CC BY
235. Зенько М. Ю., Рыбникова Е. А. Роль глюкокортикоидных гормонов в стресс-протективных эффектах гипоксического посткондиционирования в моделях депрессии и посттравматического стрессового расстройства у крыс//Журнал высшей нервной деятельности им. ИП Павлова. — 2020 — Т. 70 — №. 6 — CС 825—836. doi: 10.31857^0044467720060131.
УДК 612.821
Зигмантович А. С.1, Копачка М. М.2, Александрова Е. В. 2, Смирнов А. С. 2, ШароваЕ. В.1, Окнина Л. Б.1
1 Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
2 ФГАУ НМИЦ нейрохирургии им. академика Н. Н. Бурденко Минздрава России
Zigmantovich A. S.1, Kopachka M. M.2, Alexandrova E. V.2, Smirnov A. S.2, Sharova E. V.1, Oknina L. B.1
1 Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology of the Russian Academy of Science
2 Burdenko National Medical Research Center of Neurosurgery
E-mail: [email protected]
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ФМРТ И ЭЭГ АНАЛИЗ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МОЗГА ПАЦИЕНТОВ С ПОСТТРАВМАТИЧЕСКИМ УГНЕТЕНИЕМ СОЗНАНИЯ ДО И ПОСЛЕ ТЕРАПЕВТИЧЕСКОЙ РТМС
COMPARATIVE FMRI AND EEG ANALYSIS OF THE BRAIN FUNCTIONAL ACTIVITY IN PATIENTS WITH POSTTRAUMATIC SUPPRESSION OF CONSCIOUSNESS BEFORE AND AFTER THERAPEUTIC RTMS
DOI
Аннотация: Восстановление сознания пациентов в форме посткоматозных бессознательных состояний при тяжелой черепно-моз-
говой травме относится к числу актуальных медико-социальных проблем. Анализ механизмов формирования подобных состояний и уточнение их информативных диагностических показателей нуждается в дополнениях на базе современных методических подходов. Для определения степени согласованности изменений гемодинами-ческих и биоэлектрических показателей были проведены индивидуальные сравнительные исследования сетей покоя фМРТ и коннективности ЭЭГ в покое и во время прослушивания акустических стимулов у пациентов с позитивной динамикой состояния под действием курсовой ритмической транскраниальной магнитной стимуляции. Выявлено значительное соответствие зон изменения коннективности ЭЭГ при акустической нагрузке с динамикой топографии височной и речевой сетей покоя фМРТ, значимых для успешности восстановления сознания.
Ключевые слова: черепно-мозговая травма, посткоматозные бессознательные состояния, фМРТ, коннективность ЭЭГ, рТМС
Summary. The recovery of consciousness in patients in the form of post-comatose unconsciousness after severe traumatic brain injury is one of the most challenging medical and social issues. The analysis of the formation mechanisms of such conditions and the refinement of their informative diagnostic indicators require some additional information based on modern methodological approaches. To determine the degree of coherence of changes in hemodynamic and bioelectric parameters the following research has been carried out: individual comparative studies of fMRI resting networks and EEG connectivity at rest as well as while listening to acoustic stimuli in patients with positive dynamics of the state under the influence of repetitive transcranial magnetic stimulation. We have discovered a significant correspondence of the zones of changes in the EEG connectivity under acoustic load with the dynamics of the topography of the temporal and speech networks of fMRI resting state, which are significant for the success of the consciousness restoration.
Keywords: traumatic brain injury, post-comatose unconsciousness, fMRI, EEG connectivity, rTMS
Зачастую тяжелая черепно-мозговая травма является основополагающим фактором длительного нарушения сознания [1, 2]. Оценка анатомической и функциональной сохранности мозга, а также его потенциальных возможностей посредством использования разномодальных методологических подходов (фМРТ, ЭЭГ, ВП) относится к числу актуальных клинико-нейрофизиологиче-ских проблем [3, 4].
В последнее время в разных областях нейробиологии активно используется термин connectivity — связанность областей мозга (анатомическая и функциональная), как основа обеспечения состояния покоя и разных вариантов церебральной деятельности [5, 6]. Получено много данных [7, 8, 9, 10] об информативности оценки показа-
телей коннективности ЭЭГ и фМРТ для характеристики состояния сознания при церебральной патологии, в том числе, в контексте анализа функциональных нейронных сетей фМРТ покоя [11, 12]. В литературе описаны от 7 до 15 сетей покоя фМРТ (СПфМРТ), устойчиво воспроизводимых как в индивидуальных, так и в групповых исследованиях у здоровых людей, но нарушаемых при патологии [13]. К числу значимых для восстановления сознания при его угнетении относят такие СПфМРТ как сеть пассивной работы мозга или режима по умолчанию (DMN), сенсомоторную, сеть управляющих функций (исполнительного контроля), латеральные лобно-теменные и аудиторную (слуховую) [14, 15]. По данным наших предыдущих ЭЭГ исследований, к их числу может относиться также речевая сеть [16].
Настоящее исследование является пилотным и было направлено на выявление особенностей нейросетевой организации мозга при посттравматическом угнетении сознания по данным фМРТ покоя и коннективности ЭЭГ. При этом в качестве «инструмента», способного изменять уровень нейрональной возбудимости и улучшать клиническое состояние пациентов, в работе использовался перспективный для нейрореабилитации метод ритмической транскраниальной стимуляции (рТМС) [17].
Методика: Детальный анализ СПфМРТ и ЭЭГ коннективности был проведен у 3-х пациентов (в возрасте 31—35 лет) с посттравматическим угнетением сознания и его изменением после курсовой рТМС лобных отделов полушарий [18], проводившейся в разные сроки после ТЧМТ (от 17 дней до 4,5 лет). Один из них исходно пребывал в вегетативном состоянии, двое в состоянии акинетического мутизма, согласно [19] или минимального сознания по шкале [20]. После курса рТМС у 2-х пациентов отмечено улучшение состояния с переходом на одну и две стадии восстановления (от вегетативного состояния и акинетического мутизма — к мутизму с пониманием речи и выполнением инструкций), у одного — улучшение в пределах состояния акинетического мутизма, но с появлением эмоциональных реакций.
Наряду с клинико-неврологической оценкой, у пациентов проводился контроль фМРТ покоя и ЭЭГ (в состоянии покоя и при акустической нагрузке) до и после курсовой рТМС.
Контрольную группу здоровых испытуемых для фМРТ исследования составили 15 человек, для ЭЭГ-исследования — 8 человек.
Исследование фМРТ 3.0 Тл выполнялось на магнитно-резонансном томографе General Electric Signa HDxt (США) в состоянии
покоя с закрытыми глазами в течение 10 мин 12 сек. Последующая обработка проводилась на базе пакета программ FSL по алгоритму, разработанному ранее в нашей лаборатории [21]. Оценивали топографию и количественные показателей 6 СПфМРТ, перечисленных во введении.
ЭЭГ записывали на оборудовании фирмы Нейроботикс (Россия) от 32 электродов по системе 10—10 % в состоянии спокойного бодрствования и при прослушивании песенных отрывков. Стимуль-ная презентация — 6 песенных отрывков (знакомых, незнакомых), число повторений каждого — 11, длительность предъявления — 4 с. Межстимульный интервал варьировал от 5 до 7 с. Последующий анализ проводили в программе Brainstorm [22] на базе MatLab с использованием коэффициента корреляции Пирсона и нелинейной причинности по Грейнджеру. Эпоха анализа — 600 мс, шаг анализа 1 мс. Анализируемый частотных диапазон 1—15 Гц.
Функциональные связи ЭЭГ рассчитывались и визуализировались в программе для всех электродов. При визуализации количество их на схемах было сокращено до 16 (Fp1, Fp2, F3, F4, F7, F8, T3, T4, C3, C4, T5, T6, P3, P4, O1, O2).
Поскольку при использовании метода Грейнджера не выработаны общепринятые значения порогов визуализации, в настоящем исследовании выбран порог корреляционного анализа 0,5 для определения максимально выраженных отличий, а затем определяли направленность выявленных связей по Грейнджеру.
Результаты и обсуждение: Показано, что для всех 3-х исследованных пациентов сети покоя фМРТ отличны от нормы количеством выявляемых сетей (уменьшением их числа) и пространственной организацией (асимметричностью, нарушением характерной для нормы временной синхронизации активности внутрисетевых составляющих.) Степень этих нарушений сопряжена с уровнем угнетения сознания. Выявление и нормализация топологии речевой сети покоя фМРТ характерны для двух пациентов с выраженной позитивной динамикой сознания.
Отмечено определенное соответствие топографии сетей покоя фМРТ и паттерна коннективности ЭЭГ покоя, касающееся зон неспецифической активации, причастных к формированию нескольких СПфМРТ (лобных, центральных, теменно-затылоч-ных, височных). Оценка ЭЭГ при аудиторных нагрузках способствует выявлению функциональных возможностей, скрытых в состоянии покоя. Прослушивание стимулов дает более полную
и четкую оценку работы и сохранности аудиторной и речевой нейронных сетей.
Подтверждено, что терапевтическая рТМС лобных отделов полушарий способна активировать нейронные сети покоя либо их отдельные компоненты с тенденцией к нормализации сетевой топологии. Это наиболее характерно для пациентов с качественными позитивными изменениями состояния после рТМС до состояния минимального сознания с пониманием речи (мутизм с пониманием речи, 2 наблюдения), отражая вероятное восстановление межполушарных и внутриполушарных протяженных функциональных связей.
Заключение: У пациентов с ПКБС нарушения топологии и интенсивности сетей покоя фМРТ сопряжены с уровнем угнетения сознания. Тенденция к нормализации показателей СПфМРТ, и речевой, в частности, характерна для пациентов с выраженной позитивной динамикой сознания. Пространственная организация коннективности ЭЭГ при сложной акустической нагрузке согласуется с топографией компонентов акустической и речевой сетей покоя фМРТ. Полученные данные подтверждают информативность оценки коннективности ЭЭГ в покое и при акустической стимуляции для диагностики и прогнозирования состояния сознания.
Список литературы:
1. Потапов А. А. Рошаль Л. М., Лихтерман Л. Б.и др. Черепно-мозговая травма: проблемы и перспективы//Вопросы нейрохирургии им. НН Бурденко. — 2009. — №. 2. — С. 3—8.
2. Giacino J. T., Fins J. J., Laureys S., Schiff N. D. Disorders of consciousness after acquired brain injury: the state of the science//Nature Reviews Neurology. — 2014. — Т. 10. — №. 2. — С. 99—114.
3. Greicius M. Resting-state functional MRI: a novel tool for understanding brain networks in neuropsychiatric disorders//Genomics, Circuits, and Pathways in Clinical Neuropsychiatry. — Academic Press, 2016. — С. 247—262.
4. Coquelet N., De Tiege X., Destoky F. et al. Comparing MEG and high-density EEG for intrinsic functional connectivity mapping// Neurolmage. — 2020. — Т. 210. — С. 116556.
5. Friston K. J., Frith C. D., Liddle P. F. et al. Functional connectivity: the principal-component analysis of large (PET) data sets/Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. — 1993. — Т. 13. — №. 1. — С. 5—14.
6. Мартынова О. В. Сушинская-Тетерева А. О., Балаев В. В. и др. Корреляция функциональной связанности областей мозга, активных в состоянии покоя, с поведенческими и психологическими показателями//Журнал высшей нервной деятельности им. ИП Павлова. — 2016. — Т. 66. — №. 5. — С. 541—555.
7. Boldyreva G. N., Zhavoronkova L. A., Sharova E. V. et al. Electroen-cephalographic intercentral interaction as a reflection of normal and pathological human brain activity//The Spanish journal of psychology. — 2007. — Т. 10. — №. 1. — С. 167—177.
8. Шарова Е. В., Челяпина М. В., Коробкова Е. В. и др. ЭЭГ-корре-ляты восстановления сознания после тяжелой черепно-мозговой травмы//Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени НН Бурденко. — 2014. — Т. 78. — №. 1. — С. 14—25.
9. Cacciola A., Naro A., Milardi D. et al. Functional brain network topology discriminates between patients with minimally conscious state and unresponsive wakefulness syndrome//Journal of clinical medicine. — 2019. — Т. 8. — №. 3. — С. 306.
10. Carrasco-Gómez M., Keijzer H. M., Ruijter B. J. et al. EEG functional connectivity contributes to outcome prediction of postanoxic coma// Clinical Neurophysiology. — 2021. — Т. 132. — №. 6. — С. 1312—1320.
11. Demertzi A., Gomez F., Crone J. S. et al. Multiple fMRI system-level baseline connectivity is disrupted in patients with consciousness al-terations//Cortex. — 2014. — Т. 52. — С. 35—46.
12. Demertzi A., Tagliazucchi E., Dehaene S. et al. Human consciousness is supported by dynamic complex patterns of brain signal coor-dination//Science advances. — 2019. — Т. 5. — №. 2.
13. Gilbert N., Bernier R. A., Calhoun V. D. et al. Diminished neural network dynamics after moderate and severe traumatic brain injury// PloS one. — 2018. — Т. 13. — №. 6. — С. e0197419.
14. Caeyenberghs K., Leemans A., Heitger M. H. et al. Graph analysis of functional brain networks for cognitive control of action in traumatic brain injury//Brain. — 2012. — Т. 135. — №. 4. — С. 1293—1307.
15. Sharp D. J., Scott G., Leech R. Network dysfunction after traumatic brain injury//Nature Reviews Neurology. — 2014. — Т. 10. — №. 3. — С. 156—166.
16. Зигмантович А. С., Окнина Л. Б., Копачка М. М. и др. Функциональные вейвлет-связи в состоянии покоя, отражающие восстановление сознания у пациентов с тяжелой черепно-мозговой трав-мой//Физиология человека. — 2021. — Т. 47. — №. 2. — С. 22—31.
17. Копачка М. М., Шарова Е. В., Александрова Е. В. и др. В поисках эффективного алгоритма ритмической транскраниальной магнитной стимуляции в нейрореабилитации после тяжелой черепно-мозговой травмы//Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени НН Бурденко. — 2019. — Т. 83. — №. 6. — С. 111 — 119.
18. Kopachka M., Sharova E., Alexandrova E. et al. P76-S Therapeutic possibilities of transcranial magnetic stimulation in patients after traumatic brain injury (updated report)//Clinical Neurophysiolo-gy. — 2019. — Т. 130. — №. 7. — С. e115.
19. Доброхотова Т. А., Потапов А. А., Зайцев О. С. и др. Обратимые посткоматозные бессознательные состояния//Социальная и клиническая психиатрия. — 1996. — Т. 6. — №. 2. — С. 26—36.
20. Мочалова Е. Г., Легостаева Л. А., Зимин А. А. и др. Русскоязычная версия пересмотренной шкалы восстановления после комы — стандартизированный метод оценки пациентов с хроническими нарушениями сознания//Журнал неврологии и психиатрии им. СС Корсакова. Спецвыпуски. — 2018. — Т. 118. — №. 3. — С. 25—31.
21. Гаврон А. А., Шарова Е. В., Смирнов А. С. и др. Групповой и индивидуальный фМРТ анализ основных сетей покоя здоровых испытуемых//Журнал высшей нервной деятельности им. ИП Павлова. — 2019. — Т. 69. — №. 2. — С. 150—163.
22. Tadel F., Baillet S., Mosher J. C. et al. Brainstorm: a user-friendly application for MEG/EEG analysis//Computational intelligence and neuroscience. — 2011. — Т. 2011.
УДК 577.32/.36; 57.085.23;576.33
Иванова М. А., Абушик П. А., Карелина Т. В., Степаненко Ю. Д., Сибаров Д. А., Антонов С. М.
ФГБУН Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН, Санкт-Петербург, Россия.
Ivanova M. A., Abushik P. A., Karelina T. V., Stepanenko Yu. D., Sibarov D. A., Antonov S. M.
Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry RAS, Saint-Petersburg, Russia
E-mail: [email protected]
