XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

Нейропластичность и нейрореабилитация являются одними из самых перспективных направлений развития современной неврологии. Это связано с многочисленными фундаментальными исследованиями начала века, благодаря которым наше понимание моторного обучения, нейропластичности и функционального восстановления после возникших повреждений головного мозга значительно возросло.

Данные, полученные в ряде исследований, показывают, что как моторное обучение, так и стимуляция коры изменяют внутрикортикальную тормозную систему, что способствует длительному потенцированию и ремоделированию коры.

В данном обзоре рассмотрено использование корковой стимуляции для улучшения нейрореабилитации как на животных моделях, так и на пациентах с гемиплегией, вызванной ишемическим инсультом (ИИ).

Основная часть

Целый ряд крупных исследований продемонстрировали влияние реабилитационных тренировок на центральную нервную систему, после чего стало общепринятым считать, что восстановление нервной системы зависит от активного и правильного ее использования. Эти исследования также продемонстрировали возможность перестройки корковой моторной карты в результате умелой тренировки верхних конечностей приматов. Предполагается, что подобные нейропластические механизмы участвуют в моторном обучении человека.

Улучшения восстановления после ИИ

Улучшение восстановления после инсульта путем облегчения работы мозга при непосредственном применении физического воздействия на него, является относительно новой областью исследований. Группа исследователей под руководством Такацуру, проводившая исследования на животных, осуществляли сенсорную вибростимуляцию обездвиженных после ИИ конечностей. Данные исследования показали, что в ответ на стимуляцию новые нейронные сети развивались в неповрежденной части коры в течение первых 4-х недель после ишемического инсульта [13]. Проведенные Ф-МРТ исследования мозга крыс показали сдвиг в латерализации активации проекционных зон верхней конечности после стимуляции пораженной лапы в раннем постинсультном периоде, в дальнейшем активность проекционных зон верхней конечности смещалась в сторону нормального расположения [4].

Наиболее значительные успехи в восстановлении функций были достигнуты, при раннем начале реабилитации (т.е. через 5 дней) после ИИ по сравнению с более поздним началом (через 14 или 30 дней после ИИ). Восстановление было связано с увеличением дендритного разветвления нейронов V слоя коры в противоположном полушарии, данный процесс не происходил, если реабилитация была отложена на 30 и более дней [2]. Исследователи предположили наличие критических временных окон, в течение которых мозг наиболее чувствителен к применению стимулирующих рост агентов и моторному обучению [16].

Валь с соавторами продемонстрировали почти полное восстановление двигательных функций конечностей у крыс с обширным ИИ путем применения особого белка, ускоряющего рост новых нервных волокон, прежде чем стабилизировать их интенсивной тренировкой. Раннее применение тренировок высокой интенсивности, во время фазы роста волокон, может ухудшить восстановление, нарушая их нормальный ход [16].

Проблемы реабилитации после ИИ

Мозг, в том числе двигательная система, учится путем повторения и тренировки. Несмотря на это понимание, существует очень мало конкретных рекомендаций или руководств определяющих сроки, вид и интенсивность реабилитации. Одной из основных проблем реабилитационных исследователей являлся перевод результатов, полученных на животных, в конкретные рекомендации по реабилитации больных инсультом людей. Так, например, время курса моторного восстановления у животных и человека различается: восстановление грызунов достигает максимум 4-х недель после инсульта, выжившие же после инсульта люди завершают большую часть своего восстановления в течение 3 месяцев [9].

Большинство проводимых клинических исследований работают с пациентами в позднем восстановительном периоде (> 6 месяцев) после ИИ, так как исследовать таких пациентов гораздо проще ввиду стабилизации базовых показателей. Данные обстоятельства также затрудняют возможность дачи развернутых рекомендаций для реабилитации больных в более ранние периоды после начала заболевания [9].

Стимуляция коры в нейрореабилитации

Методы, непосредственно стимулирующие периферическую или центральную нервную систему электрическими или магнитными импульсами, могут повышать нейропластичность во время реабилитации. Несколько исследований показали, что увеличение возбудимости в пораженном инсультом участке коры под влиянием такой стимуляции привели к улучшению моторных функций. Механизмы действия этих методов еще недостаточно выяснены, однако предполагается, что они могут вызывать изменения в синаптической активности, экспрессии генов и увеличивать количество нейротрансмиттеров, рецепторов и нейротрофинов [6].

Стимуляция коры мозга является новой технологией, которая способна улучшить восстановление моторики парализованной после ИИ верхней конечности. Положительный эффект такой стимуляции наиболее вероятен при ее сочетании с интенсивным двигательным обучением.

При использовании активирующей корковой стимуляции поврежденной зоны коры, увеличивается ее функциональная связь с дополнительной моторной зоной. Применяется транскраниальная стимуляция постоянным током (ТСПТ) в определенном участке, при этом оказывается влияние и на отдаленные нервные области, что вызывает изменения в связности данных регионов и предположительно влияет и на восстановление утраченных функций [17].

Последние достижения в функциональной визуализации человеческого мозга (ПЭТ КТ и ФМРТ) у пациентов, перенесших ИИ, показывают, что кора противоположного повреждению полушария, играет важную роль в процессе восстановления нарушенных функций [3]. Учитывая эти данные, было высказано предположение, что активизация деятельности в поврежденной области коры и/или подавление активности в контралатеральной повреждению коре, может способствовать улучшению двигательной функции. Позже появились многочисленные подтверждения данным предположениям в виде сообщения о том, что повышение возбудимости поврежденного участка коры с помощью высокочастотной транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) или стимуляции постоянным током (ТСПТ), приводит к улучшению двигательных функций [10]. Подавление активности в контралатеральной моторной коре у пациентов в позднем постинсультном восстановительном периоде было также связано с улучшениями моторных функций. Использование низких частот ТМС или ТСПТ в течение 10-25 минут, подавляет возбудимость в контралатеральном полушарии, обуславливая двигательный прирост [14].

Функциональная электростимуляция (ФЭС) в нейрореабилитации

Известно, что ФЭС может изменять скорость аксональной проводимости, ускорять рост и миелинизацию периферических нервов [1]. Однако роль ФЭС в пластичности центральной нервной системы (ЦНС) остается неясной. Предыдущие исследования на животных и клинические исследования на пациентах подтверждают гипотезу о том, что благодаря сенсорной обратной связи стимуляция мышц пораженной конечности может способствовать нейропластическим изменениям, приводящим к восстановлению двигательной функции. Ряд исследователей считают, что методы реабилитации, способные многократно генерировать пре - и постсинаптическую нейронную активность вдоль эфферентных и афферентных путей могут способствовать нейронной реорганизации и восстановлению моторных функций [5]. ФЭС вызывает максимальное сокращение определенной мышцы, усиливая или имитируя ее эфферентную активацию. В свою очередь это с помощью проприоцептивной обратной связи приводит к афферентной активации чувствительной коры, которая тесно связана с моторной [11]. Однако исследования мозговой активности во время осуществления ФЭС затруднены, т.к. электрическая стимуляция препятствует оценке активности мозга с помощью МРТ, однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ), и ПЭТ.

Недавно разработанная методика нейровизуализации СБИО (спектроскопия в ближней инфракрасной области) не зависит от электрической стимуляции, и, следовательно, может использоваться для оценки мозговой активности во время ФЭС. Преимущества СБИО включают его неинвазивность, портативность, отсутствие необходимости создания специальных условий для исследования, экономичность и высокую чувствительность. СБИО определяет изменения концентрации кислорода в гемоглобине, что отражает уровень регионального мозгового кровотока и интерпретируется как изменение корковой активации [15]. Хара У. с соавт. исследовали эффекты ЭМГ - контролируемой ФЭС (ЭМГ - ФЭС), вызывающей сокращение мышцы от электрической стимуляции пропорционально интегрированному ЭМГ сигналу. В результате произошло увеличение степени пространственной активации в сенсомоторной коре (СМК) у пациентов с ИИ во время и после ЭМГ - ФЭС терапии. До лечения ЭМГ - ФЭС у большинства пациентов преобладала перфузия в контралатеральной повреждению СМК.После терапии ЭМГ - ФЭС перфузия начинала преобладать в СМК на стороне повреждения; однако, у некоторых больных ипсилатеральная повреждению СМК уже демонстрировала увеличение в перфузии до лечения ЭМГ – ФЭС, эти же пациенты уже имели более восстановленную моторную функцию. Предполагается, что они уже достигли реорганизации мозга в СМК до лечения ЭМГ – ФЭС при обычной реабилитации [7].

Одно из проведенных исследований показало, что использование ЭМГ - ФЭС терапии в течение 5 месяцев вызывало функциональное восстановление в паретической руке пациентов в позднем восстановительном периоде ИИ, что было связано с увеличением корковой перфузии.Результаты показывают, что ЭМГ - ФЭС усиливает перфузию СМК посредством проприоцептивной обратной связи. Ряд исследований подтверждают, что метод ЭМГ-ФЭС более эффективен для увеличения активации ипсилатеральной СМК у пациентов с моторными нарушениями, чем тренировка активными произвольными движениями и простая электростимуляция [7].

Заключение

Наличие критических временных окон оптимального приложения моторной тренировки и агентов, способствующих нейропластичности, предполагает, что тщательный учет времени начала реабилитации, а также вида и тяжести ИИ, позволят подобрать оптимальную реабилитационную программу для успешной стабилизации новообразованных функциональных связей. Существует уникальный период повышенной пластичности от 1 до 3 месяцев после ИИ, когда возможно как спонтанное, так и опосредованное вмешательством максимальное восстановление моторных функций [18].

Методы стимуляции периферической или центральной нервной системы электрическими или магнитными импульсами, могут усиливать нейропластичность во время реабилитации, приводя к улучшению моторных функций после ИИ [8]. Положительный эффект такой стимуляции наиболее вероятен при ее сочетании с интенсивным двигательным обучением. И хотя механизмы действия данных методов еще не до конца изучены, их дальнейшее изучение, а также применение в клинической практике является весьма перспективным.

Списокиспользуемойлитературы

Al-Majed A, Neumann C, Brushart T, et al.: Brief electrical stimulation promotes the speed and accuracy of motor axonal regeneration. J Neurosci 2000; 20: 2602―2608.

Biernaskie J, Chernenko G, Corbett D: Efficacy of rehabilitative experience declines with time after focal ischemicbrain injury. J Neurosci 2004; 24: 1245―1254.

Calautti C, Baron JC: Functional neuroimaging studies of motor recovery after stroke in adults: a review. Stroke 2003; 34: 1553―1566.

Calautti C, Leroy F, Guincestre JY, Baron JC: Dynamics of motor network overactivation after striatocapsular stroke: a longitudinal PET study using a fixed-performance paradigm. Stroke 2001; 32: 2534―2542.

Cecatto RB, Maximino JR, Chadi G: Motor recovery and cortical plasticity after functional electrical stimulation in a rat model of focal stroke. Am J Phys Med Rehabil 2014; 93: 791―800.

Dimyan MA, Cohen LG: Neuroplasticity in the context of motor rehabilitation after stroke. Nat Rev Neurol 2011; 7: 76―85.

Hara Y, Obayashi S, Tsujiuchi K, Muraoka Y: The effects of electromyography controlled functional electricalstimulation on upper extremity function and cortical perfusion in stroke patients. Clin Neurophysiol 2013; 124: 2008―2015.

Koganemaru S, Mima T, Thabit MN, et al.: Recovery of upper-limb function due to enhanced use-dependent plasticity in chronic stroke patients. Brain 2010; 133: 3373―3384.

Krakauer JW, Carmichael ST, Corbett D, Wittenberg GF: Getting neurorehabilitation right: what can be learned from animal models? Neurorehabil Neural Repair 2012; 26: 923―931.

Nitsche MA, Nitsche MS, Klein CC, Tergau F, Rothwell JC, Paulus W: Level of action of cathodal DC polarization induced inhibition of the human motor cortex. Clin Neurophysiol 2003; 114: 600―604.

Rushton DN: Functional electrical stimulation and rehabilitation. A hypothesis. Med Eng Phys 2003; 25: 75―78.

Stinear CM, Barber PA, Smale PR, Coxon JP, Fleming MK, Byblow WD: Functional potential in chronic stroke patients depends on corticospinal tract integrity. Brain 2007; 130: 170―180.

Takatsuru Y, Fukumoto D, Yoshitomo M, Nemoto T, Tsu- kada H, Nabekura J: Neuronal circuit remodeling in the contralateral cortical hemisphere during functional recovery from cerebral infarction. J Neurosci 2009; 29: 10081― 10086.

Takeuchi N, Chuma T, Matsuo Y, Watanabe I, Ikoma K: Repetitive transcranial magnetic stimulation of contralesional primary motor cortex improves hand function after stroke. Stroke 2005; 36: 2681―2686.

Toronov V, Webb A, Choi JH, Wolf M, Michalos A, Gratton E: Investigation of human brain hemodynamics by simultaneous near-infrared spectroscopy and functional magnetic resonance imaging. Med Phys 2001; 28: 521―527.

Wahl AS, Omlor W, Rubio JC, et al.: A synchronous therapy restores motor control by rewiring of the rat corticospinal tract after stroke. Science 2014; 344: 1250―1255.

Ward NS, Brown MM, Thompson AJ, Frackowiak RS: Neural correlates of motor recovery after stroke: a longitudinal fMRI study. Brain 2003; 126 (Pt. 11): 2476―2496.

Zeiler SR, Krakauer JW: The interaction between training and plasticity in the post stroke brain. Curr Opin Neurol 2013; 26: 609―616.