Стимуляция мозга, при которой целевые электрические импульсы направляются непосредственно в мозг пациента, уже является эффективным средством лечения депрессии, эпилепсии, болезни Паркинсона и других неврологических расстройств, но на горизонте еще много других применений. Клиницисты и исследователи считают, что эту технику можно использовать, например, для восстановления или улучшения памяти и двигательной функции после травмы, но прогрессу мешает то, насколько сложно предсказать, как весь мозг будет реагировать на стимуляцию в данной области.
Стремясь лучше персонализировать и оптимизировать этот тип терапии, исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета и Школы медицины Перельмана, а также больницы Университета Томаса Джефферсона и Калифорнийского университета в Риверсайде разработали способ: смоделировать, как активность мозга данного пациента изменится в ответ на целенаправленную стимуляцию.
Чтобы проверить точность своей модели, они набрали группу участников исследования, которые проходили лечение, не связанное с тяжелой эпилепсией, и, таким образом, им в мозг уже были имплантированы электроды. Используя данные об активности мозга каждого человека в качестве входных данных для своей модели, исследователи сделали прогнозы о том, как лучше всего стимулировать мозг этого участника, чтобы улучшить его производительность в базовом тесте памяти.
Активность мозга участников до и после стимуляции предполагает, что модели исследователей обладают значимой предсказательной силой и предлагают первый шаг к более универсальному подходу к конкретным методам стимуляции.
Исследование, опубликованное в журнале Cell Reports, провели Даниэль Бассетт и Дженнифер Стисо, аспирантка нейробиологии и член Лаборатории сложных систем Бассетта.
Память – это лишь одна из областей, где электростимуляционная терапия имеет многообещающие перспективы, но необходимы более фундаментальные исследования того, как привести активность мозга в желаемое состояние.
"Когда вы что-то вспоминаете, есть шаблоны активности всего мозга, и эти шаблоны выглядят по-разному в зависимости от того, насколько хорошо вы справляетесь," Стисо говорит. "Мы знаем, что электрическая стимуляция может изменить эти паттерны, но как превратить их в паттерн, связанный с улучшением производительности, неясно."
В сотрудничестве между неврологами больницы Пенсильванского университета и университетской больницей Томаса Джефферсона исследователи нашли пациентов с эпилепсией с имплантированными электродами, которые были готовы добровольно получить целевую стимуляцию во время прямой записи мозга, пока они ожидали операции.
В то время как их мозговая деятельность записывалась, пациенты участвовали в основных тестах памяти, которые включали прослушивание и запоминание списка слов.
"Затем мы использовали особенности мозговой активности этих людей и структуру связей между их областями мозга, чтобы смоделировать, что произойдет со всем мозгом, когда мы стимулируем конкретную область," Стисо говорит. "Многие исследования памяти сосредоточены на определенных областях мозга, таких как гиппокамп, но мы думаем, что эти методы лечения должны учитывать гораздо большую сеть регионов."
В сочетании с данными других экспериментов по стимуляции, проведенных с этими пациентами с эпилепсией, эти модели позволили предположить, какие конкретные паттерны мозговой активности и связей были бы наиболее полезными, когда стимуляция была нацелена на улучшение памяти.
"Используя эксперименты in silico, мы обнаружили, что стимуляция, оптимизированная на основе модели, подталкивает мозг к состояниям хорошей памяти," говорит Бассетт.
"В конечном счете, мы пытаемся выяснить, где и в какой степени нужно стимулировать мозг каждого человека, чтобы достичь общих закономерностей, связанных с конкретной целью данной терапии," Стисо говорит. "Этот тип исследования является важным ранним шагом к разработке быстрой обобщаемой модели индивидуальной реакции на конкретную стимулирующую терапию."