Текст книги "Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе"

Транскраниальная электрическая стимуляция

Физиологам давно известен феномен, когда с помощью импульсного электрического тока можно подавить проведение нервных сигналов через клетки коры головного мозга животных.

Впервые в 1903 году анестезирующий эффект импульсного электрического тока продемонстрировал, в том числе и на себе, французский физиолог Ледюк (S. А. N. Leduc). Он экспериментально выяснил, что наибольший обезболивающий эффект оказывают импульсы прямоугольной формы частотой 100—200Гц.

Тюффье (М. Th. Tuffier) и Гарди (Hardy) в 1907 году впервые произвели операцию на пациенте в состоянии общей электроанестезии (электронаркоза) по методу Ледюка. [27]

В 1936 году в ЦНИИ акушерства и гинекологии в городе Ленинграде группа учёных в составе И. И. Яковлева, В.А.Петрова и при участии А.А.Ухтомского начала проверку возможности применения электронаркоза в акушерстве.

В 1964 году британский психиатр Дж. У. Т. Редферн (J.W.T. Redfearn) обнаружил, что, пропуская слабый электрический ток (50—250 мкА) через электроды, расположенные в определённых точках скальпа, можно добиться различных эффектов. В зависимости от направления тока у добровольцев менялось эмоциональное состояние, они либо становились разговорчивыми и общительными, либо молчаливыми и замкнутыми. Однако другие исследователи не смогли подтвердить его эксперименты.

Интерес исследователей к ТЭС сохранялся до середины 1970-х годов. Однако полвека усилий физиологов из США, Франции, России и других стран не оправдали их надежд – электростимуляция не демонстрировала объективного лечебного эффекта, а электронаркоз больше походил на электрошок и был просто опасен для здоровья.

В начале 80-х годов перед научной группой Санкт-петербургского Института физиологии им. И. П. Павлова РАН под руководством В. П. Лебедева была поставлена задача модифицировать электростимуляторные приборы, которые в то время использовались (не слишком успешно) в отдельных ленинградских больницах при обезболивании родов. Тогда профессор Лебедев впервые ввёл в медицинскую практику термин «транскраниальная электростимуляция» (от латинских слов «trans» – через и «cranium» – череп) [28].

В результате было подтверждено, что действительно электростимуляция влияет на нервную систему. Нужно просто очень точно подобрать параметры тока и правильно расположить электроды на голове пациента. Выяснилось, что электростимуляция действительно может снимать болевой синдром, но только в очень узком диапазоне параметров тока, которые к тому же различны для разных индивидов. Для человека оптимальная «обезболивающая» частота импульсного тока была определена методом подбора – около 77 Гц, при отклонении её хотя бы на 7—10 Гц эффект резко снижался. Обезболивающий эффект возникал лишь тогда, когда электроды были ориентированы ото лба к затылку [28].

Считалось, что ТЭС-терапия способна неинвазивно, строго дозировано активировать структуры мозга, продуцирующие эндогенные опиоидные пептиды (ЭОП) (β -эндорфин).

β-эндорфины это эндогенные белковые молекулы, называемые также опиоидными пептидами, их анестезирующее влияние основано на связывании белковых каналов в мембранах нервных клеток.

В 2000-е этот метод чрезвычайно распространился, но в основном на пространстве СНГ. Помимо обезболивания лечили всё от наркомании и абстинентного синдрома до гипертонии, аллергии, опухолей и ожогов. Реабилитировали после инфарктов, восстанавливали нервные клетки…

Казалось, что ТЭС абсолютно универсальна, и для каждого лечебного эффекта находилось логичное объяснение. А количество диссертаций пропорционально росло. Но если дело, главным образом в вездесущем β-эндорфине, то выходит, что терапевтический эффект можно получить, просто стимулируя его выработку любым доступным способом. Опиоидные пептиды – вырабатываются организмом от положительных эмоций, при получении удовольствия. Повысить уровень β-эндорфина можно не только с помощью электродов, а хорошей музыкой, дружеским общением, прогулкой, наконец, вкусной едой и сексом? Известно, что все эти житейские радости сказываются на здоровье положительно. Ответ на эти вопросы, дала медицина настоящего – ТЭС успешно… забыта!

Транскраниальная магнитная стимуляция

Или не забыта, просто уступила место более продвинутой, я бы сказал – изощрённой терапии.

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС, англ. Transcranial magnetic stimulation, TMS) – метод неинвазивной стимуляции коры головного мозга магнитными импульсами.

Большую часть истории люди наделяли магниты мистическими свойствами. Не в силах понять их природу, врачи пытались применить их в лечебных целях. Например, Гиппократ использовал магнит для остановки кровотечений и в качестве противовоспалительного средства. Парацельс же магнитным минералом лечил диарею и эпилепсию. А в китайской медицине накладывание магнитных пластин на энергетические зоны с большим успехом пользуются и поныне.

Сегодня, магнитотерапия – это целая группа методов альтернативной медицины, подразумевающих применение статического или переменного магнитных полей.

Американские медики считают магнитотерапию псевдонаучной, объяснения терапевтического влияния фантастическими, а клинические доказательства её эффективности недоказанными. В США магнитотерапию официально не признают, впрочем, как и физиотерапию в целом.

В странах СНГ отношение к магнитотерапии, наоборот, традиционно положительное. Ещё во времена СССР проводились организованные исследования последствий воздействия магнитных полей на организм человека. Сейчас метод используют в профилактике и лечении заболеваний, при проведении ранней и отсроченной реабилитации.

Постоянные магниты остаются в арсенале нетрадиционной медицины. А вот переменные и импульсные магнитные поля используется в медицинских учреждениях довольно широко.

Пользователи этой процедуры полагают, что магнитное поле меняет электрический потенциал клеток организма, тем самым стимулируя его к самовосстановлению.

Объяснение лечебного эффекта от стимуляции нервной ткани переменным магнитным полем основывается на поверхностном понимании явления электромагнитной индукции открытого Майклом Фарадеем (Michael Faraday) в 1831 году.

В XIX веке это было простительно. Французский физик и физиолог Жак Арсен д́Арсонваль (D́Arsonval Jacques Arseen, 1851—1940) занимался изучением влияния электромагнитных излучений на организм человека. В 1896 году он впервые в сугубо исследовательских целях подверг голову человека воздействию достаточно мощного магнитного поля, и даже индуцировал тем самым фосфены – зрительные ощущения, возникающие у человека без воздействия света на глаз.

Внедрение магнитной стимуляции в практику психиатрии стартовало в 1902 году, когда A. Pollacsek и B. Beer, два сверстника Фрейда, получили патент на метод лечения депрессий и неврозов с помощью электромагнитного прибора. Терапевтический эффект они объясняли способностью электромагнита оказывать целительное воздействие путём механического смещения участков головного мозга. Гипотеза о том, что магнитное поле способно наводить электрические токи в нервных тканях, не выдвигалась. Учёные располагая соленоид над головой пациента, даже сумели индуцировать эффект фосфенеза.

Современный этап исследований магнитной стимуляции начался в 1985 году, когда британец А. Баркер (A.Barker) впервые экспериментально продемонстрировал возможность мышечного сокращения, вызванного неинвазивным воздействием переменного магнитного поля на центральную нервную систему.

В 1987 году R. Bickford и M. Guidi впервые заявили о наблюдении кратковременных изменений настроения у пациентов в результате стимуляции двигательных областей коры головного мозга одиночными магнитными импульсами. Это сообщение подстегнуло интерес к исследованиям по влиянию деполяризующих магнитных полей на пациентов с различными неврологическими и психическими заболеваниями.

Первое контролируемое лечение депрессии с помощью ТМС провели M. George и E. Wassermann в 1995 году. А уже в 2008 году на основании исследования опубликованного в журнале Biological Psychiatry магнитная стимуляция была одобрена для лечения депрессии. Однако спустя всего два года FDA отозвало это разрешение, по результатам опубликованной в этом же журнале статьи-опровержения.

В 2018 году FDA транскраниальная магнитная стимуляция была вновь одобрена как метод лечения взрослых пациентов с обсессивно-компульсивными расстройствами, которым не помогло фармакологическое лечение антидепрессантами.

Сегодня ТМС ограниченно применяется в разных странах для экспериментального лечения шизофрении, обсессивно-компульсивных расстройств, депрессии, болезни Паркинсона, эпилепсии, амиотрофического латерального склероза, восстановления после травм спинного мозга, для реабилитации после инсульта.

Но данных клинических исследований пока недостаточно для окончательных выводов об эффективности ТМС при этих заболеваниях.

В Российской Федерации аппаратами ТМС оснащаются стационарные отделения медицинской реабилитации пациентов с нарушением функции центральной нервной системы, включая болезнь Альцгеймера и других заболеваний.

В основе работы стимулятора лежит эффект разряда высоковольтного конденсатора большой ёмкости на мощную электрическую катушку из медного провода. В момент разряда в катушке генерируется магнитный импульс до 4 Тесла, что в десятки тысяч раз мощнее магнитного поля Земли, которое составляет от10^—4 до 10^—5 Тл. Это поле индуцирует в близко расположенных тканях тела пациента ток, якобы вызывающий нервный импульс.

Какие области мозга, какая площадь или объём подвергается стимуляции? (рис. 21a). Этого учёные не уточняют. Как именно воздействует магнитное поле на нейроны? Тоже неважно. Рекомендации к применению основаны на экспериментах с мощностью магнитного импульса, его формой и типами индукторов.

Рисунок 21. ТМС. А – лечение, B – исследования.

ТМС можно использовать не только для лечения, но и исследовательских целях (рис. 21b). В этом случае фиксируются ответные реакции организма на магнитные стимуляции мозга. Это по сути своей неинвазивный аналог исследований Пенфилда, который изучал открытый мозг раздражая разные его участки электрическим током.

Электроцевтика

Техника становится всё круче: микро, нано, мощь вычислений, новые материалы (биосовместимая мягкая электроника), neural dust – сенсоры размером с песчинку и т. п. Успехи же фармакологии в лечении неврологических расстройств по признанию специалистов остаются кране скромными. При этом все понимают, что тенденция роста заболеваний нервной системы только усилится (старение населения, стрессы современного мира и пр.).

В этих условиях в 2016 году Google сделал ставку на биоэлектронную медицину. В двух словах: биоэлектронная медицина опирается на электрическое воздействие вместо химического. Мишень – главным образом нервные волокна. Таблетки и микстуры должны быть заменены на импланты и электронные стимуляторы. С этой целью дочернее предприятие Google и британский фармацевтический гигант GlaxoSmithKline учредили компанию, сумма сделки $715 млн.

Это знаковое событие – игра вышла на новый уровень. На наших глазах рождается новая стратегия, альтернативная фармакологии. Медицина будет меняться, но не только за счёт генной терапии, о чём любят писать. Она будет меняться путём перехода на новый язык диалога с организмом. Этот язык электрический.

Научившись напрямую взаимодействовать с нейронами, нам не придётся опосредованно воздействовать на организм химическими препаратами на молекулярном уровне.

Здесь кроется ещё один подтекст, более философский: переход от пассивного организма к активному. Не делать работу за него, вводя недостающие вещества, а стимулировать их выработку самим организмом. Включить программу. В том числе по регенерации.

Но и без всякой философии очевидно: направление чрезвычайно перспективное. Объём рынка будет стремительно расти.

Но. Всегда есть повод сдерживать оптимизм. Во всём мире уже пару десятков лет развивается новое направление в медицине – нейромодуляция. Суть её заключается в том, что под кожу больному с неизлечимыми неврологическими патологиями имплантируют устройство. Управляя этим прибором, врачи достигают терапевтического эффекта через изменения активности центральной и периферической нервных систем пациента.

При этом принципиально важно то, что такая нейромодуляция не ставит задачу излечить больного, это корректирующая медицина. Она только улучшает качество его жизни. Болезнь остаётся, а человек получает возможность лишь контролировать её.

Такая своего рода высокотехнологичная «косметическая» неврология.

История развития методов исследования мозга

Чтобы избежать иллюзий и необоснованного оптимизма относительно того что Человечество знает о работе нервной системы придётся остановиться на методах её исследования.

Способ №1– поковыряться непосредственно в мозгах

Всего несколько десятков лет назад у врачей в распоряжении был единственный способ исследования человеческого мозга: дождаться, пока с человеком не произойдёт какое-то несчастье, а потом, если пациент выживет, посмотреть, как изменяется его сознание и восприятие. Несчастные мужчины и женщины, ставшие жертвами инсультов, опухолей, сабельных ударов, неудачных операций и других ужасных инцидентов были единственными источниками све́дений о природе человеческого мозга.

Иногда их тела выживали, но сознание искажалось неожиданным образом. Однако, несмотря на различия, в одном эти изменения всё же были предсказуемы – люди со схожими травмами теряли одинаковые способности, что давало подсказку к разгадке назначения определённых частей мозга.

В 1852 году на встрече Парижского антропологического общества Эрнест Обюртен (Ernest Auburtin) представил описание любопытного опыта, который, по его мнению, был окончательным доказательством локализации функций мозга.

Его пациентом оказался самоубийца, выстреливший себе в голову из пистолета, который умудрился снести себе лобную кость и открыть большие полушария мозга, оставив их неповреждёнными. Пациент был в сознании, у него даже сохранилась способность к речи. Он прожил ещё несколько часов в больнице, этого времени Обюртену хватило провести свой знаменитый эксперимент. Когда раненный говорил, доктор шпателем слегка надавливал на различные участки мозга. Когда надавливанию подвергалась лобная доля способность к речи пропадала, при прекращении давления она восстанавливалась.

Но времена пассивных наблюдений за результатами разрушений, причиняемых мозгу травмами и болезнями безвозвратно уходили в прошлое. Наступала эпоха «высоких технологий».

Когда Алессандро Вольта изобрёл свой источник электричества, одним из первых экспериментов его воздействия на человека было попробовать электричество на вкус, вероятно, каждый из нас тоже пробовал батарейку на язык. Потом Вольта вставлял электроды в нос и даже, с риском для зрения, прикладывал их к глазам. Так что лишь вопросом времени был тот день, когда исследователи начали тыкать электродами в мозг.

Электростимуляция мозга invivo

В начале 1870-х годов появились публикация о том, что двое берлинцев, Густав Фритч и Эдуард Хитциг, провели ряд экспериментов на открытом мозге собак. Стимулируя электричеством различные точки мозга, учёные добивались того, что собаки дёргали лапами и скалили зубы.

Эти эксперименты доказывали, что электричество может возбуждать кору мозга, и давали некоторое представление о расположении центров движения и ощущений.

Несмотря на убедительные демонстрации, эти работы произвели впечатление не на всех, в основном потому, что эксперименты проводились над низшими животными. Несомненно, человеческий мозг имел отличия, возможно, весьма значительные. Для того чтобы убедительно доказать существование локальных зон в мозге человека, учёным требовался «настоящий пациент».

Такой пациент, вернее, пациентка нашлась в 1874 году в Огайо. Последовавшие события могли бы войти в историю как торжество медицины XIX века, но вместо этого стали ярким примером научной гордыни и злоупотребления долгом.

К врачу Робертсу Бартолоу (Roberts Bartholow) обратилась слабоумная тридцатилетняя ирландская горничная Марта Рафферти, в ранней юности та упала в огонь и так сильно обожгла скальп, что волосы так и не отросли. Она скрывала свои шрамы париком, но в декабре 1872 года под ним развилась злокачественная язва. Марта думала, что виной тому был жёсткий каркас парика, вреза́вшийся в кожу; но Бартолоу распознал раковую опухоль. Так или иначе, когда Рафферти была госпитализирована в январе 1874 года, в её черепе образовалась двухдюймовая дыра, и ошеломлённый Бартолоу мог наблюдать пульсацию её теменных долей.

Воспользовавшись слабоумием пациентки, Бартолоу получил её согласие на исследование мозга микротоками. Этот эксперимент подтвердил предыдущие выводы Густава Фрича и Эдуарда Хитцига. И, хотя некоторые полагают, что этот эксперимент дал старт неврологическим исследованиям, Бартолоу подвергся серьёзной критике за использование Марты Рафферти в качестве подопытного и вторжения в «священный о́рган».

Применяя пару электролитических игл, втыкаемых в твёрдую мозговую оболочку и подлежащие ткани, Бартолоу раздражал открытые участки мозга слабым электрическим током. Он заметил, что это вызывало движения в соответствующих частях тела Рафферти. Низкий электрический ток, который он прикладывал к мозгу, похоже, не причинял ей боли. Однако, когда Бартолоу применил более сильные токи, Рафферти испытала судороги и впала в кому. Она вышла из комы через три дня, но на следующий день у неё начался сильный приступ, и она умерла. После её смерти Бартолоу провёл вскрытие и изучил раны от игл. Следы на ранах были заполнены сжиженным веществом головного мозга, это означало, что раны вызвали образование глиального рубца.

Сам он описал эксперимент следующим образом: «Когда игла проникла в мозговое вещество, пациентка пожаловалась на острую боль в шее. Чтобы получить более чёткие реакции, сила тока была увеличена… её лицо выразило сильное страдание, и она начала плакать. Вдруг её левая рука вытянулась, как будто для захвата какого-то предмета перед ней; по руке пробежали судороги; её глаза стали неподвижными, зрачки расширились; губы посинели, на них появилась пена; дыхание стало неровным; наконец она потеряла сознание и по левой стороне тела прошли конвульсии. Судороги длились пять минут и сменились обмороком. Рафферти пришла в сознание через двадцать минут и пожаловалась на слабость и головокружение».

Результаты опытов Бартолоу опубликовал в своей работе «Экспериментальные исследования функций органов человеческого мозга» в апреле 1874 г. Эта публикация была положительно рассмотрена Ферье, который нашёл наблюдения Бартолоу вполне соответствующими результатам собственных опытов на мозге обезьян.

Однако, это известие вызвало и другую реакцию. Врачи по всему миру выражали своё возмущение. Хотя Бартолоу утверждал, что он получил согласие Рафферти, критики отметили, что тот сам же описал Рафферти как «слабоумную», и это ставило под сомнение её способность понимать последствия предложенных экспериментов.

Главным же образом его подвергали резкой критике за проведение экспериментов без намерения исцеления пациента, за то, что он проводил эксперимент без применения анестезии, и до тех пор, пока у Рафферти не произошло нескольких приступов, и она не потеряла сознание.

Бартолоу утверждал, что его действия не стали причиной смерти Рафферти, хотя и признал, что причинил ей некоторую травму. Раздосадованный, но упорствующий, он несмотря на все благочестивые протесты, считал что он доказал, то что, и намеревался доказать: в человеческом мозге есть отделы для специализированных функций, которые учёные могут исследовать с помощью электричества.

Хотя Бартолоу был осуждён Американской медицинской ассоциацией за свои эксперименты, его карьера не пострадала. Он продолжал публиковать книги и статьи, и его практика оставалась весьма популярной. В 1893 году он даже получил звание почётного профессора в Медицинском колледже Джефферсона в Филадельфии.

Общественная реакция, вероятно, затормозила ход исследований на живом человеческом мозге, так как другие учёные не желали себе сомнительной славы экзекуторов очередной Марты Рафферти.

Хотя некоторые исследователи (например, Харви Кушинг) продолжали зондировать живой мозг электричеством, в следующие несколько десятилетий работа продвигалась очень неравномерно. А для полной реабилитации этой области исследований понадобился человек масштаба Уайлдера Пенфилда (Wilder Graves Penfiel).

На первый взгляд, его работа напоминала эксперименты Бартолоу на Марте Рафферти, так как Пенфилд пользовался электричеством для возбуждения поверхности открытого мозга. Однако Пенфилд применял более низкое напряжение, и вместо того, чтобы просто электрифицировать мозг и посмотреть, что из этого выйдет, он чутко взаимодействовал с каждым пациентом. Аккуратно стимулируя разные участки коры мозга, он спрашивал, какие чувства испытывает человек. Когда тот что-то чувствовал, Пенфилд опускал маркёр – нумерованный кусочек конфетти – на квадратный миллиметр ткани, а ассистентка за стеклянной перегородкой записывала результат.

На основе ответных реакций осуществлялось картирование мозга. Когда Пенфилд раздражал участки зрительной коры, пациенту могли видеться линии, тени или кресты – составные элементы зрения. Если он стимулировал слуховую кору, пациент мог слышать звон, шипение или топот.

Целью этого неврологического зондирования было не простое любопытство. Прежде всего, Пенфилду требовалось найти участки мозга ответственные за возникновение эпилептических припадков с целью их последующего удаления.

И что очень важно, в результате Пенфилд знал, какие области мозга не следует удалять. Проводя операции, он всегда старался держаться в стороне от центров движения и речи у пациента. Определение границ запретных участков стало обязательным условием операций.

Такой подход позволил Пенфилду с исключительной детализацией картировать двигательные и тактильные центры мозга. До Пенфилда учёные не догадывались, что территория лица находится рядом с территорией руки или что лицо, губы и руки представлены огромными территориями. Эти открытия продемонстрировали, как необычно представление мозга о собственном теле.

Для пущей наглядности Пенфилд нарисовал своего знаменитого «моторного гомункулуса» – карикатурное изображение того, как бы выглядели люди, будь размер каждой части тела пропорционален размеру территории коры головного мозга, которая ею управляет. Получается, что мы имели бы тоненькие ноги, раздутый язык и огромные перчатки вместо кистей рук: внутри мозга все мы похожи на неудачные скульптуры Джакометти.

Рисунок 22. Моторный и сенсорный гомункулусы Пенфилда.

Позднее выяснилось, а́тлас человеческого мозга, составленный Пенфилдом, был идеализированным. К примеру, языковой узел у одного человека может находиться на несколько сантиметров выше или ниже, чем у другого. И даже у одного и того же человека он постоянно смещается. Пенфилд сам отметил это у пациентов, подвергавшихся повторным операциям. Выяснилось, что вопреки ожиданиям большинства учёных, каждый мозг и каждый разум обладает уникальной географией. И эта география непрерывно меняется, поскольку территории мозга дрейфуют, как континентальные плиты. [6]

Однако, не всё поддавалось картированию. Ещё американскому нейробиологу Карлу Лешли удалось убедить научное сообщество в том, что высшие когнитивные функции представляют собой результат «массового действия» нейронов, и, следовательно, не поддаются локализации.

Первоначально он исходил из предположения о равнозначности разных участков. В своей книге «Механизмы мозга и интеллект» (Brain Mechanisms and Intelligence) опубликованной в 1929 году, учёный отстаивал два важнейших принципа:

принцип массового действия – состоит в том, что некоторые типы обучения задействуют весь головной мозг вцелом. Этот принцип противоположен представлениям, что каждая психическая функция локализована в определённой зоне коры. Лешли экспериментально удостоверился, в невозможности локализовать механизмы памяти в каком-то из отделов мозга, то есть память распределена в коре головного мозга.

принцип эквипотенциальности (равноценности) – состоит в том, что при повреждении участков коры головного мозга, ответственных за определённые органы чувств, другие участки мозга могут брать на себя функции повреждённых зон.

В общем, Лешли весьма авторитетно отстаивал несостоятельность представлений о мозговой локализации, противопоставляя ей положение о пластичности высших отделов головного мозга и функциональной многозначности его структур. К чести учёного, позднее он смягчил своё крайне негативное отношение к принципу локализации.

Карл Лешли отдал тридцать лет своей плодотворной жизни попыткам раскрыть природу следа памяти в мозге. Он охотился за энграмой – записью этого следа. Иначе говоря, «структурным следом, который психический опыт оставляет на протоплазме». Безуспешные поиски закончились тем, что Лешли стал иронично подсмеиваться над собственными усилиями, лукаво задаваясь вопросом, способны ли животные и даже люди вообще обучаться. [2]