Нейромодуляция |
---|
Нейромодуляция — это «изменение нервной активности посредством целенаправленной доставки стимула, такого как электрическая стимуляция или химические агенты, к определенным неврологическим участкам тела». Она проводится для нормализации — или модуляции — функции нервной ткани . Нейромодуляция — это развивающаяся терапия, которая может включать ряд электромагнитных стимулов, таких как магнитное поле ( rTMS ), электрический ток или препарат, вводимый непосредственно в субдуральное пространство (интратекальная доставка препарата). Новые приложения включают целенаправленное введение генов или регуляторов генов и света ( оптогенетика ), и к 2014 году они были как минимум продемонстрированы на моделях млекопитающих или были получены первые данные на людях. [1] Наибольший клинический опыт был получен с помощью электрической стимуляции.
Нейромодуляция, электрическая или магнитная, использует естественную биологическую реакцию организма, стимулируя активность нервных клеток, которая может влиять на популяции нервов, высвобождая передатчики, такие как дофамин , или другие химические посредники, такие как пептидное вещество P , которые могут модулировать возбудимость и паттерны активации нейронных цепей. Также могут быть более прямые электрофизиологические эффекты на нейронных мембранах как механизм действия электрического взаимодействия с нейронными элементами. Конечным эффектом является «нормализация» функции нейронной сети из ее возмущенного состояния. Предполагаемые механизмы действия нейростимуляции включают деполяризующую блокаду, стохастическую нормализацию нейронной активации , аксональную блокаду, уменьшение кератоза нейронной активации и подавление колебаний нейронной сети. [2] Недавний обзор (2024) выявил соответствующие этиологические гипотезы неинвазивной нейромодуляции в различных методах. [3] Анализ данных показал, что митохондриальная активность, по-видимому, играет центральную роль в различных методах. Анализ нейрокогнитивной модели мать-плод [4] дал представление об условиях естественной нейромодуляции нервной системы плода во время беременности. [3] Согласно этой позиции, электромагнитные свойства сердца матери и его взаимодействие с ее собственным и нервной системой плода обеспечивают сбалансированное развитие нервной системы эмбриона и гарантируют развитие правильной архитектуры нервной системы с необходимыми когнитивными функциями, соответствующими экологическому контексту и качествам, которые делают человека уникальным. [3] На основании этих результатов в статье была выдвинута гипотеза о происхождении нейростимуляции во время беременности. [3] Хотя точные механизмы нейростимуляции неизвестны, эмпирическая эффективность привела к значительному применению в клинической практике.
Существующие и новые методы нейромодуляции также включают применение при резистентной к лекарствам эпилепсии , [5] состояниях хронической головной боли и функциональной терапии, начиная от контроля мочевого пузыря и кишечника или дыхания до улучшения сенсорных дефицитов, таких как слух ( кохлеарные имплантаты и слуховые стволомозговые имплантаты ) и зрение ( ретиноимплантаты ). [6] Технические усовершенствования включают тенденцию к минимально инвазивным (или неинвазивным) системам; а также более мелкие, более сложные устройства, которые могут иметь автоматизированное управление обратной связью, [7] и условную совместимость с магнитно-резонансной томографией. [8] [9]
Нейромодуляционная терапия была исследована при других хронических состояниях, таких как болезнь Альцгеймера , [10] [11] депрессия , хроническая боль, [12] [13] и в качестве дополнительного лечения при восстановлении после инсульта . [14] [15]
Электростимуляция с использованием имплантируемых устройств вошла в современное использование в 1980-х годах, и ее методы и приложения продолжают развиваться и расширяться. [16] Это методы, где для размещения электрода требуется операция. Стимулятор с батареей, похожий на кардиостимулятор, также может быть имплантирован или может оставаться вне тела.
В целом, системы нейромодуляции обеспечивают электрические токи и обычно состоят из следующих компонентов: эпидуральный, субдуральный или паренхиматозный электрод, помещаемый с помощью минимально инвазивных игольчатых методов (так называемые чрескожные отведения) или открытого хирургического воздействия на цель (хирургические «лопаточные» или «сетчатые» электроды), или стереотаксические имплантаты для центральной нервной системы и имплантированный генератор импульсов (ИПИ). В зависимости от расстояния от точки доступа электрода в систему также может быть добавлен удлинительный кабель. ИПИ может иметь либо неперезаряжаемую батарею, требующую замены каждые 2–5 лет (в зависимости от параметров стимуляции), либо перезаряжаемую батарею, которая пополняется через внешнюю индуктивную зарядную систему.
Хотя большинство систем работают посредством доставки постоянной последовательности стимуляции, в настоящее время наблюдается появление так называемой стимуляции «в прямом направлении», когда активация устройства зависит от физиологического события, такого как эпилептический припадок. В этом случае устройство активируется и подает десинхронизирующий импульс в кортикальную область, которая подвергается эпилептическому припадку. Эта концепция стимуляции в прямом направлении, вероятно, станет более распространенной по мере обнаружения и проверки физиологических маркеров целевых заболеваний и неврологических расстройств. [17] Стимуляция по требованию может способствовать увеличению срока службы батареи, если требования системы к считыванию и обработке сигналов будут достаточно энергоэффективными. Новые конструкции электродов могут обеспечить более эффективную и точную стимуляцию, требуя меньшего тока и минимизируя нежелательную боковую стимуляцию. Кроме того, чтобы преодолеть проблему предотвращения миграции свинца в областях тела, которые подвержены движению, такому как поворот и наклон, исследователи изучают разработку небольших систем стимуляции, которые заряжаются по беспроводной сети, а не через электрический провод. [18]
Стимуляция спинного мозга является формой инвазивной нейромодуляционной терапии, широко используемой с 1980-х годов. Ее основное применение — обратимая, нефармакологическая терапия для лечения хронической боли , которая подает слабые электрические импульсы в спинной мозг . [19] Пациентам, у которых наблюдается уменьшение боли на 50 процентов или более во время временного испытания, может быть предложен постоянный имплантат, в котором, как и в случае с кардиостимулятором , имплантируемый генератор импульсов размером с секундомер помещается под кожу на туловище. Он подает слабые импульсы вдоль тонких электрических проводов, ведущих к небольшим электрическим контактам, размером с рисовое зерно, в области позвоночника, подлежащей стимуляции. [20]
Стимуляция обычно находится в диапазоне 20–200 Гц, хотя в настоящее время появляется новый класс параметров стимуляции, которые используют серию стимуляции 10 кГц, а также «импульсную стимуляцию» 500 Гц. Стимуляционные серии килогерц были применены как к спинному мозгу, так и к ганглию задних корешков у людей. Было показано, что все формы стимуляции спинного мозга имеют различную степень эффективности для решения различных фармакорезистентных невропатических или смешанных (нейропатических и ноицицептивных) болевых синдромов, таких как постламинэктомический синдром, боль в пояснице, комплексный регионарный болевой синдром, периферическая невропатия, периферическое сосудистое заболевание и стенокардия. [21]
Общий процесс стимуляции спинного мозга включает временное сопровождение соответствующих пациентов с внешним генератором импульсов, прикрепленным к эпидуральным электродам, расположенным в нижнем грудном отделе спинного мозга. Электроды размещаются либо с помощью минимально инвазивной игольной техники (так называемые чрескожные отведения), либо открытым хирургическим путем (хирургические «лопастные» электроды).
Отбор пациентов является ключевым, и кандидаты должны пройти строгий психологический скрининг, а также медицинское обследование, чтобы убедиться, что их болевой синдром действительно устойчив к лекарствам. [21] После восстановления после процедуры имплантации пациент вернется, чтобы включить и запрограммировать систему. В зависимости от системы программа может вызывать покалывание, которое охватывает большую часть болезненной области, заменяя некоторые болевые ощущения более легким массажным ощущением, хотя другие более современные системы не создают покалывания. Пациента отправляют домой с портативным пультом дистанционного управления для выключения или включения системы или переключения между предварительно заданными параметрами стимуляции, и он может следить за тем, чтобы отрегулировать параметры.
Другим инвазивным методом нейромодуляции, разработанным в 1980-х годах, является глубокая стимуляция мозга , которая может использоваться для ограничения симптомов двигательных расстройств при болезни Паркинсона , дистонии или эссенциальном треморе . [22] Глубокая стимуляция мозга была одобрена Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США в 1997 году для эссенциального тремора, в 2002 году для болезни Паркинсона и получила гуманитарное освобождение от FDA в 2003 году для двигательных симптомов дистонии. [23] В 2010 году она была одобрена в Европе для лечения некоторых типов тяжелой эпилепсии. [24] DBS также показала многообещающие результаты, хотя все еще находится на стадии исследований, для не поддающихся медикаментозному лечению психиатрических синдромов депрессии, обсессивно-компульсивных расстройств, не поддающейся лечению ярости, деменции и патологического ожирения. Она также показала многообещающие результаты для синдрома Туретта, кривошеи и поздней дискинезии. Терапия DBS, в отличие от стимуляции спинного мозга, имеет множество целей центральной нервной системы, в зависимости от целевой патологии. При болезни Паркинсона цели центральной нервной системы включают субталамическое ядро, внутренний бледный шар и вентральное промежуточное ядро таламуса. Дистонии часто лечат имплантатами, нацеленными на внутренний бледный шар или, реже, на части вентральной таламической группы. Передний таламус является целью при эпилепсии. [25] [26] [23]
Цели исследований DBS включают, но не ограничиваются следующими областями: Cg25 для депрессии, передняя часть внутренней капсулы для депрессии, а также обсессивно-компульсивного расстройства (ОКР), центромедианные/парафазкулярные ядра, центромедианные ядра таламуса и субталамическое ядро для ОКР, анорексии и синдрома Туретта, также были исследованы прилежащее ядро и вентральный полосатый участок на предмет депрессии и боли. [26] [23]
Неинвазивная нейромодуляция охватывает несколько электроцевтических методов: акустическая фотонная интеллектуальная нейростимуляция (APIN); световая терапия (LT); фотобиомодуляция (PBM); низкочастотные звуковые стимуляции, включая виброакустическую терапию (VAT) и ритмическую слуховую стимуляцию (RAS); группа транскраниальных электрических и магнитных методов: транскраниальная магнитная стимуляция (TMS), повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция (rTMS), транскраниальные импульсные электромагнитные поля (tPEMF), транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS), транскраниальная стимуляция переменным током (tACS), транскраниальная стимуляция импульсным током (tPCS), транскраниальная стимуляция случайным шумом (tRNS), чрескожная электрическая стимуляция нервов (TENS). [3] Общий принцип этих неинвазивных методов заключается в том, что они выполняют свои функции посредством индукции митохондриального стресса. [3]
Эти методы используют внешние электроды для подачи тока на тело с целью изменения работы нервной системы.
Методы включают в себя:
Магнитные методы нейромодуляции обычно неинвазивны: не требуется хирургического вмешательства, чтобы магнитное поле проникло в тело, поскольку магнитная проницаемость тканей подобна проницаемости воздуха. Другими словами: магнитные поля очень легко проникают в тело.
Два основных метода тесно связаны, поскольку оба используют изменения напряженности магнитного поля для индуцирования электрических полей и ионных токов в организме. Однако существуют различия в подходе и оборудовании. В rTMS стимуляция имеет высокую амплитуду (0,5–3 тесла ), низкая сложность и анатомическая специфичность достигаются посредством высокофокусированного магнитного поля. В tPEMF стимуляция имеет низкую амплитуду (0,01–500 миллитесла), высокая сложность и анатомическая специфичность достигаются посредством определенного частотного содержания сигнала. [29]
Стимуляция мозговой ткани с использованием неинвазивных электрических и магнитных методов вызывает ряд опасений, включая следующие:
Первая проблема — неопределенная доза для здоровой стимуляции. [30] В то время как нейрофизиология не имеет знаний о природе такого лечения нервных заболеваний на клеточном уровне, [31] неинвазивная электрическая и магнитная терапия подразумевает чрезмерное воздействие на мозг интенсивного поля, которое в несколько раз и даже на порядки превышает естественные электромагнитные поля в мозге. [32] [33]
Еще одной важной проблемой неинвазивных электрических и магнитных методов является локализация эффекта стимуляции на определенных нейронных сетях, которые необходимо лечить. [34] [35] Нам все еще необходимо получить знания о психических процессах на клеточном уровне. Нейронные корреляты когнитивных функций все еще являются интригующими вопросами для современных исследований. Неинвазивная электрическая и магнитная стимуляция мозговой ткани нацелена на большую область плохо охарактеризованной ткани. Поэтому неясно, достигают ли электрические и магнитные поля только нейронных сетей мозга, которые нуждаются в лечении. Опять же, эти методы подразумевают чрезмерное воздействие интенсивных электрических и магнитных полей в несколько раз и даже на порядки выше естественных в мозге. Однако неинвазивные электрические и магнитные методы мозговой ткани не могут быть нацелены только на нейронные сети, которые необходимо лечить. Неопределенная цель излучения может разрушить здоровые клетки во время терапии. [34] [35]
Кроме того, эти методы нельзя распространить на всех пациентов из-за большей индивидуальной изменчивости в ответе на стимуляцию мозга. [30]
Химическая нейромодуляция всегда инвазивна, поскольку лекарство доставляется в строго определенное место тела. Неинвазивный вариант — традиционная фармакотерапия , например, проглатывание таблетки.
Задолго до того, как люди открыли науку об электричестве, древние врачи использовали электрический ток для лечения различных физических и психических заболеваний, включая эпилепсию, головокружение и депрессию. [36] В древнем мире природа выполняла множество функций, которые сейчас выполняют технологии, включая предоставление источников электричества. До того, как электричество было формально понято, люди использовали электрических рыб для подачи терапевтических разрядов. Египтяне знали о нильском соме (Malapterurus electricus), способном производить электрошок. Изображение этой рыбы, датируемое 2750 годом до нашей эры, найдено на фреске в гробнице архитектора Ти в Саккаре, Египет. Египтяне были не единственной средиземноморской культурой, которая изображала сома в своем искусстве; похожие фрески появились в римском городе Помпеи примерно 3000 лет спустя, хотя и в 1000 милях к северу. Хотя эти фрески не подтверждают, использовалась ли рыба в медицинских целях, древнеегипетские записи на папирусах 4700-летней давности документируют ее использование для снятия боли. Более поздние историки, такие как Плиний и Плутарх, также отмечали, что египтяне использовали электрических угрей для лечения болей в суставах, мигреней, депрессии и эпилепсии. [37]
Электрическая стимуляция нервной системы имеет долгую и сложную историю. Ранние практики глубокой стимуляции мозга во второй половине 20-го века (Дельгадо, Хит, Хосбучи. См. исторический обзор Хариз и др. [38] ) были ограничены доступной технологией. Хит в 1950-х годах стимулировал подкорковые области и провел подробные наблюдения за поведенческими изменениями. Новое понимание восприятия боли было введено в 1965 году с теорией ворот Уолла и Мелзака. [39] Хотя сейчас эта теория считается чрезмерно упрощенной, она утверждала, что передача боли от мелких нервных волокон может быть переопределена или ворота «закрыты» конкурирующими передачами по более широким сенсорным нервным волокнам. Основываясь на этой концепции, в 1967 году доктор Норм Шили в Медицинской школе Western Reserve продемонстрировал первый стимулятор спинного мозга для контроля боли, используя конструкцию, адаптированную Томом Мортимером, аспирантом Технологического института Кейса, из стимуляторов сердечного нерва от Medtronic, Inc., где у него был профессиональный знакомый, который поделился схемой. В 1973 году Хосбучи сообщил об облегчении денервационной лицевой боли при анестезии dolorosa посредством постоянной электрической стимуляции соматосенсорного таламуса, что ознаменовало начало эпохи глубокой стимуляции мозга. [16] : 13–16 [40] [41]
Несмотря на ограниченный клинический опыт за эти десятилетия, эта эпоха примечательна демонстрацией роли технологий в нейромодуляции, и есть несколько сообщений о случаях глубокой стимуляции мозга для различных проблем; реальных или мнимых. Дельгадо намекнул на силу нейромодуляции с его имплантатами в области перегородки крупного рогатого скота и способностью электрической стимуляции притуплять или изменять поведение. Дальнейшие попытки этой «поведенческой модификации» у людей были трудными и редко надежными, и способствовали общему отсутствию прогресса в нейромодуляции центральной нервной системы с той эпохи. Попытки справиться с трудноизлечимыми болевыми синдромами были встречены с большим успехом, но снова были затруднены качеством технологии. В частности, так называемый «нулевой» электрод DBS (состоящий из контактной петли на конце) имел неприемлемую частоту отказов, и пересмотры были сопряжены с большим риском, чем пользой. В целом, попытки использовать электрическую стимуляцию для «поведенческой модификации» были трудными и редко надежными, что замедлило развитие DBS. Попытки справиться с трудноизлечимыми болевыми синдромами с помощью DBS были более успешными, но снова были затруднены качеством технологий. Ряд врачей, которые надеялись решить до сих пор неразрешимые проблемы, стремились разработать более специализированное оборудование; например, в 1960-х годах коллега Уолла Билл Свит нанял инженера Роджера Эйвери для создания имплантируемого стимулятора периферических нервов. Эйвери основал компанию Avery Company, которая производила ряд имплантируемых стимуляторов. Незадолго до своего выхода на пенсию в 1983 году он представил данные, запрошенные FDA, которая начала регулировать медицинские устройства после встречи 1977 года по этой теме, относительно DBS при хронической боли. Medtronic и Neuromed также производили глубокие стимуляторы мозга в то время, но, как сообщается, посчитали, что сложное клиническое испытание безопасности и эффективности на пациентах, которых было трудно оценить, будет слишком дорогим для размера потенциальной базы пациентов, поэтому не представили клинические данные по DBS при хронической боли в FDA, и это показание было отменено. [16] : 13–16 [40] [41]
Однако примерно в это же время во Франции и других странах DBS исследовали в качестве замены поражению ядер мозга для контроля двигательных симптомов двигательных расстройств, таких как болезнь Паркинсона, и к середине 1990-х годов эта обратимая, неразрушающая стимулирующая терапия стала основным применением DBS у соответствующих пациентов, чтобы замедлить прогрессирование двигательных нарушений, вызванных заболеванием, и уменьшить побочные эффекты от длительного, усиливающегося приема лекарств. [42]
Параллельно с разработкой систем нейромодуляции для решения проблем двигательных нарушений, кохлеарные имплантаты стали первой системой нейромодуляции, которая достигла широкой коммерческой стадии для решения проблемы функционального дефицита; они обеспечивают восприятие звука у пользователей, которые имеют проблемы со слухом из-за отсутствия или повреждения сенсорных клеток (ресничок) во внутреннем ухе. Подход к электрической стимуляции, используемый в кохлеарных имплантатах, вскоре был изменен одним производителем, Boston Scientific Corporation, для разработки электрических выводов, которые будут использоваться при лечении хронической боли с помощью стимуляции спинного мозга. [16] : 13–16
В 2012 году глобальная фармацевтическая компания GlaxoSmithKline объявила об инициативе в области биоэлектрической медицины, в которой влияние автономной нервной системы на иммунную систему и воспалительные заболевания можно было бы лечить с помощью электрической стимуляции, а не фармацевтических препаратов. Первые инвестиции компании в 2013 году были связаны с небольшой стартап-компанией SetPoint Medical, которая разрабатывала нейростимуляторы для лечения воспалительных аутоиммунных заболеваний, таких как ревматоидный артрит. [43] [44] [45]
В конечном счете, поиски электроцевтики направлены на поиск электронейронной сигнатуры болезни и на клеточном уровне, в реальном времени, воспроизведение более нормальной электросигнатуры, чтобы помочь поддерживать нейронную сигнатуру в нормальном состоянии. В отличие от предыдущих методов нейромодуляционной терапии, этот подход не будет включать электрические провода, стимулирующие крупные нервы, спинной мозг или мозговые центры. Он может включать методы, которые появляются в семействе нейромодуляционных терапий, такие как оптогенетика или некоторые новые нанотехнологии. Болезненные состояния и состояния, которые обсуждались в качестве целей для будущей электроцевтической терапии, включают диабет, бесплодие, ожирение, ревматоидный артрит и аутоиммунные расстройства. [46]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )