ТЕХНОЛОГИИ НЕЛИНЕЙНОЙ СТИМУЛЯЦИИ: РОЛЬ В ТЕРАПИИ ЗАБОЛЕВАНИЙ ГОЛОВНОГО МОЗГА И ПОТЕНЦИАЛ ПРИМЕНЕНИЯ У ЗДОРОВЫХ ЛИЦ

Аннотация:

В 2015 году предложена теория, которая связывает развитие и поддержание фрактальной сложности структуры нейронных сетей и динамики активности головного мозга со сложностью зрительных и других сенсорных сигналов окружающей среды, влияющих на человека в течение жизни. Упрощение временной структуры сигналов окружающей среды ассоциируется с аномалиями развития и старения ЦНС. С другой стороны, применение фрактальной фотостимуляции и сложных апериодических стимулов другой модальности может усиливать эффективность стратегий восстановления структуры и функции сетчатки и головного мозга, в том числе, при нейродегенеративной патологии, путем реактивации нейропластичности. В спектре нейрокогнитивных технологий стимулирующей терапии должны использоваться различные варианты моно и мультимодальной фрактальной стимуляции и ее комбинаций с белым шумом, музыкальной терапией, когнитивными и физическими тренингами. Автор полагает, что применение технологий нелинейной стимуляции у здорового человека может быть полезным в различных ситуациях, приводящих к упрощению паттерна структуры и активности мозга. Применение физиологически адекватных нелинейных стимулов перспективно для замедления и предотвращения возрастного ослабления когнитивных функций в программах реабилитации и восстановления работоспособности здоровых лиц отдельных профессий при тяжелой физической или психологической нагрузке и спортсменов. Ключевые слова: нелинейная стимуляция, динамика активности мозга, неврологические расстройства, нейрореабилитация и усиление когнитивных способностей. В 2015 году была обоснована теория, которая связывает развитие и поддержание нормальной структуры нейронных сетей и функциональной активности головного мозга со сложностью зрительных и других сенсорных сигналов среды, влияющих на человека в течение жизни, т.е. с его опытом нелинейной стимуляции . Из теории "фрактальности ощущений" следует, что упрощение временной структуры сигналов окружающей среды ассоциируется с аномалиями развития и старения ЦНС, а применение фрактальной фотостимуляции и стимулов другой модальности может усиливать эффективность стратегий восстановления структуры и функции сетчатки и головного мозга, в том числе при нейродегенеративной патологии путем реактивации нейропластичности. В работе авторы обосновывают необходимость восстановления сложной динамики функций при заболеваниях и травмах сетчатки и головного мозга, а также потенциал применения нейрокогнитивных технологий нелинейной стимуляции у здорового человека в ситуациях, сопровождающихся нарушением сложности паттерна структуры и активности мозга. Методы реактивации пластичности головного мозга взрослого человека Известно, что пластичность мозга, его способность развиваться в ответ на приобретенный опыт является свойством, внутренне присущим нервной системе. Пластичность сохраняется на протяжении всей жизни человека и играет важную роль в созревании, развитии ЦНС и приобретении новых навыков . Высокая пластичность нейронных сетей позволяет головному мозгу адаптироваться к количественному и качественному изменению сенсорных входов в соответствии с полученным опытом . Наиболее высок "потенциал пластичности в критические и сенситивные периоды развития ребенка, когда входящая информация необходима для правильного формирования специфических нейронных соединений .Механизмы пластичности изменяются с возрастом . При старении и неврологических расстройствах по-разному изменяется локальная и сетевая корковая пластичность, что продемонстрировано с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) и электроэнцефалографии (ЭЭГ) или функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) . Динамика процессов возбуждения и торможения контролирует временной ход критических периодов. В ранней постнатальной жизни большинство нейрональных контактов являются возбуждающими; в процессе созревания головного мозга возрастает ингибиторная нейротрансмиссия, и при достижении некоторого порога критический период закрывается . Мозг взрослого гораздо менее пластичен, чем развивающийся мозг ребенка, однако даже у стареющего человека схемы нейронных соединений могут быть реконструированы опытом. Пластичность играет решающую роль в функциональном восстановлении после черепно-мозговой травмы и при других неврологических и психических расстройствах . Сегодня активно изучаются пути реактивации пластичности взрослого и стареющего мозга для повышения эффективности лечения нейродегене-ративной патологии. Потенциал пластичности можно усилить с помощью различных обучающих приемов. В результате экспериментальных исследований у животных предложены многочисленные технологии, способствующие восстановлению нарушенных когнитивных функций, активности и морфологии головного мозга. К ним относятся различные обучающие программы, физические и когнитивные тренировки . Многие методики реактивации нейропластичности созданы в рамках концепции т.н. "обогащения среды" ("environmental enrichment") . Разработан ряд поведенческих методов обучения, направленных на использование мозгом человека сохранных структур, оставшихся нетронутыми заболеванием, или усиление пластичности в частично сохранных участках мозга . Для замедления связанного с возрастом снижения когнитивных функций используются интеллектуальные взаимодействия, обучение новым языкам и игре на музыкальных инструментах, компьютерные игры. Отметим, однако, что эффективность разработанных программ и технологий пока не достаточно велика и не подтверждена на высоком уровне доказательной медицины. Например, позитивный эффект технологий виртуальной реальности и физиотерапии, направленных на улучшение структуры походки, постуральной стабильности и качества жизни при болезни Паркинсона признан слабым или очень слабым . Динамика физиологической активности в норме и патологии Большинство природных объектов представляют собой фракталы, например, ветвление деревьев, рельеф горных хребтов, линии морского побережья, русла рек, ветвление молнии. Фрактальными называют объекты, которые, в отличие от обычных геометрических фигур, не меняют свою форму с изменением масштаба, т.е. обладают свойством самоподобия или масштабной инвариантности. Фрактальная концепция применима к описанию нелинейно протекающих во времени сложных процессов, имеющих самоподобную динамику в различных отрезках времени, т.е. инвариантных во времени. Нелинейные флуктуации различных физических и физиологических параметров системы называют шумами.Шумы классифицируют по их спектральной плотности, в соответствии с которой им условно приписывают цвет по системе абстрактных терминов, широко применяемой в акустике и электронике. Спектральная плотность шумов (распределение мощности сигнала по частотам) описывается функцией . Тремя наиболее известными типами шумов являются "белый", "коричневый" и "розовый" шумы. Белый шум включает абсолютно случайные, не коррелированные флуктуации со спектральной плотностью — равномерной на всех частотах и с дисперсией, равной бесконечности. Коричневый (или броуновский) шум характеризуется слабо коррелированной нелинейной динамикой и спектральной плотностью, пропорциональной . Розовый шум, называемый также фрактальным или фликер-шумом, имеет спектральную плотность обратно пропорциональную частоте, изменяемую по степенному закону . Розовый шум доминирует в природе и описывает динамику разливов рек, флуктуации интенсивности дорожного движения, космических излучений и клима^ческих данных, звуки человеческой речи, музыку и многие другие явления . Естественные шумы различной динамики влияют на адаптацию живых систем к условиям среды и популяционные изменения . Поведение фрактальных систем описывает теория динамического (или детерминированного) хаоса. Важно отметить, что в физике понятия "хаос" и "случайность" не идентичны и характеризуют различные процессы. Динамические системы классифицируют по разным признакам . По наличию случайных параметров их разделяют на стохастические (или случайные, как отмеченный выше белый шум), детерминированные (периодические и квазипериодические колебания) и детерминированно-хаотические (розовый шум, система Лоренца). В детерминированных процессах состояние системы полностью определяется начальными значениями и может быть предсказано для любого момента времени. Для стохастических процессов знание их поведения в некотором интервале времени позволяет определить лишь вероятностные характеристики поведения системы вне изученного интервала. И стохастические, и детерминировано-хаотиче-ские процессы являются непериодическими вероятностными процессами. Однако, если в стохастической системе работает огромное количество факторов, сопоставимых по силе и периоду проявления, то состояние детерминированно-хаоти-ческих процессов определяет конечное количество факторов (не менее трех). Слджность про-странственно-временной структуры системы описывает фрактальная (или дробная) размерность. Причиной возникновения хаотического поведения системы служит нелинейность ее внутренних связей. Когнитивные процессы требуют функционального взаимодействия между множеством специализированных локальных и отдаленных областей мозга . Нелинейные взаимодействия нескольких регуляторных систем и воздействия на них внешней среды, оперирующие в различных масштабах времени, производят высоко вариабельное "шумовое" поведение параметров физиологических процессов, моделируемое как процесс (розовый шум) . Логично поэтому, что хорошо доказанной сегодня отличительной особенностью нормальных физиологических процессов является фрактальная сложность их динамики . С другой стороны, типичным признаком нарушения фрактальной динамики при патологии является ослабление дальних корреляций , которое может приводить к одному из трех следующих состояний в поведении динамической системы: (1) случайное блуждание или броуновский шум (слабо коррелированные флуктуации вместо розового шума), (2) высоко периодичное поведение (детерминированные колебания на постоянной частоте) или (3) полностью некоррелированное поведение (белый шум). Снижение сложности поведения системы показано при старении человека . Упрощение фрактальной структуры нейронных сетей и динамики (тайминга) электрической активности головного мозга в различных условиях регистрации установлены при неврологических и психиатрических заболеваниях . У пациентов с болезнью Альцгеймера (БА) снижена фрактальная размерность ритмов ЭЭГ по сравнению со здоровыми лицами того же возраста . При болезни Паркинсона (БП) отмечается снижение многомасштабной сложности в полосе частот а-ритма . Аномальную плотность мощности ЭЭГ в диапазоне частот менее 12 Гц при БА и мягком когнитивном снижении связывают с изменением функциональности нейронных связей большой дальности и нарушением синхронизации корковой активности . M.G. Kitzbichler et al. доказали масштабно инвариантное поведение для двух моделей критической динамики нейронных сетей, а также для функциональных систем мозга человека, осциллирующих на низких частотах (менее 0.5 Гц) и на более высокой частоте (1-125 Гц) по данным, соответственно, фМРТ и магнитоэнцефалографии (МЭГ). Предполагается, что нормально функционирующий мозг оперирует в состоянии т.н. "самоорганизованной критичности". Этим термином называют физиологическое состояние, в котором система спонтанно самоорганизуется для того, чтобы быть готовой действовать в критической точке между порядком и случайностью . Критические системы характеризуются фрактальным масштабированием и наличием дальних корреляций. В недавней работе несколькими методами был выполнен анализ нейронных лавин в 435 записях активности в диссоциированной культуре клеток гиппокампа крыс и в корковых моделях ветвления лавин нейронной активности и доказано, что нейронные системы работают в критической точке, где оптимизирована сложность этих систем. Исследование нелинейной динамики временных рядов ЭЭГ и МЭГ человека , записанных в различных условиях: состоянии покоя, при выполнении простых и сложных задач и в различных стадиях сна, позволило установить три основных паттерна динамики активности головного мозга. Нормальная динамика в состоянии покоя у здоровых субъектов характеризовалась высоко-размерной сложностью и относительно низким и флуктуирующим уровнем синхронизации в нейронной сети. Гиперсинхронизация с высоко нелинейной динамикой оказалась типичной для эпилептической активности, в то время как при энцефалопатии с нейродегенеративными изменениями динамику активности отличал аномально низкий уровень пространственной синхронизации. Таким образом, только промежуточные уровни быстро флуктуирующей синхронизации вследствие критической динамики около фазового перехода ассоциировались с нормальным процессом обработки информации в то время, как состояния повышенной или пониженной синхронизации отражали нарушение обработки информации и когнитивных функций .Влияние стимулирующей терапии на динамику физиологических ритмов Головной мозг высоко восприимчив к ритму внешнего воздействия и способен синхронизировать волны нейрональной активности с ритмом принуждающего сигнала - Это свойство используется влечении некоторых патологических состояний с помощью стимуляционной терапии факторами различной физической природы. Спектральную мощность волн корковой активности можно модулировать с помощью неинвазив-ной стимуляции мозга (НИСМ или NIBS). К основным видам НИСМ относят ТМС и транскраниальную электростимуляцию ТЭС . Отмечается, что ТМС и ТЭС могут модулировать не только ритм активности мозга, но и поведение человека . Ритмы осцилляций головного мозга в различных диапазонах, как полагают, контролируют тайминг разрядов нейронов и представляют основной принцип обработки информации . В одном из обзоров анализ современных протоколов НИСМ представляет доказательства связи между изменением тайминга импульсации нейронов, аксональным спрутингом и поведением человека . Прерывистые режимы стимуляции и многократное повторение сеансов НИСМ оказались более эффективными, чем режимы непрерывной стимуляции, что свидетельствует в пользу того, что стимуляционная терапия активирует синапти-ческую пластичность в зоне поражения через механизмы долговременной потенциации. Характерна высокая зависимость знака эффекта от параметров ритмичной стимуляции . Например, прерывистый режим ТМС с использованием частоты ниже или равной 1 Гц оказывает тормозное воздействие, а свыше 5 Гц приводит к возбуждению . Отметим, что при использовании различных методов НИСМ, эффективность каждой процедуры и продолжительность сохранения полезного результата зависят также от множества других параметров, включая полярность, частоту, длительность, кортикальную зону стимуляции и другие характеристики стимуляции . С другой стороны, для ряда неврологических и психиатрических заболеваний известно избирательное ослабление осцилляторной активности мозга в специфических диапазонах частот. Например, клинические симптомы БП и поведенческие нарушения связаны с изменением активности мозга в бета-диапазоне . При шизофрении ослабление рабочей памяти и других когнитивных функций связаны с аномальным ритмом осцилляций ву-диапазоне . Изменения активности в а-диапазоне отмечают после инсульта и черепно-мозговой травмы . Поэтому селективно ослабленные диапазоны ритмов активности мозга в отдельных диапазонах, как полагают, могут являться мишенями стимуляционной терапии. В связи с этим ритмические режимы НИСМ разделяют на две группы в зависимости от эффекта, оказываемого ими па осцилля-торную активность мозга . Частотный режим, соответствующий диапазону нарушенного ритма ЭЭГ, назван "прямым", учитывая прямую интерференцию частоты стимуляции и частоты генератора . При "косвенном" режиме НИСМ ритм стимуляции не отражает частоту целевых колебаний . Примером "косвенной" ритмической НИСМ является, например, т.н. непрерывная стимуляция 0-взрывами (сTBS), которая повышает мощность активности в 9-диапазоне и снижает—в бета-диапазоне при записи ЭЭГ в состоянии покоя . Хорошо известно, что мелькающий свет и ритмические акустические сигналы могут влиять на осцилляторную активность мозга . Эффект следования частоты мозговых волн частоте ритмической стимуляции называется вовлечением мозговых волн (brainwave entrainment). В методах аудиовизуального вовлечения мозговых волн сочета-но используются вспышки света и звуковые импульсы для целенаправленного изменения осцилляторной активности головного мозга. Вовлечение ритма мозговых волн проявляется в модуляции частоты и повышении спектральной мощности осцилляций в том диапазоне частот, в котором проводится прерывистая сенсорная стимуляция. Например, быстрые мелькания будут увеличивать мощность ритма ЭЭГ более высокой частоты или ускорять осцилляции мозга, в то время как медленно мелькающий свет будет увеличивать мощность колебаний более низкой частоты или замедлять волны мозга. В некоторых работах мелькающие зрительные стимулы использовались для целенаправленного изменения корковой активности и улучшения эпизодической памяти . Например, мелькания частотой 9.5—11.0 Гц (с интервалом 0.5 Гц) предъявляемые перед демонстрацией односложного слова, облегчали его запоминание и извлечение из памяти и у молодых и у пожилых взрослых . У пожилых когнитивно нормальных людей вспоминание слова в отдаленный период времени после его запоминания существенно улучшалось только после предъявления мельканий с частотой, близкой к 10.2 Гц, но не ниже 9.0 или выше 11.0 Гц . Многочисленные работы посвящены различным другим аспектам светостимуляции, однако их детальное обсуждение не входит в данное аналитическое исследование. Большой интерес сегодня вызывают методы терапии стохастическим (белым) шумом, которые улучшают нарушенную походку и когнитивные функции. Показаны позитивные эффекты фонового аудио шума для пожилых лиц , пациентов с болезнью Паркинсона и другими неврологическими расстройствами . Вибрирующие подошвы, частотный спектр вибраций которых соответствует белому шуму, использовались для лечения координации и динамики ходьбы у престарелых и больных диабетической нейропа-тией, а также в период после инсульта, и показано значительное возрастание фрактальной размерности временного интервала между шагами после лечения . В основе данного эффекта, как полагают, лежит феномен стохастического резонанса. В физике известно, что добавление шума в нелинейных системах может усилить детекцию допорогового сигнала. Феноменом стохастического резонанса объясняют положительное воздействие белого аудио шума на когнитивные функции у детей с синдромом дефицита внимания и гиперактивности . Предполагается, что внешний шум через сенсорные системы вводит внутренний шум в нейронные сети, облегчая выполнение задачи путем индукции стохастического резонанса в медиаторных системах. Терапевтический потенциал технологий нелинейной стимуляции Поскольку эффекты НИСМ и аудиовизуальной стимуляции зависят от частоты стимулов, и различные неврологические и психиатрические расстройства ассоциируются с избирательным нарушением ритма активности в конкретных диапазонах, временная структура воздействия имеет большое значение для получения искомого эффекта. В более ранних работах автора впервые было обращено внимание на важность фрактальной структуры световых мельканий в диагностике и терапии нейродегенеративных заболеваний сетчатки и головного мозга и опасность бесконтрольного применения периодических ритмов . Необходимо также отметить возможные негативные аспекты использования периодических сигналов с детерминированной динамикой. Прежде всего, нельзя исключать риск того, что упорядоченные ритмические воздействия способны усугубить аномалию по той (обсуждаемой выше) причине, что здоровье характеризует фрактальная динамика, а ослабление дальних корреляций и появление периодического поведения системы характерно для ее патологии (см. развитие этих представлений . Теория "фрактальности ощущений" обосновывает эти закономерности эволю-ционно и адаптационно сформированной связью анатомической и функциональной структуры мозга со сложностью сенсорных сигналов окружающей среды, влияющих на человека в течение жизни. С другой стороны, если заболевание ассоциируется с селективным изменением мощности осцилляций в одном конкретном диапазоне (например, у-ритма при шизофрении), или патологический процесс отличает возникновение упорядоченного ритма отдельных физиологических параметров, то другие физиологические процессы и флуктуации других параметров характеризует здоровая фрактальная динамика. Поэтому прямое или опосредованное вмешательство в нее путем регулярной ритмической стимуляции может оказаться опасным. Все сказанное определяет необходимость изучения воздействия на человека не только стимулов с нелинейной временной структурой, но и периодических ритмов определенных частот для выяснения объективного риска негативных воздействий и условий их максимального проявления или, наоборот, нивелирования. Применение абсолютно некоррелированных (белый шум) воздействий в некоторых случаях может повысить чувствительность системы к детекции допороговых стимулов . Но с другой стороны, это может также еще больше удалить систему от нормальной высоко коррелированной фрактальной динамики, приводя к аномальному функционированию головного мозга, что особенно актуально для периодических стимулов (звуковых, световых и др. природы), флуктуирующих на одной частоте. Автор обосновал применение технологий фрактальных и других комбинированных нелинейных воздействий на зрительную систему и мозг человека для нормализации сложности структуры и активности его нейронных сетей путем реактивации нейропластичности. Различные режимы фрактальной терапии или нелинейной модуляции ритмов таргетной терапии могут явиться перспективным путем решения проблемы. Например, при использовании в протоколах ритмической НИСМ конкретных детерминированных частот для "прямой" терапии расстройств, характеризуемых аномалией ритма ЭЭГ в селективной полосе частот, можно значительно повысить эффективность терапии, если ввести нелинейные флуктуации этого выбранного ритма. Тогда при сохранении средних значений таргетной частоты стимуляции, ее нелинейная модуляция может оказаться критически важной для восстановления фрактального контроля динамики мозговых волн и активности их генераторов. Альтернативно, первым шагом лечения может быть сначала восстановление фрактальной динамики ритмов и синхронизация ритмов между различными зонами головного мозга. Тогда вторым этапом стимулирующей терапии будет локальное целевое воздействие специфичными частотами. В недавно опубликованных работах установили, что динамику ходьбы (вариабельность интервалов между шагами) можно изменять путем синхронизации темпа движения с ритмом внешних сигналов. Например, у пациентов с БП интерактивная ритмическая аудио-стимуляция восстанавливала естественную временную структуру шагов - розовый шум . У здоровых лиц также продемонстрирована возможность аудио-моторной синхронизации шагов и сложного звукового сигнала: прослушивание белого и коричневого шумов сдвигало фрактальную динамику ходьбы здорового человека к статистическим свойствам стимулирующих сигналов. Важно отметить, что эти исследования по синхронизации динамики ходьбы с таймингом внешних принуждающих сигналов не относятся к технике фрактальной терапии, поскольку в них изучалось только изменение (захват) ритма шагов пациента или здорового человека непосредственно в процессе прослушивания в наушниках звуковых сигналов определенной структуры. В одном исследовании было показано, что в некоторых условиях эксперимента новый ритм ходьбы сохраняется до 15 мин после окончания ритмичного воздействия , но ни в одной работе до настоящего времени не исследовались терапевтические эффекты фрактальной стимуляционной терапии прерывистыми стимулами. Важно, однако, что отмеченные выше исследования показывают принципиальную готовность физиологических функций человека к захвату и генерации навязанных нелинейных ритмов фрактальной структуры, а не только периодических ритмов. Перспективным направлением в поиске стратегий по восстановлению структуры и функции головного мозга является изучение динамики и механизмов контроля когерентной активности между различными областями мозга. Показано, что при заболеваниях ЦНС может происходить потеря сложности в синхронизации активности между соседними и отдаленными участками мозга . Фазовая синхронизация считается одним из основополагающих принципов межнейронных коммуникаций на больших дистанциях. F. Varela et at. выдвинули гипотезу, что мозг представляет собой сложную сеть динамических систем с экстенсивными взаимодействиями между соседними локальными и отдаленными областями.Ими выполнен анализ механизмов многомасштабной интеграции, которая уравновешивает распределенную анатомическую и функциональную организацию мозговой деятельности, обеспечивая появление когерентного поведения и мышления. По гипотезе этих авторов, формирование динамических связей, опосредованное синхронизацией на множестве частотных диапазонов, является наиболее вероятным кандидатом на механизм, участвующий в крупномасштабной интеграции. Патологические состояния, например последствия черепно-мозговой травмы, нарушают функциональное взаимодействие между локальными и удаленными областями мозга . Известно также, что сердечно-сосудистая система в процессе старения претерпевает изменения, приводящие к снижению сложности физиологических взаимодействий между различными механизмами контроля ее динамики.Способность ритмических внешних стимулов синхронизировать сетевую активность в различных диапазонах относится к известному в физике феномену синхронизации хаотических аттракторов, который наблюдается при корреляции двух или более хаотических систем . К специфической технике фрактальной терапии можно отнести прослушивание музыкальных произведений. Исследования показывают, что большинство музыкальных композиций имеют среднюю фрактальную размерность и спектр розового шума .Наиболее комфортно воспринимается музыка с фрактальной размерностью 1.4 . С.Д. Пьянковой обсуждается взаимосвязь оценок эстетической привлекательности и сложности объектов архитектуры, музыки и живописи с их фрактальной размерностью. Выполненный ею анализ данных литературы демонстрирует, что наибольшей эстетической привлекательностью обладают объекты со средней фрактальной размерностью: от 1.1 до 1.5. Музыка — сложный и универсальный для мозга раздражитель, вовлекающий многие области в височной, лобной, теменной коре головного мозга, в мозжечке, в подкорковых структурах, участвующие в обработке слуховой, когнитивной, эмоциональной и моторной информации . В многочисленных исследованиях установлено психологическое й физиологическое воздействие музыки на человека, ее влияние на функциональную активность головного мозга . Наибольшее позитивное воздействие отмечается для произведений Моцарта, прежде всего, его сонаты для двух фортепьяно ре мажор К 448 . Регулярные музыкальные занятия активируют нейро-пластичность, улучшают структуру и функцию многих областей мозга, делая музыку потенциально полезным инструментом в неврологической реабилитации . Музыкальное обучение в детстве ослабляет влияние старения на ЦНС . Музыкальная терапия улучшает восприятие речи в шуме и другие функции стареющего мозга. С другой стороны, следует изучить воздействие на пластичность и динамику физиологической ак-

Авторы:

Издание: Физиология человека
Год издания: 2018
Объем: 12с.
Дополнительная информация: 2018.-N 3.-С.62-73. Библ. 134 назв.
Просмотров: 405