высокочастотная стимуляция спинного мозга
Высокочастотная стимуляция спинного мозга
Метод лечения хронического болевого синдрома, спастики, нарушения функции тазовых органов.
Эффект достигается при помощи электрических импульсов, которые доставляются электродами, имплантированными в эпидуральное пространство.
Электроды соединяются с нейростимулятором, который имплантируется подкожно.
На сегодняшний день консервативные методы лечения не всегда обеспечивают достаточное обезболивание.
Невропатическая боль (НБ) может быть фармакорезистентной (лекарства не приносят желаемого облегчения или вызывают непереносимые побочные эффекты).
Нейростимуляция является альтернативным методом лечения пациентов с НБ, в случае если традиционные консервативные методы лечения не приносят желаемого результата.
ТЕСТОВАЯ НЕЙРОСТИМУЛЯЦИЯ (ТН)
ТН предполагает имплантацию электрода, который является частью системы для проведения теста. Введение электрода осуществляется под местной анестезией. Благодаря ТН уже на операционном столе удается получить анальгетический (обезболивающий) эффект, а также с большей долей вероятности прогнозировать эффективность нейростимуляции еще до имплантации всей системы.
Тестовый период в течение 7-10 дней проводится в амбулаторных условиях, приближенных к повседневным, для лучшей оценки больным динамики болевого синдрома и влияния его на повседневную активность. В тестовом периоде проводится подбор оптимальных параметров электростимуляции.
Обязательное условие: Перед установкой нейростимулирующей системы проводится тестовая стимуляция (см. выше), при которая позволяет врачу убедиться в эффективности методики.
КОМПОНЕНТЫ SCS-СИСТЕМЫ КОМПАНИИ MEDTRONIC
Система для неиростимуляции состоит из трех базовых имплантируемых компонентов, которые могут использоваться унилатерально или билатерально:
Нейростимулятор, или имплантируемый генератор импульсов.
Нейростимулятор представляет собой изолированное устройство, похожее на кардиостимулятор, состоящее из батареи и электроники. Он имплантируется подкожно, и вырабатывает электрические импульсы, необходимые для унилатеральной или билатеральной стимуляции. Эти импульсы проводятся по удлиннителям и электродам в спинной мозг.
Электрод представляет собой тонкий изолированный четырехжильный провод с четырьмя, восемью или 16-ю контактами на кончике. Электрод имплантируется в эпидуральное пространство, чтобы проводить туда электрический ток, осущевляющий нейростимуляцию. Оптимальное положение электрода всегда находится в корреляции с зоной боли пациента. Для стимуляции спинного мозга электроды имплантируются в эпидуральное пространство (между позвонком с твердой мозговой оболочкой), при этом контакты электродов находятся достаточно близко к заднему рогу спинного мозга, чтобы осуществлять стимуляцию толстых миелиновых нервных волокон.
Неимплантируемые компоненты системы
К неимплантируемым компонентам системы относятся пульт пациента и программатор врача, которые используются для управления нейростимулятором.
Программатор врача N’Vision. Используется для программирования нейростимуляторов. Параметры импульсов, вырабатываемых нейростимулятором, могут быть неинвазивно изменены при помощи программатора врача. Программатор передает настройки нейростимулятору дистанционно при помощи радиочастотной связи.
Пульт пациента. Пульт пациента-это портативное устройство, которое позволяет пациенту самостоятельно включать и выключать нейростимулятор,когда это необходимо, а также проверять уровень заряда батареи нейростимулятора.
ПРЕИМУЩЕСТВА СИСТЕМЫ
К преимуществам стимуляции спинного мозга SCS относятся:
ПОКАЗАНИЯ ДЛЯ SCS
ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ
ОСЛОЖНЕНИЯ
Приглашаем Вас принять участие в следующих циклах тематического усовершенствования.
Уважаемые коллеги!
В 2020 году увеличилось количество бюджетных мест в ординатуру по специальностям.
СММ. Стимуляция спинного мозга для устранения хронических болей в спине и нижних конечностях
1. Стимуляция спинного мозга
Стимуляция спинного мозга пульсирующими электрическими импульсами позволяет облегчить или полностью устранить хронические боли в определённых клинических ситуациях.
ССМ (стимуляция спинного мозга) происходит посредством имплантированных в эпидуральную область электродов. Сами импульсы генерируются другой частью системы, размещённой подкожно в районе ягодиц или живота. Запуск и остановка электромагнитного воздействия осуществляется самим больным через дистанционный пульс. Также имеется возможность регулировать частоту и интенсивность генерируемых импульсов. Генератор электрических сигналов снабжён батареей, которая подзаряжается бесконтактно. Электроды в спинной мозг имплантируются под местной анестезией. Они могут быть монополярными или биполярными.
2. Показания к операции
ССМ показана и эффективна в следующий ситуациях:
3. Подготовки к операции по имплантации электродов
Поскольку в результате операции в организм больного попадёт и будет длительно размещено инородное тело, необходимо проведение профилактических мероприятий для исключения риска инфицирования и развития иных осложнений:
4. Имплантация и реабилитация после операции
Имплантация и внедрение всех элементов системы для эпидуральной стимуляции включает следующие этапы:
После операции
Уже в первые сутки после имплантации пациенту разрешается вставать и ходить. Выписка из стационара происходит на 3-5 день. Больной получает брошюру с подробным описанием системы, инструкцией по настройке и методикой обезболивания. Через некоторое время необходимо контрольное посещение и консультация у оперирующего специалиста.
Стимуляция спинного мозга
Новый метод электрической стимуляции спинного мозга без операции состоит в наложении электродов на кожу в области позвоночника и на переднюю поверхность тела. Благодаря особой форме импульсов ток большой амплитуды достигает спинного мозга и при этом не вызывает болезненные ощущения у пациента. В зависимости от места расположения электродов и параметров применяемого тока (частота следования импульсов, форма импульсов, интенсивность тока) чрескожная стимуляция спинного мозга действует на двигательную систему, на выделительные функции, на кровеносную и сердечно-сосудистую и другие системы организма.
Новый метод восстановления опорно-двигательного аппарата
Уникальный метод был разработан в Институте физиологии им. И.П. Павлова Российской академии науки, защищен патентами (RU2471518, RU2529471, RU2545440, RU2627359). Безопасность и эффективность метода доказана в клинических испытаниях на базе ФГБУ «СПб НИИФ» Минздрава России и ФГБУ «НИДОИ им. Г.И. ТУРНЕРА» Минздрава России. Реабилитационный центр ЭйрМЕД применяет метод чрескожной электрической стимуляции в тесном взаимодействии с создателями метода из Института физиологии им. И.П. Павлова. В 2016 году был подписан договор о сотрудничестве между Институтом физиологии им. И.П. Павлова и ООО ЭйрМЕД для создания и практического использования научно-обоснованных программ реабилитации и абилитации лиц с нарушениями опорно-двигательного аппарата и коммуникации.
У пациентов, парализованных после травмы спинного мозга, краткосрочные курсы чрескожной электрической стимуляции спинного мозга приводят к восстановлению разных типов чувствительности, мышечной силы, выделительных функций.
Доказано, что результатом длительных курсов электростимуляции спинного мозга является восстановление произвольных движений парализованных конечностей, как верхних, так и нижних, и возможность самостоятельно стоять.
У пациентов, перенесших инсульт, а также у детей с тяжелой формой ДЦП, применение чрескожной электростимуляции спинного мозга приводит к уменьшению спастики, увеличению объема движений, к улучшению координации движений.
В ЭйрМЕД реабилитационные мероприятия проводятся курсом, в соответствии с планом индивидуально создаваемого реабилитационного маршрута, целью которого является достижение решения конкретных задач, наиболее важных для пациента.
Подготовительный массаж для активации базальных ядер, спинальная электростимуляция с синхронизированной двигательной активностью (актуально в восстановительном периоде после перелома позвоночника и других причин, приводящих к нарушению функции движения) — 7900 ₽
Проконсультироваться с врачом
Отзывы
Предлагаем вашему вниманию отзывы пациентов о стимуляции спинного мозга.
Эпидуральная стимуляция спинного мозга – когда боли становятся хроническими
Если хроническая боль в спине не исчезает даже после лечения современными методами, так называемый нейростимулятор может обеспечить постоянное облегчение. Принцип: при стимуляции спинного мозга мягкие импульсы тормозят переадресацию боли в мозг. Эта минимально инвазивная процедура давно заняла свое место в лечении боли, она существует уже более 30 лет. Около 1500 пациентов ежегодно лечатся с помощью этого метода в Германии.
Процедура имеет название: эпидуральная стимуляция спинного мозга (англ. spinal cord stimulation = SCS). Это, безусловно, самая распространенная форма нейростимуляции. Способ предполагает введение одного или нескольких электродов в эпидуральное пространство и подачу тока через электродные контакты. Электроды подключены к так называемому нейростимулятору или нейромодулятору, который вводится под кожу живота пациента. Контакт между электродами и нейростимулятором приводит к стимуляции задних отделов спинного мозга, и пациент теперь замечает приятное покалывание там, где до лечения его мучили сильные боли. При этой терапии, при которой электрические импульсы предотвращают боль или облегчают ее, нервы не повреждаются. Кроме того, одним движением руки пациент может включать и выключать устройство, а также регулировать силу желаемой стимуляции. Любой, кто когда-либо страдал от продолжительных болей, знает, что боль часто может привести к депрессии, некоторые люди вообще не могут сосредоточиться на своей работе. Процедура SCS дает устойчивое облегчение боли и дарит пациенту новое качество жизни.
Когда рекомендуется эпидуральная стимуляция спинного мозга?
Для рекомендации стимуляции спинного мозга существует множество показаний. Предпочтение ей отдается тогда, когда консервативные методы уже не помогают. Т. е. она применяется в основном при хронической боли. Например, при иррадирующих болях из-за рубцевания после операции на межпозвоночном диске (постнуклеотомический синдром).
Метод также показан при так называемом комплексном регионарном болевом синдроме I и II типа (КРБС/синдром Зудека), при окклюзии периферических артерий (нервные боли при нарушениях кровообращения в ногах), при крайне болезненной диабетической полинейропатии и при фантомных болях. Если сердечные боли в области груди и рук из-за нарушений сердечного кровообращения (стенокардия) больше не поддаются кардиологическому лечению, то стимуляция также имеет смысл. Пациенты с мигренью и перенесенными инфекциями опоясывающего лишая (постгостерическая невралгия) также сообщают о значительном облегчении боли и поразительном улучшении качества жизни после стимуляции спинного мозга. После аварий с участием нервов на руках или в ногах, а также после операции по поводу варикозного расширения вен и паховой грыжи отдельные профессиональные сообщества также рекомендуют лечение с помощью процедуры SCS.
Вся процедура состоит из нескольких этапов. Всё начинается с точного неврологически-ортопедического обследования и интенсивного разговора с пациентом для сбора анамнеза. Мы должны выяснить, где именно причины жалоб, и когда мы это знаем, то будет ли нейростимуляция полезной или эффективной. Это включает в себя другие визуализационные обследования, такие как МРТ и/или КТ областей вокруг позвоночника. После этого, если мы понимаем, что нейростимуляция имеет смысл, мы обсудим это с вами и порекомендуем вам этот метод.
Следующий шаг служит для вашей безопасности и проверки того, имеет ли смысл этот вариант болеутоляющей терапии не только теоретически (после первых обследований), но и практически. Мы используем так называемую тестовую стимуляцию. В это время мы проверяем, наблюдается ли значительное уменьшение боли, принимаете ли вы меньше и/или более слабые болеутоляющие, чувствуете ли вы себя комфортно, и сможете ли вы справиться со стимуляцией в повседневной жизни. Как проходит этот этап тестирования? Через небольшой разрез на уровне среднего грудного отдела позвоночника под местной анестезией маленькие электроды помещаются специальной пункционной иглой на наружном слое спинного мозга и нервных корешков. Эта процедура проводится чрескожно.
Если же улучшение есть, то начинается следующий этап. Под общим наркозом импульсный генератор, похожий на кардиостимулятор, имплантируется под брюшную стенку и соединяется с электродами. Мы устанавливаем генератор на тот уровень импульсов, который лучше всего помог вам на этапе тестирования. После процедуры вы получите для вашего стимулятора пульт дистанционного управления, который позволяет регулировать в любое время состояние боли или покалывание. Этот нейростимулятор питается от батареи. Батарея работает несколько лет (от двух до девяти), когда она истощится, ее можно заменить. Отрицательные побочные эффекты нейростимуляции неизвестны.
Сразу после операции
Показан относительный постельный режим. Вы остаетесь в клинике в течение нескольких дней, чтобы вылечить ранние побочные эффекты на их ранней стадии и уточнить параметры стимуляции.
Следующие дни после операции
Уже на следующий день вы можете вставать и ходить. В эти же дни происходит подгонка параметров стимулятора, и персонал обучает вас работать с прибором (пультом дистанционного управления).
Преимущества/осложнения – процент успеха составляет примерно 85%!
Чем раньше вы решитесь на нейростимуляцию, тем эффективнее будет лечение боли. Выражаясь в цифрах: если вы терпите боль в течение двух лет, а затем делаете эту процедуру, то 85% таких пациентов имели успешное лечение. Если продолжительность болевого синдрома более 15 лет, показатель успеха снижается до 9%. Если взять среднее, то более 50% всех пациентов получают улучшение от нейростимуляции. Кроме того, этот метод лечения боли имеет преимущество быстрого восстановления, потому что он проводится минимально инвазивно. Кроме того, вам нужно принимать меньше обезболивающих, которые, возможно, в прошлом приводили к тошноте, головокружению, запорам и хроническому повреждению печени или почек. И еще: интенсивность стимуляции вы можете контролировать самостоятельно.
Автор
Др. мед. Мунтер Сабарини
Врач-специалист, нейрохирургия
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.