Понимание нейронных механизмов и ограничений метода неинвазивной глубокой стимуляции мозга
Возможность неинвазивной стимуляции глубоких участков мозга без стимуляции поверхностных областей является ключевой целью неинвазивной нейростимуляции.
Исследование, опубликованное в журнале Communications Biology исследователями из Университета Карнеги-Меллона, представляет собой прорыв в понимании нейронных механизмов недавней техники нейростимуляции, называемой стимуляцией временной интерференции (TI) , которая, как считается, способна достичь этой цели. В статье представлено новое понимание клеточно-специфических эффектов стимуляции TI в мозге, что имеет глубокие последствия для использования стимуляции TI для лечения заболеваний мозга.
Транскраниальная электрическая стимуляция (TES) обычно используется для стимуляции целевых областей мозга в нейробиологических исследованиях и клинических методах лечения. Стимуляция TI — это разновидность TES, которая объединяет различные электрические частоты для того, чтобы попытаться получить глубокую стимуляцию без стимуляции поверхностного мозга. Исследование предоставляет доказательства, предполагающие, что нейроны парвальбумина (PV) активируются при стимуляции TI как в глубоком, так и в поверхностном мозге.
Однако в поверхностном мозге тормозные эффекты нейронов PV сильны, предотвращая активацию возбуждающих пирамидальных (Pyr) нейронов. Стимуляция TI вызывает высокую активацию нейронов PV в поверхностном мозге и более низкую активацию в глубоких областях, возможно, позволяя нейронам Pyr активироваться в глубоких областях. Это помогает объяснить, почему нейроны Pyr в целевых глубоких областях мозга активируются, а нейроны в нецелевых поверхностных областях — нет.
Сара Калдас Мартинес, аспирантка биологии, сделала ключевое наблюдение. Измеряя мембранные потенциалы клеток в ответ на стимуляцию TI, Мартинес обнаружила, что когда нейроны Pyr отсоединяются от остальной части нейронной сети, они больше не реагируют на стимуляцию TI. Это открытие имеет важное значение, поскольку оно исправляет широко распространенное мнение о том, что нейроны индивидуально реагируют на стимуляцию TI. Исследование показывает, что стимуляция TI по сути является сетевым явлением.
Эти открытия имеют большое значение, поскольку более глубокое понимание и контроль нейронной механики может привести к улучшению лечения таких состояний, как депрессия, посттравматическое стрессовое расстройство, обсессивно-компульсивное расстройство, наркомания и злоупотребление психоактивными веществами.
«Понимание того, что временная интерференционная стимуляция является в первую очередь результатом сети, а не внутренних свойств отдельной клетки, меняет текущее механистическое понимание и его потенциальные приложения», — сказал Мартинес. «Это также открывает дверь новым возможностям, особенно для снижения возбудимости, которая является ключевой особенностью некоторых неврологических расстройств, таких как определенные формы аутизма».
В отличие от других процедур, стимуляция TI неинвазивна. Она не требует введения электродов в мозг. Вместо этого она использует внешнее устройство для отправки электрических сигналов в мозг. Пулкит Гровер, профессор электротехники и вычислительной техники и член Института нейронауки (NI), сказал, что инвазивные процедуры исторически давали благоприятные результаты для лечения болезней, поэтому было бы желательно достичь аналогичных результатов с помощью более широко применяемой неинвазивной стимуляции TI.
«Вы можете делать действительно крутые вещи, включая, возможно, лечение состояний, улучшая фокусировку, селективность и специфичность, а также подстраивая их под пациента», — сказал Гровер. «Однако ограничения существенны».
Исследование указывает на ограничения и потенциальные побочные эффекты стимуляции ТИ, включая высокую склонность к поверхностной стимуляции мозга.
Это исследование стало результатом междисциплинарного сотрудничества Гровера и Элисон Барт, профессора биологии и члена NI.
«Неинвазивная стимуляция мозга имеет большие перспективы для индукции пластичности мозга, но без механистического понимания того, как она работает, ее трудно проверить. Это исследование устанавливает нейронную основу ее эффектов», — пояснил Барт.
«Очень волнительно видеть, что мы можем подавлять нейронную активность с помощью этой техники. Теперь мы можем начать тяжелую работу по тестированию клинических приложений для лечения таких заболеваний мозга, как эпилепсия, хроническая боль и даже некоторые формы депрессии».
«Важно разобраться в механизмах того, почему что-то работает. Я понял, что ошибался относительно того, почему стимуляция TI работает и как ее можно использовать», — сказал Гровер. «Работа выявляет ограничения и побочные эффекты стимуляции TI, но также может вдохновить на альтернативные подходы к проблеме неинвазивной глубокой стимуляции мозга».