дорогостоящие и доступны только в определённых клиниках; далеко не каждый может себе их позволить. В нашей лаборатории ведётся разработка нейрореабилитационных систем, которые просты в применении и по цене доступны для закупок в государственных бюджетных больницах.
Благодарности
Автор выражает благодарность своему научному руководителю Бобровой Елене Вадимовне, заведующему лабораторией Герасименко Юрию Петровичу и безвременно покинувшему нас в прошлом году Александру Алексеевичу Фролову (01.11.1943–10.06.2020) — одному из ведущих российских исследователей в области ИМК.