О методе

Рис. 1. Навигационная ТМС (из Ruohonen, Karhu, 2010). Индивидуальные МРТ изображения соотносятся с реальной головой пациента, для визуализации электромагнитного поля на поверхности мозга. Для этого, сенсорная навигационная система (1) локализует койл, навигационные очки и перо по специальным меткам, расставленным на них (2). Выявленные метки соотносятся с МРТ изображением пациента (3). Таким образом, на поверхности головного мозга локализуется электромагнитное поле и его интенсивность (4).

С развитием медицины и накоплением данных о строении и функции центральной нервной системы появилась необходимость прижизненного изучения не только строения, но и локализации функций в центральной нервной системе. В середине XX века в работах Пенфилда для решения этой задачи проводили хирургические операции с последующей стимуляцией отдельных областей мозга электрическим током (Penfield, Jasper, 1954).

В России в 40х годах XX века пионерские работы по лечебно-диагностической электрической стимуляции мозга выполнялись под руководством Н.П. Бехтеревой. В этих и других исследованиях использовались контактные лечебные воздействия на человека через интрацеребральные электроды с использованием стереотаксического метода введения (Бехтерева и соавт., 1963; Кандель, 1965). Можно сказать, что эти работы послужили основой для создания современных устройств глубокой стимуляции мозга (DBS), с успехом использующихся сегодня во всем мире.

В 1980 году в Кембридже был разработан метод транскраниальной электростимуляции (ТЭС) коры головного мозга с помощью высоковольтного анодного стимулятора. Авторы продемонстрировали возможность регистрации вызванных моторных ответов (ВМО) и времени центрального моторного проведения (ВЦМП). Сотрудниками Институт мозга РАН модификация этого метода – транскраниальная микрополяризация (воздействие слабым постоянным током) – активно использовалась и продолжает применяться в схемах лечения нервных и психических заболеваний взрослых и детей (Бехтерева, 2008; Чутко и соавт., 2007). Однако, методы электрической стимуляции не получили широкого практического распространения, поскольку имели ряд недостатков: болезненность при выполнении манипуляций, возможность развития кожных ожогов.

В связи с этим ученые начали поиск новых методов для стимуляции коры головного мозга и обратили внимание на работы Фарадея выполненные в 1831 году, в которых он продемонстрировал, что переменное магнитное поле может вызывать электрический ток в близлежащем проводнике. В 1965 году R.Bickford и B.Fremming впервые смогли произвести стимуляцию лицевого нерва синусоидальным магнитным полем. Зарегистрировать моторные ответы с мышц при стимуляции магнитным полем периферических нервов удалось впервые в 1982 году M.J.R.Polson. В 1985 году группа ученых Шеффилдского университета во главе с A.Barker создала первый коммерческий магнитный стимулятор, способный возбуждать моторную кору человека. Так родилась транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС).

Суть метода заключалась в том, что ток, протекающий через катушку из проволоки, производит магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока в катушке. Если проводящая среда, какой является мозг, попадает в магнитное поле, то в этой среде индуцируется электрический ток. Направление индуцированного тока будет параллельным, но противоположно направленным по отношению к току в первичной катушке, источнику магнитного поля.

Деполяризация мембраны приводит к появлению потенциала действия и дальнейшему его распространению по существующим физиологическим законам. В связи с тем, что аксоны нейронов имеют значительную плотность ионных каналов, они в первую очередь активируются при магнитной стимуляции. После появления электрического тока в аксоне возбуждение начинает распространяться антеградно, достигая пресинаптической терминали аксона. В этой точке возбуждение передается с пресинаптической на постсинаптическую пластинку за счёт нейромедиатров.

Применение ТМС подразумевает «безэлектродную» электрическую стимуляцию, при которой переменное магнитное поле действует как передаточное звено между катушкой и индуцированными электрическими токами в мозге. Таким образом, ТМС – метод, основанный на стимуляции нейронов головного мозга переменным магнитным полем и регистрации ответов на стимуляцию с помощью электромиографии. Более подробно о физических и физиологических основах методики, генерации потенциала действия можно найти в специализированной литературе (Никитин С.С., Куренков А.Л., 2003 и др.).

Преимуществами метода ТМС по сравнению с использованием транскраниальной электрической стимуляции мозга и электрической стимуляции периферических нервов является способность без изменений проникать через любые анатомические структуры и, соответственно, возбуждать ткани, прикрытые костными и мышечными образованиями. Падение напряженности индуцированного электрического поля при магнитной стимуляции существенно меньше, возможна неинвазивная стимуляция двигательных мотонейронов коры головного мозга в комфортных для больного условиях.

Болевые ощущения при магнитной стимуляции отсутствуют, так как интенсивность индуцированного электрического поля недостаточна для возбуждения болевых рецепторов кожи, в связи с этим открываются широкие возможности для использования метода, особенно в педиатрии. Магнитная стимуляция не требует предварительной обработки кожных покровов и снятия одежды, а возможность стимуляции с некоторого расстояния позволяет использовать метод при наличии у исследуемых открытых ран, повязок, инфекционных процессов. Возможность свободно перемещать стимулирующую катушку над поверхностью тела крайне удобна для быстрого определения оптимальной точки стимуляции.

Созданы стимуляторы, позволяющих генерировать не только одиночные стимулы, но и двойные, и серии импульсов. В настоящее время магнитные стимуляторы могут достигать частоты подачи импульсов до 100 Гц с межстимульным интервалом менее 1 мсек. Основное свойство магнитного поля, генерируемого катушкой (койлом), в том, что оно одинаково на всей площади своего действия и соответственно может вызывать электрический потенциал в любой точке. Таким образом, именно данную методику предпочтительнее использовать для предоперационного картирования (Ruohonen, Ilmoniemi, 2005). Электромагнитное поле может быть точно рассчитано только при известных характеристиках: размере, форме и конструкции койла, размере и формы головы, электрических характеристиках стимулятора и ориентации койла по отношению к голове пациента (Ruohonen, Ilmoniemi, 1999, 2005).

Day et al. (1989) было выявлено, что при приложении низкого напряжения к нейронам мозга возбуждение генерируется вдоль, а не поперек аксона. Из этого следует, что наиболее эффективная стимуляция, это стимуляция, направленная по естественному току нервных импульсов от дендритов к аксонам. При использовании ТМС, получены аналогичные данные, о том, что порог возбуждения напрямую зависит от ориентации магнитного поля (Brasil-Neto et al., 1992).

Оптимальный ответ отмечается при ориентации 45° медиальнее передне-задней плоскости. На плоскости койл располагается тангенциально к скальпу, соответственно магнитное поле также располагается тангенциально. На вершине прецентральной извилины электромагнитное поле располагается в горизонтальной плоскости по отношению корковым колонкам. Day et al. предположили, что ТМС должна действовать касательно по отношению к нервным элементам (Day et al., 1989). Эта гипотеза базируется на предположении, что индукция электрического тока более сильная в проксимальных отделах нейрона.

ТМС может с успехом применяться при стимуляции как поверхностных образований (кора большого мозга, мозжечок, спинной мозг), так и (при использовании специальных Н-койлов) для глубокой стимуляции мозга (гиппокампа, миндалин, стриатума, таламуса, ствола мозга) (Huerta, Volpe, 2009). Последние исследования показывают, что ТМС помимо влияния на электрофизиологию нейронов, вызывая возбуждение и торможение (Hallett, 2007; Pascual-Leone et al., 2002; Wagner et al., 2007), по-видимому, затрагивает и некоторые процессы, напрямую не связанные действием возникающего под койлом электрического напряжения (влияние на мозговой кровоток, облегчение спрутинга, нейрогенез) (Valero-Cabre et al., 2005; Allen et al., 2007). Назовем такие процессы – «не электрическими». Данный вопрос будет подробнее рассмотрен в разделе о терапевтическом применениеи ТМС.

В настоящее время рутинная ТМС рассматривается в качестве инструмента для изучения состояния кортико-спинального тракта (его созревания и изменения при различных патологических состояниях), возбудимости корковых нейронов, локализации функций (как моторных, так и не моторных), взаимодействия различных участков мозга, исследования патофизиологических механизмов психоневрологических расстройств (Pascual-Leone et al., 2002; Wagner et al., 2007; Никитин, Куренков, 2003). Одним из перспективнейших направлений в применении ТМС является картирование различных корковых представительств, что чрезвычайно важно для понимания функциональной организации мозга человека и механизмов управления им, а также для разработки новых подходов к реабилитации. Предъявление фокального магнитного импульса позволяет с достаточной точностью определить границы локализации разных мозговых функций, включая корковое представительство скелетных мышц, речевых центров, зрительного анализатора, а также различных видов памяти, когнитивных функций и др. Адекватность ТМС-картирования подтверждена данными параллельного исследования методами функциональной МРТ (Lotze et al., 2003, Neuvonen et al., 2009). Изменение карт функциональной локализации моторных представительств показано при цереброваскулярных, дегенеративных и других заболеваниях нервной системы (Thickbroom et al., 1999). Т.о. применение ТМС открывает новые возможности в изучении процессов нейропластичности, лежащих в основе нейрореабилитации.

Основной проблемой при картировании моторных зон методом классической ТМС является невозможность точного соотношения точки стимуляции с анатомическими образованиями ЦНС. Размер, форма головы и головного мозга, локализация анатомических структур, расстояние между стимулирующим койлом и нейронами чрезвычайно индивидуальны для каждого пациента. Анатомические измерения мозга in vivo показывают, что передне-задние вариации в локализации центральной борозды, согласно системе координат Talairach, составляют 1,5-2,0 см (Steinmetz et al., 1990) и данные вариации, по-видимому, могут быть значительно больше по отношению к внешним ориентирам черепа. Вариация расположения зоны Брока может доходить до 1,5 см по системе координат Talairach (Keller et al., 2007).

Эти данные свидетельствуют, что индивидуальная макроанатомия головного мозга не может быть адекватно определена с использованием только пропорциональных координатных сеток и других ориентиров (Cykowski et al., 2008). Выявление индивидуального расположения борозд и извилин становится ещё более необходимым в условиях патологии (опухоли, последствия НМК), когда анатомия претерпевает значительные изменения. Кроме этого, необходимое в клинической практике динамическое обследование пациентов требует от данного метода высокой воспроизводимости. При использовании рутинной ТМС практически невозможно повторить оптимальную локализацию стимулирующего койла при вызывании моторного ответа, что приводит к невозможности объективной интерпретации получаемых параметров. Не менее важна информация о «дозе» магнитной стимуляции.

Большинство из этих проблем в значительной степени может решить использование приборов нового поколения - систем навигационной стимуляции мозга, которые учитывают его индивидуальную анатомию и позволяют наносить стимул целенаправленно и локально, c опорой на МРТ конкретного пациента.

Одной из таких систем является система навигационной транскраниальной магнитной стимуляции мозга (нТМС) – NBS eXimia Nexstim (Nexstim Ltd., Хельсинки, Финляндия).

В состав данной системы входят:

• классический транскраниальный магнитный стимулятор;
• электромиограф для регистрации вызванных моторных ответов на магнитный стимул;
• 60-ти канальный электроэнцефалограф для регистрации вызванных потенциалов в ответ на магнитный стимул;
• навигационная система для локализации магнитного поля на МРТ пациента.

Целью данного обзора является освещение терапевтических и диагностических возможностей системы NBS eXimia Nexsim. Как отмечалось выше, клиническое применение ТМС требует от данного метода высокой точности и воспроизводимости. В дополнение заметим, что для клинического применения информация о «дозе» магнитной стимуляции не менее важна чем информация о точке приложении стимула. В настоящее время применяется методика выявления порога моторного ответа (ПМО) – наименьшей силы стимула, способной вызвать возбуждение нейронов и соответствующее сокращение мышц (Ruohonen, Karhu, 2010). Однако, у классической ТМС имеется несколько серьёзных ограничений: трудно удержать и повторить оптимальную локализацию стимулирующего койла, что приводит к изменению ПМО, даже соседних точек. Методологические и технические факторы могут в значительной степени изменять результаты обследования. Большинство из этих проблем в значительной степени может решить использование систем навигационной стимуляции для выявления индивидуальной анатомии мозга (Рис 1).

Алгоритм работы навигационных систем для неинвазивной стимуляции включает:

1) проведение МРТ пациента в режиме Т1 MPR;

2) построение 3D индивидуальной модели головного мозга пациента (NBS eXimia Nexstim);

3) соотнесение анатомических образований с ориентирами на МРТ;

4) проведение транскраниальной магнитной стимуляции с привязкой электрического поля конкретным МРТ-образованиям мозга пациента;

5) регистрация вызванных моторных ответов (ВМО) (электромиография) и определение их порога,

6) регистрация вызванных потенциалов на магнитный стимул (60-ти канальная ЭЭГ).

Таким образом, навигационная ТМС с привязкой к анатомическим структурам позволяет:

• определять локализацию корковых представительств моторных функций и их индивидуальную изменчивость;
• выявлять нормальные значения вызванного моторного ответа и его вариации;
• определять силу стимуляции (порог моторного ответа), необходимую и достаточную, для возбуждения группы нейронов на заданной глубине в норме и патологии;
• Изучать меж- и внутриполушарные связи.

Основная концепция в навигации – создание структурно-функциональных карт мозга с помощью МРТ, подобно GPS-навигатору (рис. 2). Метафорически, можно сказать, что, как каждая страна имеет свою географию, так и у каждого человека есть свой индивидуальный рельеф мозга, со своими уникальными формами, структурами и корковыми представительствами (рис. 2).

А

Б

Рис. 2. Локализация моторного представительства мышц руки (А) и вызванный моторный ответ в одной из точек (Б) у здорового добровольца, 23 года (собственное наблюдение) (активный электрод на m. abductor pollicis brevis). Амплитуда ВМО – 583 мВ, Латентность 20,3 мс, порог ВМО 50%.