Нейростимуляция различных отделов нервной системы — одно из перспективных направлений современных научных исследований. С её помощью, например, можно придать чувствительность механическим протезам у людей, потерявших части тела.
Какие ещё проблемы может решить нейростимуляция? Что является причиной хронических болей? Какие исследования по воссозданию ощущений у животных уже можно внедрять в клиническую практику среди людей и ждёт ли нас в скором времени лечение при помощи чипов в мозге?
На эти и другие вопросы в своём выступлении в Ельцин Центре 23 марта ответили два эксперта Сколковского института науки и технологий: Михаил Лебедев — нейрофизиолог и специалист в области нейроинтерфейсов, профессор МГУ; и Дария Клеева — научный сотрудник Сколтеха и НИУ ВШЭ, специалист по нейровизуализации и разработке алгоритмов для анализа данных мозговой активности.
С их выступления начался совместный курс Ельцин Центра и Сколтеха по современной нейробиологии «Мозги, да и только», в рамках которого, в частности, уже прошла лекция Льва Яковлева о нейрофизиологии воображения. Ближайшее мероприятие цикла — лекция Гургена Согояна «С мозгом на языке чувств: технологии тактильного восстановления», которая состоится в июне.
Реальность в ощущениях
Прежде чем перейти к описанию работы нейроинтерфейсов, Михаил Лебедев рассказал слушателям об устройстве соматосенсорной системы и первичных рецепторах, которые обеспечивают все аспекты нашего восприятия. В качестве примера сложности этой системы он привёл функционирование двух органов моторного контроля: мышечного веретена, которое измеряет длину мышцы при её сокращении и органа Гольджи, который измеряет силу её напряжения. Оба являются так называемыми механорецепторами. Основной механизм заключается в том, что встроенные в них мембраны реагируют на растяжение. Когда мембрана растягивается, открываются каналы, что запускает гормональный процесс. В конечном итоге это вызывает действительный потенциал на нервных окончаниях гамма-нейронов, расположенных в спинном мозге. Американские учёные Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян за исследование данного механизма получили в 2021 году Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.
Особенностью веретена являются интрафузальные мышечные волокна, помогающие этому рецептору сокращаться при укорочении мышцы. Точно так же можно измерить ответы от органа Гольджи при его удлинении. В коже присутствует огромное количество и других рецепторов. К ним, например, относятся руффинианские и мейснеровы тельца, которые реагируют на прикосновения и вибрацию. Информация от рецептора поступает в спинной мозг, затем направляется в головной мозг и проходит некоторые переключения в ядрах, расположенных в стволе мозга и таламусе. Из этого органа данные попадают в кору головного мозга, отвечающую за соматосенсорную информацию, которая называется соматосенсорной корой.
Исследования показали, что рецепторы соматосенсорной системы можно «обмануть» при помощи внешнего воздействия, что открывает путь к лечению ряда заболеваний моторно-двигательного аппарата. Оказалось, что вибрационная стимуляция рецепторов может вызывать довольно мощные ответы. Например, если закрыть глаза и активировать ахиллово сухожилие, испытуемый начнёт падать назад. Аналогично, если провибрировать мышцы шеи, он будет падать вперёд. Если вибрационно воздействовать на ногу испытуемого, можно вызвать шагательные движения. Такие ответы называются тоническими вибрационными рефлексами.
— Это интересно, потому что восстановление ходьбы у парализованных является проблемой, и использование вибрации может быть способом активировать ходьбу, — говорит Михаил Лебедев.
Исследования соматосенсорной коры и путь к созданию нейроинтерфейсов
Изучить функционирование сенсорной коры помогли исследования мозга крыс. На основании результатов была сформулирована так называемая «теория эфферентной копии». Эфферентная копия — это предсказание изменения сенсорных сигналов, которые должны произойти в результате движения. Согласно этому представлению, сенсорная информация оценивается не сама по себе, а в сравнении с ожиданием.
Пример эфферентной копии — эффект неподвижного эскалатора — человек, приученный многодневной практикой взаимодействовать с движущимся эскалатором, испытывает необычные ощущения, когда входит на неподвижный. Таким образом, ощущения никогда не являются пассивными реакциями органов чувств, а скорее активным движением, вызванным стимуляцией, — говорит Михаил Лебедев.
Исследователи также проводили эксперименты с обезьянами, сравнивая их реакции на электрическую стимуляцию с ощущениями прикосновения. Эксперименты показали, что обезьяны могут различать вибрации и частоту стимуляции и сравнивать их с реальными ощущениями. Аналогичным образом в начале XX века Чарльз Шеррингтон и Уайлдер Пенфилд получили возможность стимулировать различные точки сенсорной коры человека при помощи электродов и вызывать ощущение прикосновения. Некоторые люди испытывали натуральные ощущения, но в большинстве случаев ощущения были не очень натуральными.
Эти и другие исследования легли в основу разработки современных нейротехнологий. Нейротехнологии, включая электрическую стимуляцию нервной системы, являются основным методом помощи людям с неврологическими повреждениями. Электрическая стимуляция нервной системы позволяет воссоздавать ощущения путём активации соответствующих областей коры мозга и используется для восстановления ощущений у людей, потерявших их из-за неврологических повреждений. Исследования в области сенсорной системы и стимуляции нервной системы помогают нам лучше понять, как мы взаимодействуем с внешним миром и как можно восстановить или создать новые ощущения у людей с помощью передовых технологий.
Возможности инвазивных нейроинтерфейсов
О нейроинтерфейсах и различных способах их применения слушателям рассказала Дария Клеева, которой Михаил Лебедев передал слово.
Нейрокомпьютерный интерфейс, или интерфейс «мозг — компьютер», — это система, созданная для обмена информацией между мозгом и электронным устройством. В однонаправленных интерфейсах внешние устройства могут либо принимать сигналы от мозга, либо посылать ему сигналы. Двунаправленные интерфейсы позволяют мозгу и внешним устройствам обмениваться информацией в обоих направлениях.
В начале своего выступления Дария Клеева рассказала об экспериментах с обезьянами, которые при помощи инвазивных (имплантированных в мозг) нейроинтерфейсов могли управлять виртуальными объектами. Перед обезьяной был экран, и она управляла движением виртуальных рук на этом экране, выполняя определённые задания. Обнаружилось, что при подключении обратной стимуляции обезьяны начали учиться быстрее, переходя от простых заданий к более сложным.
— Когда виртуальный «палец» пересекал ребро решётки на экране, мы предоставляли электрическую стимуляцию. И обезьяны справлялись с задачей быстрее, чем если бы двигались в виртуальном пространстве через нейроинтерфейс, — рассказала Дария.
Подобные исследования с использованием инвазивной методики проводились и на людях. Группа американских учёных имплантировала электроды парализованному человеку. С помощью имплантированных электродов он использовал роботизированную руку и ощущал прикосновение в виде рукопожатия. Затем исследовательница перешла к описанию конкретных проблем, в решении которых может помочь нейростимуляция. Например, это такой феномен, как фантомные боли.
Природа боли
За болевые ощущения в теле человека отвечают болевые рецепторы, также известные как ноцицепторы. Они находятся в спинномозговых узлах и порождают потенциал действия в ответ на различные стимулы боли. Сигналы от ноцицепторов передаются по нервным трактам к конечностям в сторону спинного мозга. Болевая реакция отличается от реакции на другие сенсорные стимулы, — отметила Дария Клеева. — Болевые рецепторы реагируют на механическое или термическое воздействие, а также на химические воздействия. Ноцицепторы начинают реагировать на стимуляцию только при достаточно высоком уровне её интенсивности.
Скорость передачи боли зависит от степени миелинизации нервного волокна — так учёные называют процесс образования билипидного миелинового слоя вокруг аксона нейрона. Высокая миелинизация позволяет сигналам быстро передвигаться по нейронным трактам, а участки без миелина, так называемые перехваты Ранвье, позволяют сигналам восстанавливать потенциал действия.
Экспериментально было показано, что активация частично миелнизированных нервных волокон типов α (альфа) и δ (дельта) вызывает первичную остроощущаемую боль. Затем волокна, которые передают сигнал очень медленно, порождают вторичную боль.
— Если заблокировать волокна типов α и δ, то первичная боль не возникает, но остаётся вторичная боль, — комментирует Дария Клеева. — А если блокировать волокна типа C, то остаётся только первичная боль. На основе этого принципа блокировки определённых типов волокон разработаны некоторые анальгетики. В центральной нервной системе существует два основных механизма, отвечающих за обработку боли. Восходящий путь — это отправка информации о болевом стимуле от периферии (например, конечности) через спинной мозг и спинномозговые узлы в таламус, где происходит её частичная обработка с последующей передачей сигнала в соматосенсорную кору, где происходит грубая оценка места боли.
Затем включается нисходящий путь — он включает модуляцию боли, то есть вторичную переработку соматосенсорной информации. Эти проекции идут в средний мозг и возвращаются обратно. Таким образом активируются тормозные нейроны, которые могут снизить или изменить феноменологию боли. Нисходящий путь часто используется в принципах подавления боли, — рассказывает Дария Клеева.
Нейростимуляция как альтернатива анальгетикам
Традиционно для купирования боли применяются различные препараты. Например, опиоиды эффективны для краткосрочного облегчения боли, так как они блокируют сигналы боли в центральных и специальных отделах мозга. Однако повторное использование опиоидов может вызвать снижение их эффективности и развитие зависимости, требующей повышения дозы.
Ещё один минус фармакологического подхода: исследования показывают, что различия в индивидуальном восприятии боли настолько значительны, что нет универсального анальгетика, который бы помогал всем одинаково. В некоторых случаях побочные эффекты препаратов могут смешиваться с их эффективностью. Но есть альтернативный подход — нейростимуляция.
Нейростимуляция в борьбе с болью основана на следующем принципе: сенсорные сигналы для блокировки болевых сигналов отправляются по миелинизированным волокнам. Нейростимуляцию можно проводить не только на периферических нервах, но и на спинном мозге или непосредственно в головном мозге. Для этого используют как инвазивные методы (внедрение электродов в мозг, нервную ткань или через кожу для стимуляции периферических нервов), так и неинвазивные (магнитная или электрическая стимуляция).
По словам Дарии Клеевой, нейростимуляция может быть эффективным методом, однако минусы есть и здесь. Исследования на молекулярном уровне обнаружили изменения, связанные с эффектами нейростимуляции, включая высвобождение эндорфинов и серотонина при стимуляции ядер продолговатого мозга. Также активизируются опиоидные пептиды, которые подавляют боль.
Периферическая нейростимуляция может быть более точной и эффективной, если известно место, которое нужно стимулировать. Различные методы стимуляции играют важную роль в области лечения болевых синдромов. Они позволяют направлять ток в определённые области нервной ткани с использованием различных типов электродов.
Современные исследования сосредотачиваются на разработке биосовместимых электродов, которые могут быть размещены на коже, проникать сквозь неё или быть размещены вблизи нерва, обеспечивая точность воздействия и эффективность стимуляции, — говорит эксперт.
Стимуляция может быть выполнена различными способами. Классический подход включает отправку пульсов определённой частоты и интенсивности. Однако существуют и другие методы. Например, магнитная стимуляция, которая используется в лечении болевых синдромов, особенно в области мигрени и хронической боли. Она осуществляется путём создания магнитного поля, которое индуцирует изменения в нервной ткани. Этот метод эффективен и безопаснен, что получило подтверждение со стороны американского Управления по контролю за продуктами питания и лекарствами (FDA).
Лечение фантомных болей при помощи нейростимуляции
Фантомная боль — серьёзная проблема для людей, которые подверглись ампутации, из-за травмы лишились конечности или родились без неё. По словам Дарии Клеевой, примерно 80% таких людей страдают от хронической фантомной боли. Её причиной может быть образование невромы, или доброкачественного разрастания тканей, в области ампутации. Нервные окончания продолжают давать болевые ощущения, и это вызывает значительные неудобства для пациентов.
Организм не осознает потерю конечности и продолжает получать сигналы от неё. В результате мозг может интерпретировать эти сигналы как сигналы от фантомной конечности, вызывая болевые ощущения. Существуют различные подходы к решению проблемы фантомных болей: хирургическое удаление невромы или перенаправление нервов. Эти методы могут уменьшить фантомные боли в некоторых случаях.
По словам Дарии Клеевой, нейростимуляция — более эффективный подход к снижению фантомной боли. В настоящий момент в Сколтехе продолжаются исследования в этой области: учёные ищут маркеры, которые могли бы указывать на эффективность нейростимуляции при снижении фантомной боли.
— Мы изучаем динамику активации мозга и вариации сигналов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) как при включении, так и при выключении стимуляции. Мы также сравниваем локации болевых ощущений у разных пациентов, которые могут быть разными: у одних пациентов это может быть кончик пальца, а у других — вся ладонь. Хотя пространственное разрешение ЭЭГ может быть ограничено, у нас есть преимущество в высоком временном разрешении. Мы используем множество каналов (например, 128 каналов на головном уборе), чтобы восстановить активацию источников в пространстве мозга. Математические методы позволяют нам оценить, какие области мозга активны в определённый момент времени, — рассказывает исследовательница.
По её словам, учёные Сколтеха обнаружили индивидуальные маркеры для пациентов, которые указывают на наличие фантомной боли. Основываясь на исследованиях, были выявлены изменения в соматосенсорной коре и моторной коре, связанные с постепенным возвращением активации после выключения стимуляции. Обнаруженные маркеры позволяют судить о наличии или отсутствии активации в этих областях, а также о её снижении или восстановлении в пределах минут.
Это имеет важное практическое значение, так как, основываясь на этих маркерах, можно разрабатывать терапии для подавления фантомных болей и предсказывать усиление боли, которое автоматически активирует стимуляцию без вмешательства пациента. Учёные искренне надеются, что эти разработки будут реализованы и люди смогут приблизиться к ощущениям без боли.
