Новая работа неврологов и нейрохирургов из Института нейробиологии штата Айова при Университете штата Айова предоставляет первое прямое свидетельство связи в человеческом мозгу между мыслящей областью мозга (лобной корой) и более глубокой структурой, называемой субталамическим ядром ( STN), который участвует в управлении движением. Исследование также показывает, что стимуляция STN на низких частотах улучшает производительность пациентов с БП при выполнении простой когнитивной задачи, которая обычно нарушается БП.«Не очень часто вы обнаруживаете новую связь в человеческом мозге», — говорит Нандакумар Нараянан, доктор медицинских наук, доцент кафедры неврологии Медицинского колледжа У.И.
Карвера и старший автор исследования. «О существовании этого гиперпрямого пути от префронтальной коры к STN обсуждали уже около десяти лет, но мы впервые экспериментально показали, что он существует и функционирует у людей.«Мы также смогли показать, что если мы стимулируем STN, мы изменяем фронтальную кортикальную активность, и мы думаем, что это происходит по этому пути», — добавляет он. «И если мы стимулируем STN и изменяем активность коры головного мозга, мы действительно можем изменить поведение в лучшую сторону, улучшая когнитивные способности пациентов».
Болезнь Паркинсона — это прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, которым страдает около миллиона человек в Соединенных Штатах. Глубокая стимуляция STN на высоких частотах уже одобрена для лечения двигательных проблем у некоторых пациентов с болезнью Паркинсона. Однако, помимо проблем с движением, PD также влияет на мышление. Новые результаты повышают вероятность того, что глубокая стимуляция мозга STN с другой (низкой) частотой может также улучшить когнитивные симптомы при БП и, возможно, даже при других неврологических и психических заболеваниях.
Прислушиваясь к мозгуКоманда смогла отобразить связь STN-кора головного мозга, «прислушиваясь» к активности мозга во время операций, чтобы имплантировать электроды для глубокой стимуляции мозга (DBS) пациентам с болезнью Паркинсона.
Нейрохирург UI Джереми Гринли, доктор медицины, ежегодно проводит более 30 таких операций, и его опыт был жизненно важен для эксперимента по картированию. Используя специальные записывающие электроды, помещенные в мозг пациентов, Гринли отслеживает активность мозга, чтобы точно разместить устройство DBS.
Эти электроды также позволяют напрямую регистрировать активность мозга в экспериментальных целях у пациентов, которые бодрствуют во время процедуры, без какого-либо риска. Такой вид интраоперационных записей не очень распространен, но Гринли и его коллеги по УИ имеют долгую историю опыта в этой технике.
Во время операции пациенты выполняли простую когнитивную задачу, чтобы стимулировать одну часть мозга и одновременно регистрировать электрическую активность других частей, которые связаны между собой. Прослушивание нейронной активности во время выполнения задачи позволило команде отобразить связь.«Мы смогли вызвать реакцию, чтобы показать функциональную связь», — объясняет Гринли. «Очень быстрый ответ предполагает единственное прямое синаптическое соединение — это и есть гиперпрямое соединение».Стимуляция улучшает когнитивные способности
Установив существование гиперпрямой связи, исследователи затем исследовали влияние низкочастотной стимуляции STN на когнитивные способности. Команда Нараянана использует очень простую мыслительную задачу — точно оценивая прохождение короткого промежутка времени — для изучения когнитивных нарушений у пациентов с БП и моделей БП на животных.Во время контрольных посещений после операции исследователи предлагали пациентам выполнить задание по интервалу времени с помощью стимулятора DBS, настроенного на одну из трех настроек: высокая частота (нормальная для контроля движения), отсутствие стимуляции или настройка низкой частоты 4 Гц.
Только стимуляция с частотой 4 Гц улучшила показатели пациентов при выполнении временного теста.Предыдущее исследование лабораторий Нараянана показало, что люди с БП и грызунами модели болезни пропускают определенную мозговую волну, известную как дельта-волна, в их лобной коре головного мозга, когда они выполняют задание на синхронизацию. Дельта-волна циклически повторяется с частотой около 4 Гц.
«Когда мы стимулируем STN с частотой 4 Гц, дельта-волна восстанавливается в средней части лобной коры», — говорит Нараянан. «Стимулируя STN, мы можем восстановить активность коры головного мозга (которая нарушена при БП) и улучшить когнитивное поведение».Исследователи думают, что частоты подобны каналам связи между сетями. Если две сети работают вместе на одной и той же частоте, это может быть уникальным способом взаимодействия сетей и передачи информации.
"Тот факт, что мы можем проверить многие наши идеи (которые исходят от исследований на грызунах) о том, как работают нейронные сети у бодрствующих людей, — это то, о чем я даже не мечтал, что смогу это сделать, но это позволяет нам задавать вопросы, которые действительно могут помочь многим людям », — говорит Нараянан.«Приятно иметь способ улучшить познавательные способности, который может изменить жизнь пациентов», — добавляет Гринли.