Междисциплинарное нейробиологическое исследование с использованием редких интраоперационных записей мозга предполагает, что низкочастотная стимуляция глубоких областей мозга может улучшить когнитивные функции у пациентов с болезнью Паркинсона (БП). Результаты исследования, опубликованные в ноябре. 28 онлайн в журнале Brain, также намекают на более широкий потенциал стимуляции мозга для лечения других когнитивных заболеваний.
Новая работа неврологов и нейрохирургов из Института нейробиологии штата Айова при Университете штата Айова предоставляет первое прямое свидетельство связи в человеческом мозгу между мыслящей областью мозга (лобной корой) и более глубокой структурой, называемой субталамическим ядром ( STN), который участвует в управлении движением. Исследование также показывает, что стимуляция STN на низких частотах улучшает производительность пациентов с БП при выполнении простой когнитивной задачи, которая обычно нарушается БП.
"Не очень часто вы обнаруживаете новую связь в человеческом мозгу," говорит Нандакумар Нараянан, доктор медицинских наук, доцент кафедры неврологии Медицинского колледжа У.И. Карвера и старший автор исследования. "О существовании этого гиперпрямого пути от префронтальной коры к STN обсуждали около десяти лет, но мы впервые экспериментально показали, что он существует и функционирует у людей.
"Мы также смогли показать, что если мы стимулируем STN, мы изменяем фронтальную корковую активность, и мы думаем, что это происходит именно по этому пути," он добавляет. "И если мы стимулируем STN и изменяем активность коры головного мозга, мы действительно можем изменить поведение в лучшую сторону, улучшая когнитивные способности пациентов."
Болезнь Паркинсона – это прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, которым страдает около миллиона человек в Соединенных Штатах. Глубокая стимуляция STN на высоких частотах уже одобрена для лечения двигательных проблем у некоторых пациентов с болезнью Паркинсона. Однако, помимо проблем с движением, PD также влияет на мышление. Новые результаты повышают вероятность того, что глубокая стимуляция мозга STN с другой (низкой) частотой может также улучшить когнитивные симптомы при БП и, возможно, даже при других неврологических и психических заболеваниях.
Прислушиваясь к мозгу
Команда смогла отобразить связь STN-кора головного мозга с помощью "слушая" на мозговую активность во время операций по имплантации электродов глубокой стимуляции мозга (DBS) пациентам с БП.
Нейрохирург UI Джереми Гринли, доктор медицины, ежегодно проводит более 30 таких операций, и его опыт был жизненно важен для эксперимента по картированию. Используя специальные записывающие электроды, помещенные в мозг пациента, Гринли отслеживает активность мозга, чтобы точно разместить устройство DBS. Эти электроды также позволяют напрямую регистрировать активность мозга в экспериментальных целях у пациентов, которые бодрствуют во время процедуры, без какого-либо риска. Такие интраоперационные записи не очень распространены, но Гринли и его коллеги по UI имеют долгую историю опыта в этой технике.
Во время операции пациенты выполняли простую когнитивную задачу, стимулируя одну часть мозга, регистрируя электрическую активность других частей, которые связаны между собой. Прослушивание нейронной активности во время выполнения задачи позволило команде отобразить связь.
"Мы смогли вызвать ответ, чтобы показать функциональную связь," Гринли объясняет. "Очень быстрый ответ предполагает единственное прямое синаптическое соединение – это то, что означает гипердирекция."
Стимуляция улучшает когнитивные способности
Установив существование гиперпрямой связи, исследователи затем исследовали влияние низкочастотной стимуляции STN на когнитивные способности. Команда Нараянана использует очень простую мыслительную задачу – точно оценивая прохождение короткого промежутка времени – для изучения когнитивных нарушений у пациентов с болезнью Паркинсона и на животных моделях болезни Паркинсона.
Во время контрольных посещений после операции исследователи просили пациентов выполнять задание интервального времени с помощью стимулятора DBS, настроенного на одно из трех значений: высокая частота (нормальная для контроля движения), отсутствие стимуляции или настройка низкой частоты 4 Гц. Только стимуляция с частотой 4 Гц улучшила показатели пациентов при выполнении временного теста.
Предыдущее исследование лабораторий Нараянана показало, что люди с БП и грызунами модели болезни пропускают определенную мозговую волну, известную как дельта-волна, в их лобной коре головного мозга, когда они выполняют задание на синхронизацию. Дельта-волна циклически повторяется с частотой около 4 Гц.
"Когда мы стимулируем STN с частотой 4 Гц, дельта-волна восстанавливается в средней части лобной коры," Нараянан говорит. "Стимулируя STN, мы можем восстановить активность коры головного мозга (которая нарушена при БП) и улучшить когнитивное поведение."
Исследователи считают, что частоты подобны каналам связи между сетями. Если две сети работают вместе на одной частоте, это может быть уникальным способом взаимодействия сетей и передачи информации.
"Тот факт, что мы можем проверить многие наши идеи (которые исходят из исследований на грызунах) о том, как нейронные сети работают у бодрствующих людей, – это то, о чем я и мечтать не мог, но это позволяет нам задавать вопросы, которые действительно могут помочь многим людям," Нараянан говорит.
"Приятно иметь способ улучшить познавательные способности, который может изменить жизнь пациентов," Гринли добавляет.