Модель мозговой активности во время терапии стимуляцией мозга

By Антон Макарук No comments

Модель активности мозга во время терапии, стимулирующей мозг
                Графическое резюме Оптимизация прямой электрической стимуляции для лечения неврологического заболевания остается сложной из-за неполного понимания ее физического распространения через ткани мозга. Здесь мы используем теорию управления сетью, чтобы предсказать, как стимуляция распространяется через белое вещество, чтобы влиять на пространственно распределенную динамику. Мы проверяем предсказания теории, используя уникальный набор данных, включающий диффузионно-взвешенную визуализацию и электрокортикографию у пациентов с эпилепсией, перенесших сеточную стимуляцию. Мы находим статистически значимую общую дисперсию между предсказанными переходами состояний активности и наблюдаемыми переходами состояний активности. Затем мы используем оптимальную структуру управления, чтобы сформулировать проверяемые гипотезы относительно того, какие состояния мозга и структурные свойства будут эффективно улучшать кодирование памяти при стимуляции. Наша работа дает количественную оценку роли, которую архитектура белого вещества играет в управлении динамикой прямой электрической стимуляции, и предлагает эмпирическую поддержку полезности теории управления сетью для объяснения реакции мозга на стимуляцию. DOI: HTTPS://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.08.008

Стимуляция головного мозга, когда целевые электрические импульсы применяются непосредственно к мозгу пациента, уже является эффективной терапией для лечения депрессии, эпилепсии, болезни Паркинсона и других неврологических расстройств, но на горизонте еще много других применений. Клиницисты и исследователи полагают, что этот метод можно использовать, например, для восстановления или улучшения памяти и двигательной функции после травмы, но прогресс сдерживается тем, насколько сложно предсказать, как весь мозг будет реагировать на стимуляцию в данном регионе.
                                                                                       

Стремясь лучше персонализировать и оптимизировать этот вид терапии, исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Университета Пенсильвании и Школы медицины им. Перельмана, а также Университетской больницы Томаса Джефферсона и Калифорнийского университета в Риверсайде, имеют разработал способ моделирования изменения мозговой активности данного пациента в ответ на целевую стимуляцию.

Чтобы проверить точность своей модели, они набрали группу участников исследования, которые проходили несвязанное лечение тяжелой эпилепсии, и, таким образом, в их мозг уже был имплантирован ряд электродов. Используя данные об активности мозга каждого человека в качестве входных данных для своей модели, исследователи делали прогнозы о том, как наилучшим образом стимулировать мозг этого участника для повышения их производительности в базовом тесте памяти.

Мозговая активность участников до и после стимуляции предполагает, что модели исследователей обладают значимой прогностической силой, и предлагает первый шаг к более обобщенному подходу к специфической терапии стимуляции.

Исследование, опубликованное в журнале Cell Reports, было проведено Даниель Бассетт и Дженнифер Стизо, аспирантом-неврологом и сотрудником лаборатории сложных систем Бассетта.

Память — это всего лишь одна из областей, где электрическая стимуляция, как считается, обещает, но необходимы более фундаментальные исследования о том, как подтолкнуть деятельность мозга к желаемому состоянию.

«Когда вы вспоминаете что-то, в вашем мозгу присутствуют паттерны активности, и эти паттерны выглядят по-разному в зависимости от того, насколько хорошо вы справляетесь», — говорит Стизо. «Мы знаем, что электрическая стимуляция может изменить эти модели, но как изменить их в схему, связанную с улучшением производительности, неясно».

Благодаря сотрудничеству между неврологами в больнице Пенсильванского университета и университетской больнице Томаса Джефферсона исследователи обнаружили пациентов с эпилепсией с имплантированными электродами, которые были готовы добровольно получить целевую стимуляцию во время прямой записи мозга, ожидая операции.

Во время записи мозговой активности пациенты участвовали в базовых тестах памяти, которые включали слух и отзыв списка слов.

«Затем мы использовали особенности мозговой активности этих людей и схему связей между их областями мозга, чтобы смоделировать то, что произойдет со всем мозгом, когда мы стимулируем конкретную область», — говорит Стизо. «Многие исследования памяти сосредоточены на определенных областях мозга, таких как гиппокамп, но мы считаем, что эти методы лечения должны учитывать гораздо большую сеть областей».

В сочетании с данными других экспериментов по стимуляции, проведенных с этими пациентами с эпилепсией, эти модели позволили предположить, какие конкретные модели мозговой активности и связей были бы наиболее полезными, когда стимуляция была направлена ​​на улучшение памяти.

«Используя эксперименты in silico, мы обнаружили, что стимуляция, оптимизированная на основе модели, подтолкнула мозг к состояниям хорошей производительности памяти», — говорит Бассетт.

«В конечном итоге мы пытаемся выяснить, где и в какой степени стимулировать мозг каждого человека для достижения общекозговых паттернов, связанных с конкретной целью данной терапии», — говорит Стизо. «Этот тип исследования является важным ранним шагом на пути к разработке быстрой, обобщаемой модели реакции человека на конкретную стимулирующую терапию».

Добавить комментарий