Электростимуляция мозга – обычная практика в исследованиях нейробиологии и все более распространенная и эффективная клиническая терапия различных неврологических расстройств. Однако существует ограниченное понимание того, почему это лечение работает на нервном уровне. Статья, опубликованная Такаши Д. Y. Козай, доцент кафедры биоинженерии в Школе инженерии Свенсона Университета Питтсбурга, обращается к пробелам в знаниях об активации и инактивации нейронных элементов, которые влияют на желаемые реакции на нейромодуляцию.
Статья, "Активация кальцием кортикальных нейронов путем непрерывной электростимуляции: частотная зависимость, временная точность и плотность активации", был опубликован в журнале Neuroscience Research. Соисследователь – Кип Людвиг, доцент кафедры биомедицинской инженерии Университета Висконсин-Мэдисон.
Для этого исследования группа Козая – лаборатория BIONIC – использовала двухфотонную микроскопию in vivo для регистрации активности кальция нейронов в соматосенсорной коре в течение 30 секунд непрерывной электростимуляции с различной частотой. Они визуализировали популяцию нейронов, окружающих имплантированный электрод, и обнаружили, что частота играет роль в активации нейронов – открытие, которое противоречило более ранним исследованиям.
"Электростимуляция имеет большое количество параметров, которые можно использовать для активации нейронов, таких как амплитуда, ширина импульса, формы волны и частота," объяснил Козай. "Это затрудняет сравнение исследований, поскольку в других исследованиях используются разные параметры стимуляции. Основываясь на параметрах, которые использовались ранее, считалось, что активация происходит в сфере с центром вокруг электрода, где нейроны около электрода будут активировать больше, чем нейроны вдали от электрода.
"Однако недавние исследования показывают, что стимуляция в основном активирует отдаленные нейроны, аксоны которых находятся очень близко к электроду, путем передачи потенциалов действия назад к телу клетки нейрона," он продолжил. "Мы демонстрируем, что обе эти вещи могут быть правдой в зависимости от частоты и продолжительности стимуляции."
По словам Козая, тот факт, что исследователи могут использовать различные параметры стимуляции для активации разных нейронов в одном и том же месте, имеет огромное значение для фундаментальных научных исследований. Полученные данные позволят им активировать разные нейронные цепи с помощью одного и того же имплантата, чтобы вызвать разное поведение. Помимо своих исследовательских приложений, Kozai считает, что эти знания могут также помочь в клинических условиях.
"Эмпирические данные в этой области предполагают, что частота играет роль в глубокой стимуляции мозга, но почему и как озадачивали ученых с самого начала," сказал Козай. "Это исследование – первая попытка понять механизмы, лежащие в основе роли частоты в клинической терапии. В долгосрочной перспективе это исследование может также дать представление о том, как активировать отдельные глиальные и сосудистые популяции, которые могут иметь длительное влияние на поведение, внимание и регенерацию тканей."
Козай считает, что необходимо провести дополнительные исследования, чтобы понять свойства активации нейронов, и надеется, что эта работа приведет к новым инструментам в нейробиологии и улучшенной терапии нейромодуляции, объясняя, почему электрическая стимуляция вызывает свои эффективные ответы.