Новые методы функционального картирования головного мозга позволяют точнее определять зоны, отвечающие за речь, движение и другие важные функции, снижая риски нейрохирургических операций и расширяя возможности реабилитации пациентов. Эти и другие разработки обсудили участники научно-практической конференции, прошедшей при участии исследователей Вышки.

В Москве состоялась научно-практическая конференция «Функциональное картирование коры головного мозга: практические подходы и новые технологии». Организаторами мероприятия выступили Центр биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ, Московский центр Инновационных технологий в здравоохранении (Медтех), НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, Институт нейронаук и нейротехнологий РНИМУ им. Н.И. Пирогова при поддержке Ассоциации нейрохирургов России и Ассоциации специалистов по клинической нейрофизиологии АСКЛИН.

Член-корреспондент РАН Андрей Гринь в приветственном слове подчеркнул важную роль нейрофизиологов в проведении нейрохирургических операций. Они обеспечивают детальное изучение функций отдельных участков головного мозга, поражаемых при наследственных и приобретенных патологиях. По мнению ученого, работа нейрофизиологов в последние годы позволяет хирургам проводить операции, о которых ранее можно было только мечтать. «Мы следим за вашими успехами и будем пользоваться достижениями», — подчеркнул он.

Управление протезами

На пленарной сессии «Фундаментальные основы и новые технологии картирования мозговой коры» директор Центра биоэлектрических интерфейсов Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ Алексей Осадчий представил доклад «Медицинские приложения нейро- и миоинтерфейсов». Он сообщил, что целью одного из крупных проектов была разработка инструментов считывания и декодирования движений пальцев, что на сегодняшний день возможно как с помощью сигналов головного мозга, регистрируемых с помощью электрокортикографических (ЭКоГ) электродов, так и посредством неинвазивных миографических интерфейсов. Современные подходы, развиваемые в НИУ ВШЭ, позволяют декодировать сигналы почти без задержки и дают возможность пациентам после ампутации подготовиться к управлению протезом.

Во время эксперимента с инвазивными электродами пациент сжимал рукоятку и получал в ответ сенсорную стимуляцию через мозг. Выяснилось, что число ошибок при наличии обратной связи снижалось, управление мышцами и воображаемым протезом становилось более естественным.

Докладчик пояснил, что применение кортикального интерфейса, комплекса электродов, предполагает сложное взаимодействие с нервной тканью и усложняет кодирование паттернов, что приводит к снижению клинической востребованности.

Неинвазивный миографический интерфейс формирует более удобные системы электродов, позволяет получать высокоплотную электромиографию и более устойчивые паттерны, применимые в клинических условиях.

Обучение с помощью миограммы облегчает подготовку к протезированию, мотивирует пациентов, в том числе тех, кто испытывает атрофию мышц, фантомные боли и депрессию после ампутации.

В ходе экспериментов, проходивших на базе медицинского центра «Вороновское», пациенты погружались в VR-среду и учились управлять аватаром бионического протеза, получая надежду на восстановление утраченных функций. Этот метод особенно эффективен для потерявших руку, поскольку протезы руки изготавливаются долго из-за сложности конструкции. Эффект достигается даже у пациентов с высокой ампутацией.

Также устройство было проверено на пациентках с врожденной гипоплазией (недоразвитостью) кисти. По мере тренировок у одной из них через три месяца сформировался очаг в моторной коре, ответственный за движение ранее неразвитых мышц, который можно интерпретировать как готовность к использованию протеза.

Отвечая на вопросы, Алексей Осадчий отметил, что эти интерфейсы можно использовать и для восстановления пациентов с повреждениями спинного мозга, а также, что система может быть дополнена высокоплотной электроэнцефалограммой для декодирования движений отдельных пальцев. По его мнению, идея проращивания аксонов (нервных окончаний) малопродуктивна, поскольку организм будет отторгать любую имплантацию.

Развитие картирования мозга

Ведущий научный сотрудник отделения неотложной нейрохирургии НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского Михаил Синкин представил доклад «Картирование мозговой коры: от истоков к современности». Он сообщил, что изучение стимуляции мозга начал Дэвид Феррье, экспериментировавший на животных, а работать с человеческим мозгом первым стал Эзио Скьяманна, стимулировавший его с помощью игольчатых электродов. Наконец, Уайлдер Пэнфельд регулярно применял это на практике, стимулируя кору головного мозга при эпилепсии, что позволяло определить зону, провоцирующую приступ и удалять ее.

Сейчас при лечении, в том числе пациентов со спинальной травмой, первоначально определяется нейропластичность и моторные зоны, чтобы сохранить их для восстановления функций мышц. Затем изучается клинический ответ на применение тока при пробужденной речевой коре, и с помощью подобранных заданий оцениваются нарушения памяти и высшей нервной деятельности.

Далее проводится картирование моторной коры, регистрация сокращения мышц, а также речевое картирование, при котором следует учитывать вариабельность расположения речевых зон. Эти этапы сопровождаются электростимуляцией, в том числе неинвазивной навигируемой транскраниальной магнитной стимуляцией, — составляется карта речевых и двигательных зон. Картирование сейчас востребовано как в практической медицине, так и в исследованиях.

Возможны стимулирующие и, напротив, тормозящие электрические и электромагнитные сигналы. При этом важно понимать, что чрезмерное повышение силы и частоты тока может приводить к ложным результатам и даже вызывать припадки. «Влияние электрического тока на головной мозг необходимо продолжать изучать», — резюмировал врач.

Нейроонкология под контролем технологий

Заведующий нейрохирургическим отделением НИИ СП им. Н.В. Склифосовского Александр Природов изложил доклад по теме «Инновационные технологии в хирургии опухолей головного мозга». Он акцентировал, что новые технологии позволяют оперировать опухоли, которые ранее считались неизлечимыми. В последние десятилетия распространенность опухолей органов центральной нервной системы, по данным ВОЗ, растет, увеличивается она и в России, и в Москве, в том числе у людей младше 60 лет.

Число операций по удалению опухолей мозга сейчас выше, чем по устранению последствий черепно-мозговых травм. В московских стационарах они составляют 15-17% нейроопераций. Преимущественно это удаление глиом и менингиом. При этом нейроонкологические операции невозможны без микроскопа и большой команды квалифицированных врачей, умеющих использовать современное оборудование, в том числе ультразвуковой сканер, электронный микроскоп и систему нейронавигации. Эти технологии позволяют делать МРТ прямо на операционном столе и контролировать манипуляции.

Контроль над ситуацией с помощью микроскопа позволяет определить участки коры мозга, отвечающие за движения рук и ног, удалять патологическую зону так, что пациент после недолгого периода восстановления уходит домой самостоятельно. Очень важен нейрофизиологический мониторинг, без которого невозможны спинальные и некоторые иные операции, а также мультимодальный нейромониторинг, при котором реаниматологи завершают работу нейрохирурга, улучшая исход операции.

В том числе проводятся операции, позволяющие удерживать пациента в сознании, контролируя реакции его мозга на активацию и торможение во время стимуляции. Нейрохирург подчеркнул, что это стало возможным благодаря отечественным технологиям и оборудованию.

Александр Природов отметил, что для снижения риска ошибок необходимо регулярно проводить виртуальные тренировки нейрохирургов, следовать рекомендациям нейрофизиологов. После операции пациент должен следовать рекомендациям врачей и своевременно направляться в профильную клинику на повторные обследования, чтобы избежать рецидивов и осложнений.

Также на сессии был представлен доклад доцента факультета биологии и биотехнологии НИУ ВШЭ Ольги Сысоевой «Особенности восприятия и генерации речи».

10 минут в операционной

На симпозиуме «Картирование коры без использования электростимуляции» стажер-исследователь Центра биоэлектрических интерфейсов Магомед Аливердиев представил доклад «Программный аппаратный комплекс EloQ для функционального бесстимуляционного картирования церебральной коры». Он пояснил, что аппаратный комплекс позволяет исследовать динамику речевых процессов в коре головного мозга, отражая моторную и сенсорную компоненты речи. Для этого разработчики решили применить онлайн-декодирования в парадигме пассивного интраоперационного картирования.

Золотым стандартом в нейрохирургии считается активное картирование, когда переменным электрическим током стимулируются участки образования, причем во время стимуляции один из врачей вовлекает пациента в речевую активность. Это достигается путём показа специально отобранных изображений пациенту. Активное картирование позволяет нарушить естественное взаимодействие нейронов при формировании речи. Однако, такой подход вызывает риск судорог и эпилептического приступа у пациента.

В настоящий момент проводится пассивное картирование без электростимуляции. Оно заключается в пассивном считывании сигналов мозга с помощью специальной электродной сетки. При картировании важно синхронизировать картинки, показываемые пациенту, его речь и сигналы мозга, включение всех элементов в цифровую сеть. Также необходимо, чтобы пациент мог нормально читать, поэтому была подготовлена беспроводная связь с планшетом, программа фиксирует точные временные метки показа изображений, и они становятся дополнительным каналом данных.

Функционал позволяет проводить автоподбор стимулов на основании данных об очаговой зоне, есть более 20 блоков стимулов, режимы для активного и пассивного картирования, он содержит справочник функциональных нарушений и карту мозга.

При работе комплекса следует выключать другие приборы, чтобы избежать посторонних шумов.

Докладчик сообщил, что приложение представлено даже в Google Play и регулярно обновляется, предполагается его размещение и в App Store.

Чтобы воспользоваться комплексом записываются имя, фамилия и время госпитализации пациента, а также очаговые доли и их расположение в полушарии.

Далее можно посмотреть справочник нарушений, понять, какому сектору соответствует функция речи и определить с высокой долей вероятности, какие участки мозга соответствуют очаговой зоне. Затем пациент выполняет различные задания, причем при их подборе можно исключить изображения в случаях, если пациент не может назвать слова и действия.

После операции проводится повторная процедура, в ходе которой медики могут убедиться, что картинки, названные пациентом до резекции очаговой зоны, будут названы и после нее.

При активном картировании важно, чтобы один из врачей постоянно следил за состоянием пациента и демонстрировал ему картинки, понимая конкретный тип речевых нарушений. По мнению специалиста, есть простой способ стимуляции без риска возникновения приступа, и понять, как и когда может возникнуть речевое нарушение.

Интерфейс был сделан с акцентом на простоту с возможностью подключения к планшету, а информация о пациенте немедленно передается с планшета на ноутбук.

Наиболее полезной Магомед Аливердиев считает развертку активности под электродами, когда врачи видят, как возникает речь, могут собрать матрицу и расчет значимости для каждого канала ЭЭГ. Затем врачи и физиологи могут сравнить матрицы по разным отчетам, отличия отчетов для речевого и неречевого интервала, изучают, нашли ли они важные, в том числе речевые функции.

Он пояснил, что подготовка и сбор системы пассивного картирования в операционной занимает около пяти минут, а сама система позволяет собрать данные 30-40 периодов, каждый из которых длится от 5 до 10 секунд, далее начинается интерпретация результатов, продолжающаяся около минуты, а всего работа комплекса занимает около 10 минут.

Также на симпозиуме были представлены доклады Михаила Синкина «Физиологические основы бесстимуляционного функционального ЭкоГ картирования коры головного мозга» и Юлии Некрасовой (НИУ ВШЭ) «Результаты сравнения стимуляционного и бесстимуляционного картирования».