Новая модель показывает, как глубокая стимуляция мозга лечит симптомы болезни Паркинсона
Люди с болезнью Паркинсона и их врачи сталкиваются со многими неизвестными, включая ответ на вопрос, как именно глубокая стимуляция мозга (DBS) облегчает некоторые двигательные симптомы, которые испытывают пациенты. В новом исследовании ученые из Бостонского университета и Института обучения и памяти Пиковера при Массачусетском технологическом институте представили подробную модель, объясняющую динамику схемы, которая, в случае экспериментального подтверждения, может еще больше улучшить терапию.
О болезни Паркинсона известно, что дефицит нейромодулятора дофамина связан с аномально высокими бета-частотными ритмами (мозговые волны с частотой около 20 Гц). DBS, включающая высокочастотную электрическую стимуляцию области под названием субталамическое ядро (STN), очевидно, подавляет эти повышенные бета-ритмы, восстанавливая более здоровый баланс с другими частотами ритмов и улучшая контроль над движениями.
Новая биофизически обоснованная вычислительная модель, описанная в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, предполагает, что благотворный эффект DBS обусловлен тем, как он прерывает порочный круг, способствующий развитию беглого бета-ритма в контуре между STN и областью под названием стриатум. В 2011 году соавтор исследования Мишель МакКарти, доцент кафедры математики и статистики БУ, использовала математические модели, чтобы показать, как в отсутствие дофамина в стриатуме может возникнуть "бегущая бета" из-за чрезмерного возбуждения клеток стриатума, называемых средними колючими нейронами (MSNs).
Модель, разработанная под руководством постдока Института Пиковера Эли Адама, основывается на результатах, полученных Маккарти. К Адаму и Маккарти присоединились соавторы Эмери Н. Браун, профессор медицинской инженерии и вычислительной нейронауки Эдвард Гуд Таплин из Массачусетского технологического института, и Нэнси Копелл, заслуженный профессор математики и статистики Уильям Фэйрфилд Уоррен из Университета Буша.
Работа квартета предполагает, что в здоровых условиях, при достаточном количестве дофамина, клетки стриатума, называемые быстропиковыми интернейронами (FSIs), могут производить гамма-частотные ритмы (30-100 Гц), которые регулируют бета-активность MSNs. Но без допамина FSI не могут ограничить активность MSN, и бета-ритм становится доминирующим в целой цепи, соединяющей STN с FSIs, MSNs, другими регионами, а затем обратно в STN.
"Гамма FSI важна для того, чтобы держать бета MSN в узде", - говорит Адам. "Когда уровень дофамина снижается, MSN могут производить больше бета, а FSI теряют способность производить гамма для подавления бета, поэтому бета выходит из-под контроля. Затем ФСИ подвергаются бомбардировке бета-активностью и сами становятся проводниками для бета-активности, что приводит к ее усилению"
Когда высокочастотная стимуляция DBS применяется к STN, как показывает модель, это заменяет подавляющий бета-вход, получаемый FSIs, и восстанавливает их возбудимость. Возбужденные и освобожденные от бета-оков, интернейроны возобновляют производство гамма-осцилляций (примерно на половине частоты стимуляции DBS, обычно на 135 Гц), которые затем подавляют бета-активность MSNs. Когда MSNs больше не производят слишком много бета-активности, петля, ведущая обратно к STN и затем к FSIs, больше не доминирует на этой частоте.
"DBS останавливает распространение бета-излучения к FSIs, чтобы оно больше не усиливалось, а затем, дополнительно возбуждая FSIs, восстанавливает способность FSIs производить сильные гамма-осцилляции, которые, в свою очередь, подавляют бета-излучение в его источнике", - говорит Адам.
Модель раскрывает еще один важный аспект. В нормальных условиях различные уровни дофамина помогают формировать гамма-колебания, производимые FSIs. Но ФСИ также получают сигналы от коры головного мозга. При болезни Паркинсона, когда дофамин отсутствует и доминирует бета, FSI теряют свою регуляторную гибкость, но при DBS, когда доминирование бета нарушено, FSI могут модулироваться входом из коры, даже если дофамин по-прежнему отсутствует. Это позволяет им дросселировать гамму, которую они передают в MSNs, и обеспечить гармоничное выражение бета-, гамма- и тета-ритмов.
По словам авторов, предоставляя глубокое физиологическое объяснение того, как работает DBS, исследование также может дать клиницистам подсказки о том, как сделать так, чтобы она работала лучше для пациентов. Главное - найти оптимальные гамма-ритмы FSI, которые могут немного отличаться у разных пациентов. Если это удастся определить, то настройка частоты стимуляции DBS для стимулирования этого гамма-выхода должна обеспечить наилучшие результаты.
Однако прежде чем это можно будет проверить, фундаментальные выводы модели должны быть подтверждены экспериментально. По словам авторов, модель делает предсказания, необходимые для проведения такого тестирования.
