Translingual Neurostimulation (TLNS): A Novel Approach to Neurorehabilitation

Translingual Neurostimulation (TLNS): A Novel Approach to Neurorehabilitation

Транслингвальная нейростимуляция (TLNS): новый подход к нейрореабилитации

Данилов Ю.  и Палтин Д.

Департамент кинезиологии, Висконсинский университет, США

Автор-корреспондент: Юрий Данилов, факультет кинезиологии, Висконсинский университет, США.    2017г.

Аннотация

Технология CN-NINM представляет собой синтез новой неинвазивной техники стимуляции мозга с применением в физической медицине, когнитивной и аффективной нейробиологии. Наш новый метод стимуляции выглядит многообещающим для лечения всего спектра двигательных расстройств, а также для дисфункции внимания и памяти, связанной с черепно-мозговой травмой. Предлагаемая здесь комплексная терапия CN-NINM направлена ​​на восстановление функции за пределы традиционно ожидаемых пределов путем использования обоих недавно разработанных терапевтических механизмов для прогрессивной физической и когнитивной тренировки – при одновременном применении стимуляции мозга с помощью портативного устройства нейростимуляции PoNS ™. Основываясь на наших предыдущих исследованиях и недавних экспериментальных данных, мы считаем, что строгая учебная программа CN-NINM в клинике,

Ключевые слова: нейрореабилитация; Нейромодуляция; Транслингвальная нейростимуляция; Устройство PoNS; Целевая терапия; Черепно-мозговой нерв; Neuroplasticity

Сокращения

TLNS: многоязычная нейростимуляция; CN-NINM: неинвазивная нейростимуляция черепно-нервного нерва; TNS: стимуляция тройничного нерва; ВНС: Стимуляция блуждающего нерва

Введение

Цель данной статьи – представить наш подход к нейрореабилитации, который называется технология неинвазивной нейромодуляции черепного нерва (CN-NINM). CN-NINM – это метод вмешательства, который сочетает в себе трансъязыковую нейростимуляцию (TLNS), портативное устройство для стимуляции нейростимуляции (PoNS ™) и целевую тренировку, предназначенную для реабилитации с контролем движений.

Основные принципы технологии CN-NINM, как технологии платформы, создают основу для разработки будущих направлений нейрореабилитации, таких как головная боль, шум в ушах, сон, депрессия и т. Д., С использованием нейростимуляции для доступа к сетям мозга через черепные нервы, такие как как те, которые найдены в языке. Следует отметить, что принципы и соответствующие схемы лечения, основанные на технологии CN-NINM, уже были успешно внедрены для нейрореабилитации других неврологических состояний, таких как баланс, походка, контроль движения глаз, речь и когнитивные функции [1,2]. Поэтому технологию CN-NINM следует рассматривать как практическую реализацию нескольких теоретических концепций, основанных на последних научных открытиях в области нейробиологии.

Во-первых, мы хотели бы рассмотреть аномальные неврологические состояния, с точки зрения современной сетевой науки, которые возникают в результате нарушения работы аналогичных мозговых сетей. Современное понимание организации нейронной сети может описать различные структурные и функциональные изменения сети при многих неврологических и психических заболеваниях, особенно при деменции, эпилепсии и шизофрении, а также при черепно-мозговой травме (ЧМТ), болезни Паркинсона, рассеянном склерозе (МС). ), цереброваскулярные заболевания, кома и многие другие состояния, относящиеся к расстройствам нейронной сети [3-5].

Сложно распределенная нейронная сеть с несколькими корковыми и подкорковыми компонентами является физическим субстратом для любой сенсорной, моторной и сенсомоторной интегративной системы, обеспечивая, в свою очередь, нормальную физиологическую или поведенческую функцию – контроль зрения, слуха, позы и движения глаз и несколько других. Повреждение или неисправность любой части указанной функциональной сети приводит к дисфункции всей сенсомоторной системы (пространственные и / или временные нарушения), которая часто проявляется в виде клинических симптомов.

Во-вторых, ситуация с реабилитацией многих неврологических симптомов очень похожа. Неврологические расстройства, такие как ЧМТ, инсульт, нейродегенеративные расстройства или передозировка лекарственного средства (химическая травма), могут поражать многие распределенные сети на многих разных уровнях во многих разных местах. До настоящего времени практически невозможно определить точное место и степень таких повреждений или степень неисправности тканей в результате ненормальной связи с поврежденными участками. Нарушения функциональных взаимоотношений между областями и структурами, а также отклонения в пространственно-временной организации отдельных нейронов и скоплений нейронов все еще недоступны для оценки и оценки. В результате такой неопределенности терапевтические и реабилитационные ресурсы значительно ограничены. Например, не существует эффективных программ реабилитации для пациентов с хронической стадией после инсульта и ЧМТ; большинство симптомов РС считаются невосстанавливаемыми; и нет эффективного лечения шума в ушах. Физическая терапия может помочь этим условиям в некоторой степени, но не сильно.

Технология TLNS была первоначально разработана для модуляции сложных сетей с целью нейрореабилитации. Мы начали с балансовой сенсорно-моторной интеграционной сети, в частности, с постуральной контрольной реабилитации после периферических вестибулярных повреждений [6-8]. Позже мы расширили наш подход к проприоцептивному компоненту баланса (рассеянный склероз, пациент с ампутированными конечностями), к реабилитации контроля над воротами (болезнь Паркинсона, МС, ЧМТ, инсульт, церебральный паралич) и контролю движения глаз. Комбинация нейростимуляции (с использованием устройства PoNSTM) и таргетной терапии (комплекс сложных упражнений, явно нацеленных на пораженную сеть) стала основой терапии TLNS, которая применима для реабилитации многих неврологических расстройств, которые до сих пор считались в основном неизлечимыми [1, 2,9].

Нейростимуляция

Хотя стимуляция мозга хорошо известна с древних греческих и римских времен, от Галена и Скрибониуса Ларгуса, которые использовали электрические угри для лечения головных болей и различных других расстройств, нынешний «взрыв» новых методов, устройств и приложений нейростимуляции трудно даже сосчитать , В настоящее время более десятка форм стимуляции головного мозга находятся в стадии разработки и оценки как вмешательства для неврологических и психических расстройств [10].

Методы нейростимуляции и нейромодуляции – это уникальные формы лечения, которые существенно отличаются от фармакологии, психотерапии или физиотерапии. Хотя эти термины часто используются взаимозаменяемо, для целей данного эссе и для пользы этого постоянно расширяющегося и динамичного поля мы предлагаем важное отличие: нейростимуляция относится к физическому действию стимуляции нервной системы, тогда как нейромодуляция является продуктом или результат указанной стимуляции.

Типы нейростимуляции

Специфика и применимость различных методов нейростимуляции зависят от нескольких ключевых факторов: анатомического расположения мишени для стимуляции, физических свойств и пространственно-временных параметров стимуляции.

Нервная система человека представляет собой сложный набор взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем с иерархической модульностью. Модули соответствуют основным функциональным системам, таким как моторные, сенсорные и ассоциативные сети. Подсистемы характеризуются и называются как своими анатомическими положениями, так и функциональной спецификой.

На высшем уровне нервная система делится на центральную и периферическую нервные системы. Центральная нервная система (ЦНС) состоит из головного и спинного мозга, а периферическая нервная система (ПНС) включает в себя все оставшиеся нервные структуры, обнаруженные вне ЦНС. ПНС далее функционально делится на соматическую (добровольную) и вегетативную (непроизвольную) нервную систему. Структурно PNS также можно описать как состоящий из афферентных (сенсорных) нервов, которые несут информацию к ЦНС, и эфферентных (моторных) нервов, которые переносят команды от ЦНС [11].

ПНС также состоит из спинномозговых нервов и черепных нервов. Хотя двенадцать пар черепных нервов возникают непосредственно из головного мозга (анатомически они являются частью ЦНС), и десять пар из них возникают из ствола мозга, они формально считаются частью PNS.

Соответственно, все системы нейростимуляции могут быть различны в месте применения: системы нейростимуляции черепного, спинного мозга, спинного ганглия или седалищного нерва. Важно отметить, что стимуляция определенных областей мозга производит одинаково специфические реабилитационные функции.

Системы нейростимуляции могут быть инвазивными или неинвазивными. По данным Национального института здравоохранения, неинвазивные устройства можно определить как те, которые не требуют хирургического вмешательства и не проникают в паренхиму головного мозга. Кроме того, устройства для краниальной стимуляции могут быть разделены по типу источника энергии и включают в себя, помимо прочего, устройства, используемые для фокусированной ультразвуковой стимуляции, магнитотерапии, электрошоковой терапии, статических магнитов, транскраниальной стимуляции переменного тока, транскраниальной стимуляции постоянным током транскраниальная магнитная стимуляция, электромагнитная стимуляция в радиочастотном диапазоне, кроме того, появилось несколько новых систем, основанных на оптической стимуляции мозговой ткани, в том числе инфракрасного света [1,12,13].

Важно отметить, что нейростимуляция может быть внешней, экзогенной или генерируемой вне нервной системы (транскраниальная магнитная стимуляция, TMS и транскраниальная стимуляция постоянным током, tDCS) и все же пытаться воздействовать на возбудимые мембраны нейронов напрямую, индуцируя или подавляя нейронную активность в сеть мозга [1]. Этот вид стимуляции представляет собой искусственную (а не естественную) активацию мозговых структур электрическими или магнитными полями, или электрическим током, или светом, или ультразвуком (обычно применяется снаружи тела или черепа) и в корне отличается от естественной (внутренней, местной). ) активация.

Естественным источником активации мозга являются нервные импульсы или пики, которые генерируются миллиардами специализированных природных рецепторов, расположенных в глубине кожи или внутренних тканей организма. Это внутренняя стимуляция от импульсов, идущих к спинному мозгу и мозгу через нервы и распространяющихся по множеству структур мозга [1]. Взаимодействие с естественными путями приводит к активации сложных нейронных сетей с использованием естественно спроектированных пространственных и временных паттернов, уникальных для различных структур мозга и основанных на анатомическом и физиологическом типе нейронов и паттернах межнейронных связей. Подобно этим процессам, системы нейростимуляции, которые активируют специфические рецепторы, свободные нервные окончания или нервные стволы, создавая шиповатый поток.

Стимуляция черепного нерва и нейрореабилитация

Одной из основных проблем нейрореабилитации является сложность и разнообразие повреждений головного мозга. Приобретенная черепно-мозговая травма (ABI) и нейродегенеративные расстройства создают множественные участки неисправной или физически поврежденной нервной ткани. В результате различные функциональные системы становятся неэффективными или не синхронизируются; множественные симптомы развивались почти одновременно. Разнообразная природа сбоев нейронной сети и удача методов локализации таких повреждений становятся непреодолимым осложнением для эффективной нейрореабилитации, делая симптомы и расстройства полного спектра «неизлечимыми».

Большинство существующих методов нейростимуляции ограничены несколькими способами. Функциональная специфика стимуляции создает расширенное семейство систем для управления отдельными частями тела (мочевого пузыря) или мышечными группами (опускание стопы). Анатомическая специфичность и локализация электродов также ограничивают эффективность нейростимуляции для функционального восстановления. Хирургическая точность стимуляции DBS и небольшой объем пораженной ткани (несколько кубических миллиметров) позволяют изменять активность только в одном узле широко распределенной функциональной сети.

Количество мозговой ткани, пораженной ТМС, напротив, может быть увеличено до десятков кубических сантиметров, но активировано неестественным образом и без функциональной специфичности.

Стимуляция черепных нервов может помочь решить некоторые из этих проблем. Черепные нервы являются наиболее мощными нервами, непосредственно связанными с головным и спинным мозгом [1]. Важно отметить, что все первичные сенсорные системы передают информацию в ЦНС. Зрение и слух, обоняние и вкус, вестибулярный сигнал и проприоцепция лица и языка непрерывно прямо или косвенно активируют весь мозг черепными нервами.

Если предположить, что «многомерное» повреждение требует «многомерной» реабилитации, то стимуляцией черепных нервов может быть решение.

TLNS – это уникальный способ прямой и одновременной активации нескольких мозговых сетей за счет естественного всплеска, генерируемого на периферии. Неинвазивная и безопасная «инъекция» естественной нейронной активности в поврежденную нейронную сеть инициирует процесс восстановления, основанный на механизмах зависящей от активности пластичности.

Существующие методы

Семейство систем стимуляции черепных нервов является небольшим по сравнению с множеством других систем нейростимуляции и относительно молодым. Первое одобрение FDA США на стимуляцию блуждающего нерва (VNS, Cyberonics, Inc.) было получено в 1997 году. Неудивительно, что прием всех новых методов нейростимуляции в целом остается спорным и не получил широкого распространения. Многие системы нейростимуляции черепных нервов в настоящее время находятся в стадии разработки. Обонятельный нерв еще не использовался в целях нейростимуляции. Зрительные и слуховые нервы в основном разрабатываются различными сенсорными протезами, например, искусственными сетчатками и кохлеарными имплантатами.

Однако здесь следует упомянуть одну систему стимуляции сетчатки и зрительного нерва: электростимуляцию через роговицу (TcES), которая включает использование электрического тока низкой интенсивности при лечении офтальмологических заболеваний, включая повреждения зрительного нерва, вызванные светом. фоторецепторная дегенерация, ишемия глаза, макулярная дистрофия и пигментный ретинит.

Среди прочих интенсивно исследуются три пары черепных нервов для целей нейрореабилитации: блуждающий нерв и тройничный нерв. Оба крупных, смешанных (сенсорных и моторных) черепных нервов.

Стимуляция блуждающего нерва (ВНС)

Основными приложениями для ВНС являются эпилепсия, депрессия, беспокойство, ожирение. Целью стимуляции блуждающего нерва (VNS) является десятый черепной нерв, выходящий из мозга в мозговом веществе (ствол мозга) [13]. Это самый длинный черепной нерв, распространяющийся в грудную клетку и брюшную полость. Обычно генератор с батарейным питанием имплантируют подкожно в левую грудную стенку. Прикрепленный электрод затем туннелируется под кожей и оборачивается вокруг левого блуждающего нерва на шее.

Побочные эффекты ВНС могут быть разделены на те, которые связаны с осложнениями операции, и те, которые являются результатом побочных эффектов стимуляции. Хотя риски, связанные с хирургическим вмешательством, минимальны, они остаются важными соображениями как для врачей, так и для пациентов [13].

Существует один неинвазивный метод, который чрескожно стимулирует ушную ветвь блуждающего нерва. Он был разработан для лечения хронической мигрени (NEMOS ® , Cerbomed, Erlangen, Germany). Недавнее исследование предоставляет доказательства того, что стимуляция с использованием NEMOS при частоте 1 Гц в течение четырех часов в день эффективна для профилактики хронической мигрени в течение трех месяцев [14,15].

Стимуляция тройничного нерва (TNS)

TNS нацеливается на верхние офтальмологические ветви тройничного нерва. Существует два устройства, NeuroSigma и Cephaly, которые изначально были разработаны для лечения лекарственно-устойчивой эпилепсии и нарушения сна, соответственно. Побочные эффекты NeuroSigma были слабыми и включали раздражение кожи, покалывание, давление на лбу и головную боль [16]. Миллер и соавт. [17] не обнаружили никаких побочных или побочных эффектов от использования Cephaly, что согласуется с нашим опытом использования устройства PoNSTM.

Устройство PoNS ™

Устройство PoNS ™, обе версии 2 и 4 (рис. 1 и 2 соответственно), обеспечивает локальную электростимуляцию афферентных нервных волокон на дорсальной поверхности языка с помощью небольших поверхностных электродов. Из-за возникающего в результате тактильного ощущения, которое, в зависимости от формы волны стимуляции, обычно ощущается как вибрация, легкое покалывание или давление; несомненно, что тактильные нервные волокна активируются. О вкусовых ощущениях сообщают нечасто, хотя неизвестно, стимулируются ли вкусовые афференты на самом деле, учитывая нефизиологические паттерны активации, которые, вероятно, являются результатом PoNS-индуцированной стимуляции этих волокон [1].

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code