Дофамин и мозговой компьютерный интерфейс (BCI_LDOPA)

Цели настоящего исследовательского проекта — оценить влияние дофаминергической модуляции на работу BCI у здоровых пожилых людей, чтобы понять основные нейрофизиологические механизмы. Перспектива заключается в применении этого подхода для улучшения двигательного восстановления после инсульта.

Инсульт является одной из наиболее частых причин нарушения двигательных функций, и ожидается, что его распространенность будет расти из-за старения населения. У выживших после инсульта часто наблюдается некоторый уровень спонтанного восстановления двигательных функций во время острой стадии и достижение функционального плато, после которого восстановление обычно происходит медленно или стагнирует. Интересно, что появляются новые данные, указывающие на то, что терапия, основанная на интерфейсе мозг-компьютер (BCI), может вызвать выздоровление за пределами этого плато.

Фармакологическая МРТ (фМРТ) — это новый и многообещающий метод изучения влияния веществ на функцию мозга, который в конечном итоге может быть использован для разгадки нейробиологических механизмов, лежащих в основе действия лекарств. Как и большинство методов визуализации, он представляет собой прогресс в исследовании заболеваний головного мозга и связанных с ними функций нейротрансмиттерных путей неинвазивным способом с учетом общей связи нейронов.

Более того, он представляет собой идеальный инструмент для применения в клинических исследованиях. МРТ, хотя и все еще отстает в стратегиях молекулярной визуализации по сравнению с ПЭТ и ОФЭКТ, имеет то преимущество, что имеет высокое пространственное разрешение и не требует инъекции контрастного вещества или молекул с радиоактивной меткой, что позволяет избежать повторяющегося воздействия ионизирующего излучения. Функциональная МРТ (фМРТ) широко используется в исследованиях и клинических условиях, где она обычно сочетается с психомоторной задачей. ФМРТ — это адаптация фМРТ, позволяющая исследовать конкретную нейромедиаторную систему, такую ​​как дофамин, в физиологических или патологических состояниях после активации посредством введения конкретного стимулирующего препарата.

Важность нейромедиатора дофамина (ДА) для двигательных процессов известна давно. Известно, что у пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, дефицит дофамина в базальных ганглиях вызывает сильный дефицит двигательной активности.

Недавние исследования показывают, что ДА стимулирует нейрональные структуры, которые, в свою очередь, влияют на обширные области мозга и, таким образом, способствуют различным процессам поведенческого контроля: как моторным процессам контроля движений, так и когнитивным процессам в контексте перцептивной категоризации, вознаграждения, мотивации и исполнительного контроля. . По этой причине DA также называют «обучающим сигналом».

Появляются доказательства того, что ДА может быть эффективен и для формирования новых стратегий реабилитации после инсульта. Чтобы стратегия реабилитации была эффективной, она должна привести к формированию новых двигательных воспоминаний, которые анатомически опосредованы сетями, соединяющими дорсолатеральную префронтальную кору, первичную моторную кору, полосатое тело и мозжечок. Новые двигательные воспоминания формируются и сокращаются с помощью процессов синаптической пластичности, таких как LTP и LTD, которые требуют дофаминергической передачи сигналов между компактной частью черной субстанции и шиповидными нейронами полосатого тела в скорлупе. Внутри двигательных петель базальных ганглиев дофаминергическое связывание с D1R облегчает желаемые движения, тогда как связывание с D2R ингибирует нежелательные движения.

В дополнение к своей роли в моторном движении в базальных ганглиях дофаминергическая система также усиливает зрительно-моторную интеграцию, которая представляет собой координацию информации, связанной с восприятием и действиями. На уровне рецепторов D1R имеют решающее значение для правильной зрительно-моторной интеграции. Эта система важна для связи визуализированной информации об окружающей среде с положением тела, что позволяет оптимально планировать и корректировать движения. Таким образом, усиление координации двигательного движения и зрительно-моторной интеграции посредством дофаминергической терапии может улучшить восстановление после инсульта.

Было показано, что препараты, повышающие доступность нейротрансмиттеров центральной нервной системы (дофамин, норадреналин, серотонин и ацетилхолин), оказывают способствующее влияние на нейропластичность. Имея это в виду, исследователи изучили влияние амфетаминов, селективных ингибиторов обратного захвата серотонина, донепезила, психостимуляторов, таких как метилфенидат, и дофаминергических агентов на восстановление моторики после инсульта. Было показано, что из вышеупомянутых препаратов только леводопа усиливает индукцию LTP-подобной пластичности, пластичности, зависящей от практики, и двигательного восстановления после инсульта у людей. Кроме того, леводопа имеет безопасный профиль побочных эффектов и не является контролируемым веществом.

Наиболее частым побочным эффектом леводопы является дискинезия, за которой следует тошнота, затем галлюцинации и головокружение. Кроме того, существует некоторый риск дискинезии, вызванной леводопой, у пациентов с болезнью Паркинсона. Однако эти серьезные побочные эффекты обычно возникают после длительного (т. е. многолетнего) приема препарата. Кроме того, риск у пациентов с другими заболеваниями, такими как инсульт, оценивается намного ниже. Фактически, леводопа использовалась в многочисленных исследованиях, направленных на восстановление моторики у людей, переживших инсульт, без каких-либо сообщений о дискинезии или других незначительных или серьезных побочных эффектах. «В литературе» делается вывод, что лечение леводопой выживших после инсульта вряд ли вызовет индуцированную леводопой дискинезию, если только нет сопутствующего повреждения базальных ганглиев или болезни Паркинсона.

В основе функционирования BCI лежит перевод нейронной активности, непосредственно записанной от субъекта, в обратную связь в реальном времени с целью тренировки последовательных паттернов активации мозга, связанных с конкретными психическими состояниями. Нейральную активность можно обнаружить с помощью инвазивных (ЭКоГ/иЭЭГ) или неинвазивных (ЭЭГ, МЭГ, фМРТ в реальном времени или NIRS) методов. В большинстве исследований используются неинвазивные ИМК на основе ЭЭГ, поскольку они относительно просты и быстры в использовании и имеют хорошие временные и пространственные характеристики, поэтому их можно безопасно и эффективно использовать для достижения функциональных улучшений у людей, переживших инсульт, со стойкими двигательными нарушениями. повысить эффективность одновременной или связанной терапии даже после того, как люди достигают функционального плато, используя традиционные методы лечения.

В настоящее время большинство ИМК, направленных на восстановление двигательной функции, основаны на воображении движений (ИМ). Такие системы не полагаются на реальные движения, а скорее используют мысленный процесс воображения движения. Основная причина заключается в том, что ИМ приводит к активации тех же областей мозга, что и при реальном движении. Проблемы, возникающие при воображении движений без обратной связи, — это отсутствие контроля над деятельностью, а также отсутствие мотивации. Используя BCI, образы движений можно измерять в режиме реального времени, что позволяет обеспечить обратную связь с субъектом в реальном времени. Кроме того, сочетание устройств BCI с функциональной электрической стимуляцией, запускаемой ИМ (FES), позволяет ресинхронизировать кортикальную активацию, периферическую активацию и сенсорную обратную связь. В дополнение к этому, некоторые исследования приводят доводы в пользу включения виртуальной реальности для немедленной визуальной обратной связи. Сочетание наблюдения за действиями на основе виртуальной реальности и обратной связи по ФЭС может усилить улучшение двигательных функций, когда субъекты взаимодействуют с аватаром на экране в реальном времени. Таким образом, можно замкнуть цепь: система распознает образы движений, и ФЭС применяется к целевой мышце, чтобы помочь участнику выполнить движение. При этом аватар выполняет точно такое же движение (синхронно с ФЭС), которое отображается на экране участника в режиме реального времени. Следовательно, помимо выполнения физических движений, которые способствуют успеху терапии, области сенсорной коры также активируются синхронно с двигательными образами посредством афферентных нервных импульсов. Это приводит к стимуляции пластичности Хебба, согласно которой нейроны, которые неоднократно стимулируются вместе, создают общие связи. Считается, что это вызывает пластичность, зависящую от использования, и облегчает функциональное восстановление. Такое укрепление центрально-периферических связей с помощью дополнительных технологий потенциально может улучшить восстановление двигательных функций за счет индуцированной пластичности, зависящей от использования, и облегчить функциональное восстановление после инсульта.

Имеются данные об изменениях в активации мозга и функциональной связности (ФК) у пациентов с инсультом, получающих реабилитационную терапию на основе BCI. Они потенциально могут привести к увеличению FC между нижней теменной долей и дополнительной двигательной областью (SMA), а также между передней поясной извилиной коры и SMA, что положительно коррелирует с увеличением баллов Fugl-Meyer. Более того, увеличение FC наблюдалось между ипсилезиональным таламусом и контралатеральной поясной извилиной, контрлатеральной парацентральной долькой и двусторонним предклиньем.