Близкие к естественным режимы: нейробиологи измерили отклик нервной системы на электростимуляцию
Международный научный коллектив изучил, как электрическая стимуляция кожных нервных волокон (афферентов) влияет на обработку сигналов у обезьян. Исследование показало, что электрическое воздействие нарушает работу сенсомоторных нейронных сетей в спинном мозге обезьян. Это доказывает необходимость поиска близких к естественным режимов электростимуляции при работе с различными сенсомоторными нарушениями. Исследование опубликовано в журнале Cell Reports. Исследование проведено Санкт-Петербургским государственным университетом совместно с Институтом физиологии имени И. П. Павлова РАН, Life Improvement by Future Technologies Center «LIFT» а также зарубежных партнеров из Питтсбургского и Белградского университетов.
Графический абстракт работы
Одним из важнейших вызовов в современных нейронауках и медицине является восстановление неврологических функций у людей с сенсомоторными нарушениями. Среди наиболее тяжелых заболеваний, связанных с нарушением сенсомоторных функций, болезни Альцгеймера и Паркинсона. Нейростимуляция посредством электрического тока — один из известных и используемых сегодня методов восстановления нейронных функций. Например, стимуляция спинного мозга позволяет восстановить локомоторную активность ног или мелкую моторику рук. Таким образом, искусственно вызванная активность нейронной сети заменяет естественную.
Хотя технологии нейростимуляции уже применяются в клинической практике при сенсомоторных расстройствах, влияние такой стимуляции на динамику состояния нейронных сетей исследовано мало.
Международный коллектив ученых, в состав которого вошла научная группа Санкт-Петербургского государственного университета, занялась исследованием влияния электростимуляции на состояние лабораторных приматов Курчатовского комплекса медицинской приматологии (НИЦ «Курчатовский институт»).
«Мы изучили, как электрическая стимуляция кожных афферентов — нервных волокон, которые передают информацию от кожи к центральной нервной системе, — влияет на обработку проприоцептивных сигналов, то есть сигналов, которые позволяют определять положение тела в пространстве», — рассказал один из авторов исследования, заведующий лабораторией нейропротезов Института трансляционной биомедицины СПбГУ, научный руководитель направления «Нейробиология» Научно-технологического университета «Сириус» Павел Мусиенко.
Как объяснил профессор СПбГУ, в качестве модельных животных для подобных экспериментов лучше всего подходят обезьяны, поскольку обладают схожим с человеком строением нервной системы. В данном исследовании у четырех обезьян была зарегистрирована внутриспинальная нейрональная активность при генерации проприоцептивных импульсов от лучевого нерва.
При непрерывной стимуляции кожного нерва ученые оценивали, как спинной мозг обрабатывает проприоцептивные сигналы — иначе говоря, как он определяет положение тела примата в пространстве. Исследователи обнаружили, что проприоцептивные импульсы вызывали специфические ответы нейронной сети, которые нарушались одновременной кожной стимуляцией. Такое нарушение распространялось также на соматосенсорную кору головного мозга, указывая, что электрическая стимуляция может повлиять на естественную обработку информации центральной нервной системы.
Схема эксперимента
«Проведенный нами эксперимент показал, что электрическое воздействие на кожные афференты нарушает работу сенсомоторных нейронных сетей в спинном мозге. Причем создаваемые таким образом „помехи“ распространяются дальше, вмешиваясь в работу коры головного мозга. Таким образом, мы можем сделать главный вывод: в современной медицине необходимо не только работать над усовершенствованием самих нейрональных электродов, но также большое внимание уделять поиску биомиметических режимов стимуляции, близких к естественным. Такой подход позволит сделать терапию более эффективной», — говорит Мусиенко.
Текст: пресс-служба СПбГУ
Katic Secerovic, N., Balaguer, J.-M., Gorskii, O., Pavlova, N., Liang, L., Ho, J., Grigsby, E., Gerszten, P. C., Karal-ogly, D., Bulgin, D., Orlov, S., Pirondini, E., Musienko, P., Raspopovic, S., & Capogrosso, M. (2024). Neural population dynamics reveals disruption of spinal circuits’ responses to proprioceptive input during electrical stimulation of sensory afferents. Cell Reports, 43(2), 113695. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.113695