электроды в головной мозг

Невролог вживил себе в мозг электроды в целях создания голосового нейроинтерфейса для парализованных людей

Филипп Кеннеди был первым неврологом, который вживил электроды в мозг парализованного человека и дал ему возможность двигать курсор по экрану компьютера и набирать тексты. Кеннеди изучал возможности мозга, имплантировал электроды приматам, но в итоге Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) лишило его финансирования и запретило эксперименты над людьми.

Чтобы убедить власти продолжить исследования, 68-летний невролог и изобретатель заплатил 25 тысяч долларов хирургу в Центральной Америке за вживление ему электродов в мозг для установки соединения между моторной корой и компьютером.

Доктор Филипп Кеннеди

В конце 1980-х и начале 1990-х Филипп Кеннеди с группой учёных начал работу над созданием нейро-компьютерного интерфейса. Он использовал электроды, чтобы имплантировать их в кору головного мозга обезьян. В 1998 году он провёл эксперимент на людях: он имплантировал человеко-компьютерный интерфейс в пациента Джонни Рэя, потерявшего подвижность после инсульта. Рэй научился двигать курсором и таким образом общаться, с имплантантами он прожил четыре года. Кеннеди иногда называют «отцом киборгов».

Последней целью Кеннеди было создание голосового декодера — программного обеспечения, которое может переводить сигналы мозга, проходящие при мысленном представлении речи, в речь. FDA прекратило финансирование его экспериментов в клинике Neural Signals и запретило проводить исследования на людях из-за потенциальной опасности операций.

Чтобы убедить власти в необходимости продолжения исследований, Кеннеди отправился к хирургу в Центральную Америку. Там ему имплантировали электроды в моторную кору мозга. «Это исследование длилось 29 лет и зашло настолько далеко, что я лучше умру, чем не продолжу его», — рассказывал врач.

После операции Кеннеди снял данные во время громкого повторения 29 звуков. Позже он представлял эти звуки, но не произносил их. Так он определил соответствие работы мозга как во время произношения, так и во время представления произношения. Эксперимент открывает новые возможности для общения парализованных людей, и Кеннеди надеется, что FDA возобновит финансирование.

Мозг Кеннеди во время операции

В 1980-х Филипп Кеннеди запатентовал инновационный тип электродов, состоящий из пары золотых проводов в стеклянном конусе. Это устройство позволяло нейронам «врастать» в него. До 1996 года его команда экспериментировала на животных, а в 1996 FDA разрешила имплантировать электроды в мозг пациента с синдромом «запертого человека». Первым добровольцем была мать двоих детей по имени Марджери с боковым амиотрофическим склерозом. Она смогла с помощью мысли включать и выключать выключатель. Заболевание Марджери прогрессировало быстро, всего через 76 дней она умерла.

Вторым пациентом-человеком стал Джонни Рэй, 53-летний ветеран Вьетнамской войны. Он очнулся после комы, но не смог двигать ничем, кроме зрачков. Человеко-компьютерный интерфейс помог Рэю двигать курсором — так можно выбирать буквы из меню на виртуальной клавиатуре, имея хоть какую-то возможность сказать что-то окружающим. Пациент прожил четыре года после операции.

В 2004 году Кеннеди вживил электроды Эрику Рэмси. После автокатастрофы, которая случилась с Рэмси после его шестнадцатилетия, он имел синдром «запертого человека». Программное обеспечение, созданное командой Кеннеди, понимало несколько звуков, которые представлял пациент, что позволяло ему «произносить» несколько простых слов.

FDA после этого отменило разрешение на использование устройств в живых пациентах. Администрация задавала вопросы на тему безопасности этих операций, в том числе на тему фактора роста — соединений, которые побуждали нейроны «врастать» в электроды. Филипп Кеннеди не смог предоставить нужные Администрации данные. Исследователь не смог смириться с этим решением FDA.

«Запертые» люди не могут общаться, иногда они способны только двигать зрачками и моргать, а иногда — проговаривать что-то невнятное, и эти факторы добавляют лишнюю переменную в эксперимент. Кеннеди был нужен доброволец, который может говорить, чтобы исследовать работу нейронов в его речи.

В течение года врач искал человека с боковым амиотрофическим склерозом, который бы согласился на очередную рискованную операцию. «Я не мог никого найти. Я долго размышлял и в конце концов решил провести эксперимент на себе», — рассказывает Кеннеди. И в июне 2014 года он оказался в городском госпитале Белиза, в главном городе одноимённого государства в Центральной Америке. К этому путешествию он подготовил электроды, которые нейрохирург вживил в его моторную кору, выбрал точки для контакта, отложил достаточно денег для проживания в этом городе в течение нескольких месяцев, если операция пройдёт не по плану.

После первой операции Кеннеди потерял речь — он не мог ответить ничего хирургам, которые задавали ему вопросы. Врачи позже объяснили, что из-за кровяного давления во время двенадцатичасовой операции мозг набух, что првело к временному параличу. «Мне не было страшно. Я знал, что происходит. Ведь я продумал операцию», — комментирует учёный. Вторая операция продлилась десять часов, электроды были имплантированы в его мозг.

Некоторые исследователи считают подобные эксперименты неэтичными или неразумными. Но были случаи, когда подобное самопожертвование в целях науки себя оправдывало. В 1984 году Барри Маршалл выпил культуру бактерии Helicobacter pylori, чтобы доказать, что она вызывает язву и рак желудка. Его предположение об этом было вызвано насмешками в научном сообществе. С помощью эксперимента, в результате которого у Маршалла развились желудочный дискомфорт, тошнота, рвота и специфический запах изо рта, он доказал свою теорию и получил в 2005 году Нобелевскую премию.

После возвращения в штат Джорджия Кеннеди начал снимать данные с мозга в своей речевой лаборатории, он снимал данные с нейронов во время произношения звуков и во время мысленного их повторения. Затем он проделал то же самое, произнося 290 коротких слов и фраз, включая «Hello, World». Результаты экспериментов врач назвал обнадёживающими. Он обнаружил, что разные комбинации 65 нейронов работали одинаково во время произношения слов и их мысленного повторения — а это ключ к разработке речевого преобразователя.

Кеннеди надеялся прожить с имплантами несколько лет, но ему пришлось после нескольких недель сбора данных обратиться в местный госпиталь в Джорджии и перенести ещё одну операцию — на этот раз по удалению электродов. Счёт составил 94 тысячи долларов, из них 15 тысяч оплатила страховая компания.

Источник

Электроды в головной мозг

Хроническая глубокая стимуляция мозга (ХГСМ) стала методом выбора в хирургии двигательных расстройств, заняв место таких процедур, как таламотомия и паллидотомия, которые широко используются для лечения пациентов с болезнью Паркинсона (БП), тремором или дистонией. По сравнению с абляционной хирургией, ХГСМ предлагает неповреждающую модуляцию базальных ганглиев; ее последствия являются принципиально обратимыми кроме того, ее можно адаптировать в зависимости от течения заболевания и индивидуальных потребностей пациента.

Основное преимущество, однако, в том, что двусторонняя операция может быть выполнена в один оперативный прием без повышенного риска побочных эффектов. Возрождается интерес к хирургическому лечению БП, а также интерес к функциональной стереотаксической хирургии для других двигательных расстройств, таких как дистония. В крупных рандомизированных исследованиях ХГСМ было показано, что она обеспечивает существенную выгоду при БП и треморе, а также при дистонии.

Механизмы хронической глубокой стимуляции мозга (ХГСМ) являются предметом интенсивных исследований, и они все еще полностью не изучены. Судя по данным анализа записей микроэлектродов и локальных потенциалов от базальных ганглиев. Хроническая глубокая стимуляция мозга (ХГСМ), вероятно, инактивирует патологические импульсы от базальных ганглиев.

В будущем хроническая глубокая стимуляция мозга (ХГСМ) может быть использована в сочетании с другими новыми методами лечения, технологиями, и перспективными направлениями, такими как вирусные векторы, генная терапия, терапия стволовыми клетками и введение нейротрофических факторов.

В настоящее время хроническая глубокая стимуляция мозга (ХГСМ) утвердилась в качестве мощной нейрохирургической процедуры для лечения различных двигательных расстройств. Помимо основных показаний для ХГСМ, улучшение было также доказано для таких редких заболеваний как гемихорея/гемибаллизм, синдрома Мейгса и нейродегенерации, связанной с пантотенаткиназой (PKAN). Этот раздел дает краткий обзор принципов хирургии ХГСМ и основных показаний и клинических результатов ХГСМ для двигательных расстройств.

а) Принципы хирургии хронической глубокой стимуляции мозга (ХГСМ) двигательных расстройств:

1. Анатомия и цели. Общие цели при БП, треморе и дистонии показаны на рисунке и таблице ниже.

Другие цели — педункулопонтинные ядра и интраламинарные ядра таламуса. Самой выгодной мишенью для лечения тремора является вентроинтермедиальное ядро таламуса или задние вентролатеральные ядра. Дорсолатеральная часть субталамического ядра и заднебоковые сегменты бледного шара являются общими анатомическими целями ХГСМ при лечении болезни Паркинсона (БП). Заднебоковые сегменты бледного шара были установлены также в качестве целевого выбора при тяжелой дистонии. Для лечения вторичной дистонии при ХГСМ было предложено воздействие на таламус.

Общие анатомические цели для глубокой стимуляции мозга. Анатомические цели для глубокой стимуляции мозга при лечении двигательных расстройств.

2. Оборудование. Система ХГСМ состоит из трех основных компонентов:
1. Имплантируемый генератор импульсов (ИГИ).
2. Удлинительный кабель подключения электродов и ХГСМ ИГИ.
3. Четырехполюсные (четыре контакта) ХГСМ-электроды (две модели с различными зазорами между контактами: 3387, 1,5-мм интервалы и 3389 0,5-мм интревалы; Medtronic)
На протяжении многих лет два разных ИГИ были доступны для ХГСМ: одноканальные системы (например, Soletra, Medtronic) или двухканальные системы (например, Kinetra, Medtronic,).

С 2009 г. в комплект входят также перезаряжаемые аккумуляторные батареи ИГИ. Два электрода могут быть подключены к двухканальному ИГИ. Устройство для внешнего программирования используется для изменения регулируемых переменных, в том числе выбора стимулирующих контактов, длительности импульса, амплитуды и частоты. ИГИ можно выключить или изменить его параметры в заданных пределах с помощью ручного программатора.

3. Оперативная техника. Стереотаксическая хирургия позволяет достичь определенной целевой области в любой точке мозга с трехмерной точностью наведения системы координат. Стереотаксическая система состоит из прямоугольной или круглой рамы, которая крепится к голове пациента с помощью штифтов под местной анестезией. Каждое место в мозге может быть определено в прямоугольной системе координат (X/Y/Z) или в полярной системе координат относительно рамки. Для расчета целевых координат, выполняют стереотаксическое КТ и/или стереотаксическое МРТ сканирование.

Цель может быть идентифицирована прямой визуализацией при помощи МРТ или «косвенно» с учетом ее пространственного расположения относительно границ третьего желудочка. Линия передней комиссуры-задней спайки (АС-РС линия) имеет разную длину у каждого пациента (24-28 мм), и среднекомиссуральная точка выступает центром ориентации в базальных ядрах. На основе стереотаксического атласа (например, атлас Schaltenbrand-Wahren), координаты АС-РС могут быть преобразованы для получения соответствующих координат рамки. Наклон АС-РС линии по отношению к стереотаксической раме может возникать во всех трех плоскостях. Такие отклонения должны быть исправлены при помощи специальных алгоритмов выравнивания. Обычно координаты цели следующие:
— Вентроинтермедиальное ядро таламуса: 11-15 мм сбоку и 0 мм ниже интеркомиссуральной линии, и 4 мм для задней среднекомиссуральной точки.
— Субталамическое ядро: 12 мм сбоку и 4 мм ниже интеркомиссуральной линии, 3-4 мм позади среднекомиссуральной точки.
— Бледный шар: 20-22 мм сбоку и 4 мм ниже интеркомиссуральной линии, 2-3 мм до передней среднекомиссуральной точки.

Как правило, операция проводится под местной анестезией, чтобы пользоваться контактом с пациентом, в частности, для тестирования порогов эффективности подавления симптомов и побочных эффектов от макростимуляции. При тяжелой дистонии или у детей оперируют под общим наркозом. Для дальнейшего уточнения цели используются несколько нейрофизиологических методов. Самым простым является запись с микроэлектрода. После имплантации электродов ХГСМ макростимуляция осуществляется через различные контакты.

Для тестирования клинической эффективности или для записи местных потенциалов электрод может располагаться снаружи. При второй процедуре он подключается через удлинитель к ИГИ, размещаемому подкожно в подключичной области под общей анестезией. Риск операции сравнительно невелик. В недавнем исследовании (n=319) зафиксированы серьезные осложнения, включая судороги у четырех пациентов (1,2%), внутримозговые кровоизлияния у двух пациентов (0,6%), внутрижелудочковое кровоизлияние у двух пациентов (0,6%) и субдуральную гематому у одного пациента (0,3%).

4. Неполадки оборудования. Технические проблемы, связанные с оборудованием, могут включать дислокацию электродов из-за недостаточной фиксации на фрезевом отверстии, кабельные разъединения (кабель-удлинитель) и инфекции системы (кабеля или ИГИ). Общий уровень инфекции описывается в диапазоне от 2 до 10%. В серии из 119 пациентов в 15% случаев было 23 аппаратных осложнения, которые включали восемь поломок электродов, четыре миграции электрода, две миграции стимулятора, три эрозии, две эрозии и инфекции, два случая инфекции и два случая неисправности ИГИ. Большинство из этих осложнений произошло в первые четыре года после операции. В случае инфекции в первую очередь следует назначать антибиотики; если это не удается, всю систему иногда приходится удалять.

Полный разряд батареи в ИГИ требует дополнительной операции. Время до разряда батареи отличается в зависимости от выбранных параметров стимуляции (амплитуды, длительности импульса и выбора контактов). Необходимость смены ИГИ батареи чаще у пациентов с дистонией (1-3 года) в связи с более высокой энергией стимуляции, чем при болезни Паркинсона (БП) или у пациентов с тремором (3-6 лет).

в) Отбор пациентов для глубокой стимуляции мозга. Для рассмотрения возможности ХГСМ необходимо соответствующее диагностическое исследование и медикаментозное лечение. Заметьте, что ХГСМ является комплесным подходом, включающим междисциплинарный отбор и наблюдение за пациентами. Противопоказаниями являются слабоумие, психопатологические изменения и тяжелая депрессия. Кроме того, ограничивающим фактором может быть преклонный возраст.

1. Хроническая глубокая стимуляция мозга при треморе. Тремор определяется как непроизвольные ритмические колебания одной или нескольких частей тела. Типы тремора классифицируются по режиму активации (отдых, действия или кинестезии), частоте, наследственности и сопутствующей симптоматике, которая может прояснить этиологию тремора (симптомы других нарушений движения, полинейропатии и др.). Распространенность тремора составляет до 400/100000 в нормальной популяции и до 4,8% у пациентов старше 65 лет.

Тремор может быть не просто помехой, но привести к инвалидности и к серьезным социальным осложнениям. Консервативное лечение тремора включает в себя применение пропранолола, примидона или топирамата. Медикаментозная терапия первой линии для лечения тремора при болезни Паркинсона во многих случаях не дает существенного улучшения. Фармакологическая терапия, с другой стороны, часто неэффективна при треморе. Это должно быть учтено, однако атаксия, сопровождающаяся тремором, плохо контролируется ГСМ. Было отмечено, что у пациентов с БП дополнительные симптомы, такие как постуральная нестабильность, акинезия или ригидность, которые могут возникнуть при развитии болезни, не зависят от ГСМ таламуса.

Таким образом, вряд ли таламус является целью при ХГСМ у молодого пациента с тремором. ГСМ субталамического ядра подавляет тремор в одинаковой степени при БП. ГСМ таламуса можно использовать, но вероятно, только у пожилых пациентов с БП, страдающих моносимптомным тремором в течение многих лет.

2. Хроническая глубокая стимуляция мозга при болезни Паркинсона (БП). БП—результат дегенерации нескольких конкретных областей, и, в частности, дисфункции нигростриарных путей в связи с потерей дофаминергических нейронов в черной субстанции. Основные двигательные симптомы — акинезия, ригидность, тремор и постуральная неустойчивость — сопровождаются сенсорным, вегетативным, психологическим и когнитивным дефицитом. Распространенность среди населения в возрасте старше 55 лет была оценена как 1,5-2,0%. ХГСМ—вариант лечения для пациентов с болезнью Паркинсона.

Лучший кандидат для хирургического лечения — пациент, хорошо реагирующий на дофаминергическую терапию, но имеющий двигательные осложнения, которые развиваются через 5-7 лет дофаминергической терапии. Снижается выраженность тяжелых флюктуаций и дискинезии, также улучшаются основные двигательные симптомы БП (тремор, ригидность, акинезия, и постуральная неустойчивость).

После стимуляции доза дофаминергических препаратов может быть уменьшена. Депрессия или тревожность могут также зависеть от ХГСМ. Должны быть учтены возраст пациента и стадия заболевания. В целом возраст не должен превышать 70 лет, а стадия заболевания не должна быть терминальной. Степень послеоперационного улучшения может быть предсказана предоперационным ответом на прием леводопы, что имеет первостепенное значение для выявления пациентов с другими паркинсонизмами, такими как множественная системная атрофия, прогрессивный супрануклеарный паралич и кортикобазальноядерная дегенерация.

В этих случаях результаты от ХГСМ обычно отсутствуют. У пациентов с моносимптомным тремором при БП ХГСМ таламуса может быть альтернативой в пожилом возрасте, так как в меньшей степени вызывает психосоциальные или когнитивные проблемы.

3. Хроническая глубокая стимуляция мозга при дистонии. Дистония характеризуется устойчивым сокращением мышц, часто вызывая скручивание и повторяющиеся движения или ненормальные позы. Дистонию можно классифицировать по трем различным направлениям: возраст начала заболевания, анатомическое распределение (очаговая, сегментарная, общая, гемидистония) и этиологии (первичная или вторичная). Спастическая кривошея или цервикальная дистония (ЦД) является наиболее распространенной формой координационной дистонии. ЦД встречается у 0,39% жителей США.

Фокусная дистония может успешно лечиться инъекциями ботулинического токсина. При гемидистонии, сегментарной или общей дистонии, часто необходим хирургический подход в связи с распространенным вовлечением нескольких групп мышц. В то же время пациенты с первичной (генетической или спорадической) генерализованной и сегментарной дистонией и пациенты со сложными ЦД считаются лучшими кандидатами для паллидумальной ХГСМ. В целом, пациенты с первичными дистониями, по всей видимости, хорошо реагируют на лечение, а пациенты с вторичными дистониями отвечают на лечение хуже.

Оборудование для глубокой стимуляции мозга. Четырехполюсные электроды и имплантированный генератор импульсов (ИГИ) соединены кабелями. А-Г. Стереотаксические рамки. CRW рамка (А), рама Leksell (Б), рама Riechert-Mundiger (В), рама Riechert-Mundiger с аркой Zamorano-Dujovny (Г). Программер для включения, выключения либо смены частоты ИГИ. Стереотаксическая рамка (рама Riechert-Mundiger), установленная на голове пациента и полученные стереотаксические изображения (верхний ряд).
Идентификация передней и задней комиссур на КТ с одновременным улучшением визуализации в аксиальной, сагиттальной и коронарной проекциях (нижний ряд). Возможен наклон линии АС-3С относительно стереотаксической рамки во всех трех плоскостях.
Эти отклонения должны быть скорректированы с использованием специальных измерительных алгоритмов.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Источник

«Живые электроды» – безопасный посредник между мозгом и компьютером

Для помощи людям с патологиями головного мозга уже сейчас довольно активно используются так называемые нейроинтерфейсы – системы для обмена информацией между мозгом и электронным устройством. Ими являются, к примеру, интерфейс «мозг–компьютер», позволяющий парализованному человеку управлять «силой мысли» бионическими протезами, и глубокая стимуляция мозга для лечения болезни Паркинсона и эпилепсии. Однако практически все подобные технологии требуют вживления в мозг электродов или электронных чипов. Одна из серьезных проблем такого вторжения – воспалительная реакция тканей, в результате которой прохождение электрического сигнала очень затрудняется. До сих пор ученым не удавалось создать материал для электродов, на который ткани мозга никак бы не реагировали.

Новая разработка исследователей из Пенсильванского университета (США) – «живые электроды» (официальное название micro-TENN – microtissue engineered neural networks). Эта конструкция содержит как небиологические компоненты (электронное устройство для управления активностью тех или иных участков мозга), так и живые нервные клетки (нейроны).

Неорганическая часть нейроинтерфейса с тканью мозга не соприкасается. В мозг же имплантируют нейроны вместе с их аксонами – длинными отростками, которые в организме играют роль «проводов», проводящих нервный импульс. Эти нейроны выращивают внутри микротрубочек толщиной с человеческий волос, заполненных гидрогелем специального состава. Так как в длину аксоны могут достигать нескольких сантиметров, этого достаточно, чтобы получить доступ к глубоко расположенным участкам мозга.

В мозг имплантируется вся «живая» конструкция целиком, но в течение нескольких недель после операции гидрогель, а также внешняя оболочка микротрубочек из карбоксиметилцеллюлозы полностью растворяются. При этом взаимодействие трансплантата с тканью мозга начинается сразу же после операции, так как один конец микротрубки открыт. Аксоны постепенно приживаются и образуют синаптические контакты с нейронами мозга, служащие для передачи нервного импульса, причем их можно «запрограммировать» на формирование синапсов со строго конкретными типами нейронов. Один аксон может сформировать множество синапсов, поэтому относительно небольшое количество вживленных аксонов может дать довольно существенный результат.

Использование живых нейронов решит проблему биосовместимости, если для этого использовать нервные клетки, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток самого пациента. Важно, что «живые электроды» можно сделать из разных типов нейронов. Используя возбуждающие (например, глутаматергические) нейроны, можно усилить работу определенных зон мозга; тормозные ГАМКергические нейроны помогут, к примеру, притормозить излишнюю активность очага эпилепсии, а дофаминергические – бороться с болезнью Паркинсона. Это еще один большой плюс «живых электродов» – специфичность воздействия.

На сегодня ученые показали, что в мозге лабораторных крыс «живые электроды» хорошо приживаются и интегрируются в ткани, где выполняют нужные функции. Применение этой технологии на человеке, скорее всего, начнется с процедур глубокой стимуляции мозга, однако, по мнению исследователей, ее потенциал выходит далеко за эти рамки.

Источник