Савелов Андрей Александрович, кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник лаборатории «МРТ Технологии», руководитель группы магнитно-резонансной биофизики,
ул. Институтская, 3А, Новосибирск, 630090
Savelov Andrey A., PhD, Senior Researcher at the Laboratory of “MRI Technology”, Head of MR Biophysics Group,
3A, Institutskaya St, Novosibirsk, 630090
Хрущева Надежда Алексеевна, кандидат медицинскихнаук старший научный сотрудник лаборатории клинической и экспериментальной неврологии, врач-невролог, заведующая неврологическим отделением клиники,
ул. Тимакова, 2, Новосибирск, 630060
Khrushcheva Nadezhda A., PhD, Senior Researcher at the Laboratory of Clinical and Experimental Neurology, Neurologist, Head of the Neurological Clinical Department,
2, Timakova St, Novosibirsk, 630117
Калгин Константин Викторович, кандидат физико-математических наук ординатор второго года обучения по направлению «терапия»,
ул. Тимакова, 2, Новосибирск, 630060
Kalgin Konstantin V., PhD, Resident (specialty General Practice),
2, Timakova St, Novosibirsk, 630117
Козлова Людмила Игоревна, научный сотрудник лаборатории компьютерных систем биоуправления научно-исследовательского института молекулярной биологии и биофизики,
ул. Тимакова, 2, Новосибирск, 630060
Kozlova Liudmila I., Researcher at the Laboratory of Computer Systems of Bio-Management, Research Institute of Molecular Biology and Biophysics,
2, Timakova St, Novosibirsk, 630117
Безматерных Дмитрий Дмитриевич, аспирант, научный сотрудник лаборатории компьютерных систем биоуправления научно-исследовательского института молекулярной биологии и биофизики,
ул. Тимакова, 2, Новосибирск, 630060
Bezmaternykh Dmitriy D., Researcher at the Laboratory of Computer Systems of Bio-Management, Research Institute of Molecular Biology and Biophysics,
2, Timakova St, Novosibirsk, 630117
Мельников Михаил Евгеньевич, кандидат биологических наук ведущий научный сотрудник лаборатории компьютерных систем биоуправления научно-исследовательского института молекулярной биологии и биофизики,
ул. Тимакова, 2, Новосибирск, 630060
Mel’nikov Mikhail Ye., PhD, Leading Researcher at the Laboratory of Computer Systems of Bio-Management, Research Institute of Molecular Biology and Biophysics,
2, Timakova St, Novosibirsk, 630117
Мажирина Ксения Геннадьевна, кандидат психологических наук старший научный сотрудник лаборатории компьютерных систем биоуправления научно-исследовательского института молекулярной биологии и биофизики,
ул. Тимакова, 2, Новосибирск, 630060
Mazhirina Ksenia G., PhD, Senior Researcher at the Laboratory of Computer Systems of Bio-Management, Research Institute of Molecular Biology and Biophysics,
2, Timakova St, Novosibirsk, 630117
Шурунова Анастасия Владимировна, врач-ординатор по направлению «неврология» центра постдипломного образования института медицины и психологии В. Зельмана,
ул. Пирогова, 2, Новосибирск, 630090
Shurunova Anastasia V., Resident (specialty Neurology), Zelman Institute of Medicine and Psychology,
2, Pirogova St, Novosibirsk, 630090
Предтеченская Елена Владимировна, доктор медицинских наук профессор кафедры неврологии института медицины и психологии В. Зельмана,
ул. Пирогова, 2, Новосибирск, 630090
Predtechenskaya Elena V., PhD, Professor at the Department of Neurology, Zelman Institute of Medicine and Psychology,
2, Pirogova St, Novosibirsk, 630090
Штарк Марк Борисович, академик РАН, доктор биологических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ председатель Президиума,
ул. Тимакова, 2, Новосибирск, 630060
Shtark Mark B., Academician of the Russian Academy of Sciences, Honored Scientist of the Russian Federation, Professor, Chairman,
2, Timakova St, Novosibirsk, 630117
Основные положения. Интерактивная стимуляция мозга – развитие технологии нейробиоуправления, подразумевающее возможность волевого регулирования гемодинамического отклика конкретных структур мозга с целью изменения параметров активности церебральных сетей и достижения желаемой клинической и поведенческой динамики у пациентов (испытуемых). Одним из показаний к применению технологии являются двигательные нарушения вследствие инсульта; в этом случае фокус волевого воздействия направлен на моторные области мозга.
Актуальность. Нейробиоуправление и тесно связанные с ним интерфейсы «мозг – компьютер» рассматривают как базу для создания алгоритмов управляемой нейропластичности. Интерактивная терапия (стимуляция) мозга – недавно сформировавшаяся модальность нейробиоуправления, подразумевающая зависимость обратной связи от сигнала гемодинамического отклика, регистрируемого средствами функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Технология позволяет с высокой точностью фокусироваться на регионе интереса и обучить субъекта контролю как активности отдельных церебральных структур, так и функциональной связности между ними с инициированием поведенческих изменений.
Цель. Продемонстрировать дизайн эксперимента с интерактивной стимуляцией вторичных моторных зон мозга на бимодальной фМРТ-электроэнцефалографии платформе и описать динамику моторной сети в ходе лечения на репрезентативном примере больного с гемипарезом в раннем восстановительном периоде инсульта.
Материалы и методы. 11 пациентов обучались регулировать активность дополнительной моторной области и премоторной коры пораженного полушария, получая обратную связь по сигналу фМРТ и активности мю-ритма (8–13 Гц) и бета-2-ритма (18–26 Гц) электроэнцефалографии в центральных отведениях. Курс состоял из 6 сессий в блочном дизайне (воображение движения чередовалось с отдыхом) с интервалом в 2–3 дня. В ходе лечения изучена динамика активации зон интереса. В тестовых сессиях (до лечения, сразу по его окончании и через полгода после завершения курса) проведена реконструкция функциональных связей внутри моторной церебральной сети и оценена функция руки (динамометрия хвата, шкала Фугл-Майера, тест Box and Block).
Результаты. По завершении лечения достигнуто увеличение силы и ловкости руки; отмечены усиление фМРТ-сигнала премоторной коры ипсилатерального полушария и укрепление межполушарной функциональной связности вторичных моторных зон.
Заключение. Таким образом, фМРТ и построенная на ее основе технология интерактивной стимуляции мозга, с одной стороны, обеспечивают технологическую основу для перевода спонтанной нейропластичности в управляемую в интересах более полной реабилитации постинсультного дефекта. С другой – фМРТ-мониторинг служит важным инструментом наблюдения за процессом перестройки церебральных сетей после инсульта, обеспечивая возможность измерять функциональную связность в динамике, то есть давать численную характеристику нейропластичности.
Highlights. Interactive brain stimulation is the next step in neurofeedback technology, it implies the possibility of volitional regulation of the hemodynamic response of specific brain region in order to transform entire brain network and obtain the desired clinical and behavioral dynamics in patients (subjects). One of the indications for using the technology is post-stroke movements disorders when the volitional influence is focused on the motor area of the brain.
Background. Neurofeedback and closely related concepts of neural interface system and “interactive brain” are considered as the foundation for developing algorithms for controlling neuroplasticity. Interactive brain therapy (stimulation) is a recently developed type of neurofeedback therapy, which implies dependence of feedback on a hemodynamic response signal recorded by functional magnetic resonance imaging (fMRI). The technology focuses on the region of interest with good accuracy and enables teaching the subject to control the activity of both individual cerebral structures and the functional connectivity between them, causing behavioral metamorphoses.
Aim. To demonstrate the study design involving interactive stimulation of secondary motor areas of the brain using a bimodal fMRI-electroencephalography platform, and to describe the dynamics of the motor networks during treatment in patients with hemiparesis in the early period of recovery from stroke.
Methods. The study involved 11 patients who were trained to regulate the activity of the secondary motor area and premotor cortex of the affected hemisphere, receiving feedback on the fMRI signal and the activity of the mu- (8–13 Hz) and beta2 (18–26 Hz) EEG ranges of the areas of interest. The block-designed training consisted of 6 sessions (imagination of movement – rest) with an interval of 2–3 days. During treatment the dynamics of the hemodynamic response of the areas of interest was analyzed. In test sessions (before treatment, immediately after the end, and six months later) functional connections within the motor network were reconstructed and hand function was assessed (grip strength, Fugle-Meyer Assessment, Box and Blocks test).
Results. Upon completion of treatment, an increase in grip strength and dexterity was achieved; there was an increase in the fMRI signal of the premotor cortex of the ipsilateral hemisphere, and a strengthening of the interhemispheric functional connectivity of the secondary motor areas.
Conclusion. fMRI and the interactive brain therapy technology built on its basis, on the one hand, provide the technological foundation for the “interactive brain” and the transformation of spontaneous neuroplasticity into a controlled one, and on the other hand, serve as an important tool for monitoring the process of restructuring of cerebral networks after a stroke, providing the ability to record the emergence (or disappearance) of connectivity between brain regions, and to measure its strength in dynamics, that is, to give a numerical description of neuroplasticity.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.