Что видит человек при инсульте нейросеть
Не пропустите первые признаки инсульта
В цивилизованных странах ежегодно регистрируются сотни тысяч случаев инсульта. К сожалению, если «пропустить» первые минуты и часы этого грозного заболевания, процесс становится необратимым… Вот почему так важно знать правила первой помощи при инсульте
Когда происходит инсульт?
Инсульт происходит, когда перекрывается просвет или разрывается стенка какого-либо сосуда, расположенного в головном мозге. Инсульт может быть ишемическим (когда тромб полностью перекрывает просвет кровеносного сосуда) и геморрагическим (когда рвется стенка артерии, снабжающей кровью тот или иной участок мозга, образуется гематома). При этом, естественно, нарушается нормальный режим кровоснабжения и начинается гибель клеток головного мозга. Процесс повреждения структур мозга может развиваться крайне стремительно, и чем дольше человеку не оказывается должная медицинская помощь, тем больше необратимых изменений происходит.
Из-за чего случается инсульт
Какой-то одной причины возникновения инсульта не существует, поэтому принято говорить о комплексе факторов риска, которые могут привести к инсульту. В первую очередь это, конечно, наследственность. Если у человека «слабые» сосуды (то есть наблюдается генетически обусловленная слабость соединительной ткани), у него может развиться аневризма (расширение или расслоение стенки сосуда, питающего головной мозг), которая, достигнув определенного размера, может «порваться» и произойдет геморрагический инсульт. Если же у человека есть склонность к накоплению «плохого» холестерина, то в его сосудах будут образовываться атеросклеротические бляшки, сужающие просвет и способствующие образованию тромбов. «Работают» и такие факторы риска, как курение, гипертония, аритмия, избыточный вес и сахарный диабет. Поэтому чувствовать себя застрахованным от инсульта не может никто.
Учим правила инсульта
«Да зачем они мне, — скажете вы, — я же вполне здоровый человек, да и в круг моих родных и знакомых входят молодые, полные жизненных сил, люди». К сожалению, инсульт редко интересуется возрастом того, к кому приходит. Безусловно, в группе риска находятся мужчины старше 45 лет и женщины старше 55 лет, но сегодня нередки случаи инсульта и у 30-летних, и у тех, кому только исполнилось 25. Причем, чем моложе человек, тем менее ожидаемыми у него могут быть признаки, характерные для инсульта, а следовательно — тем дольше он будет оставаться без помощи, и тем более печальными могут оказаться последствия мозговой катастрофы.
Подозреваете инсульт?
Улыбнись — заговори — подними руки
Симптомы инсульта, как правило, развиваются очень быстро. Сценарий, примерно одинаков, может меняться только последовательность их возникновения. Обычно у человека начинается приступ резкой, нестерпимой головной боли, он жалуется на то, что голову буквально «разрывает». Может измениться походка, она становится неустойчивой, человек падает, или начаться парез (онемение) мышц конечностей или лица. Для инсульта характерен односторонний парез, когда мышечная слабость проявляется только на левой или на правой стороне тела. Из-за этого у больного как бы «перекашивается» рот и даже изменяются черты лица. Речь становится менее четкой — или замедляется, или, наоборот, человек начинает говорить очень быстро, но непонятно. Также возможны туман перед глазами, расфокусировка взгляда, больному становится трудно формулировать свои мысли и подбирать слова.
Врачи рекомендуют запомнить три основных приема распознавания симптомов инсульта: УЛЫБНИСЬ — ЗАГОВОРИ — ПОДНИМИ РУКИ (УЗП)
Что делать дальше?
Срочно, без промедления, вызывайте скорую помощь. Если это невозможно — везите больного в ближайшую больницу или медпункт самостоятельно. Но очень-очень быстро! Не надо ничего ждать, а тем более «вестись» на слова пострадавшего о том, что «сейчас все пройдет». Если это инсульт — то ничего не пройдет, больному станет хуже, он может умереть или остаться глубоким инвалидом на всю жизнь!До приезда бригады скорой помощи (или пока вы везете пострадавшего в больницу), нужно сделать следующее:
Если после комплекса этих мероприятий человеку «полегчало» — это не означает, что инсульт прошел стороной. Расслабляться рановато, поскольку все вышеописанные симптомы могли быть признаками транзиторной (преходящей) ишемической атаки (ТИА), то есть сосуд головного мозга был перекрыт не полностью, а лишь частично. Но подобный приступ в любой момент может обернуться и настоящим инсультом. Предотвратить его смогут лишь квалифицированные действия медиков, качественное обследование сосудов головного мозга, которое возможно только в клинике, и, конечно же, адекватная терапия этого состояния.
Как нейросети от Лаборатории по ИИ Сбера помогают врачам определять инсульт и лечить пациентов с коронавирусом
В Лаборатории по искусственному интеллекту Сбера есть медицинское направление. Занимаемся им мы — Манвел Аветисян, Владимир Кох и наша команда. Рассказываем, как обучаем нейросети, которые помогают выявлять признаки инсульта, коронавируса и онкологии, а еще — подсказывать диагноз по набору симптомов.
В 2018 году Сбер открыл Лабораторию по искусственному интеллекту, которая разрабатывает наукоемкие решения в разных сферах — от риск-менеджмента до клиентского сервиса. Идея заниматься ИИ в медицине была в Лаборатории по ИИ с самого начала — это направление имеет огромную научную и практическую ценность. Его взял на себя Манвел — он разработал первые модели, провел эксперименты, собрал команду. Владимир присоединился позже, в сентябре 2018 года.
Всё началось с экспериментов и обучения нейросетей на открытых данных — датасетов с медицинскими снимками пациентов с инсультом, которые можно было найти в открытом доступе. Когда о Лаборатории ИИ узнали в научном сообществе, к нам обратились врачи медицинского исследовательского центра им. Мешалкина из Новосибирска — это случилось в апреле 2018 года. Им как раз нужен был инструмент для быстрого выявления признаков инсульта.
Если человек с подозрением на инсульт поступает в больницу, надо как можно скорее выяснить, действительно ли у него случился инсульт, и если да, то какого типа. Для этого обычно проводят компьютерную томографию (КТ) головного мозга, затем рентгенолог изучает снимки и пишет заключение, на основе которого лечащий врач решает, что делать. Первые несколько часов после инсульта — критические: если пациент не получает помощь вовремя, возрастает риск необратимых изменений мозга и смерти.
Мы решили обучить нейросеть анализировать полученные на КТ снимки, выявлять инсульт, определять его тип, объем и локализацию. Для этого собрали анонимизированный датасет из тысяч снимков головного мозга: здорового, с инсультом и с похожими на инсульт патологиями. А чтобы нейросеть научилась понимать разницу, врачи из центра им. Мешалкина отмечали очаги инсульта на каждом снимке, где те были.
Мы применили архитектуру U-Net, хорошо показавшую себя в решении похожих задач. Она состоит из «сжимающей» и «расширяющей» частей. Операции свертки «смотрят» на изображение в геометрически возрастающих масштабах, что позволяет архитектуре лучше моделировать нелокальные зависимости между пикселями изображения.
Первые результаты появились через пять месяцев — и они нас не устроили: нейросеть справлялась не хуже одного врача из четырех. Тогда мы перешли со стандартной архитектуры на более сложную, с «тяжелой» «сжимающей» частью. Точность выросла до 96%: нейросеть определяла инсульт почти безошибочно, не хуже девяти врачей из десяти.
Когда стало ясно, что алгоритм работает хорошо, его решили опробовать в больницах. Просто отдать врачам куски кода мы не могли — и придумали коробочное решение, которое интегрируется в привычные медикам системы хранения изображений. Все они работают по протоколу DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), медицинскому стандарту создания, хранения и передачи цифровых изображений и документов.
Мы сделали интерфейсы для работы с нашей нейросетью, а еще — варианты API для интеграции с медицинской или радиологической системой. Получилась компьютерная программа, которая взаимодействует с другими частями инфраструктуры клиники по сети.
После КТ снимок попадает в систему, где его анализирует нейросеть, — это занимает примерно минуту. Затем в систему заглядывает врач, и он видит не только сам снимок, но и подсказку от нейросети. Например, нейросеть считает, что у человека есть инсульт, причем определенного типа, при котором в мозгу нарушено кровообращение.
Врач быстро смотрит на снимок, соотносит увиденное с подсказкой и принимает решение о том, как быстро помочь пациенту. Иногда нейросеть принимает за острый инсульт очаги хронической ишемии, но врач легко распознает такую ошибку — поэтому она не критична, но мы продолжаем работу над решением и этой задачи. Если бы ИИ принимал человека с инсультом за здорового, было бы гораздо хуже. К счастью, таких ошибок алгоритм не совершает. Первое испытание в пилотном режиме мы провели в Хабаровске, а сейчас наша система пилотируется в крупных больницах, с большим потоком пациентов в нескольких регионах.
Во время пандемии мы решили запустить проект по диагностике коронавируса. Создавать медицинский продукт в сфере искусственного интеллекта, не посоветовавшись с врачами, очень опрометчиво, поэтому мы спросили у медицинского сообщества, чем можем быть полезны.
Оказалось, что есть две задачи, с решением которых могут помочь нейросети: определение пораженных участков легких на КТ и расчет объема этих поражений относительно объема легких.
Мы поговорили с большим количеством практикующих врачей из самых разных клиник, коммерческих и государственных. Оказалось, что есть две задачи, с решением которых могут помочь нейросети: определение пораженных (по типу матового стекла и консолидации) участков легких на КТ и расчет объема этих поражений относительно объема легких.
Алгоритмы компьютерного зрения работают по одному принципу: нейросеть обучается на массиве изображений и начинает распознавать то, что необходимо, будь то последствия инсульта или поражения легких. Поэтому пригодились предыдущие наработки: мы использовали похожую архитектуру — и обучали нейросеть на снимках пораженных при ковиде легких. Для этого мы очень быстро нашли несколько клиник-партнеров, у которых были пациенты с коронавирусом, согласовали с врачами методологию разметки, разметили с их помощью данные и обучили алгоритм.
Это — снимки легких с пораженными участками
На снимках видны пятна — «эффект матового стекла». Его вызывают и другие заболевания, но при коронавирусе «матовые стекла» располагаются особым образом и обычно появляются в обоих легких. Нейросеть «видит» пораженные участки и оценивает их объем по отношению к общему объему легких — это важно для принятия врачебных решений. Анализ одного снимка занимает от минуты до пяти минут, этот продукт тоже можно интегрировать в медицинские системы. Проект мы сделали за месяц: в апреле стартовали, а в мае внедрили систему в клиниках Кузбасса и Красноярска. Сейчас система работает в двух десятках регионов, и мы постоянно получаем фидбэк от врачей и узнаем, какие еще функции им нужны.
Всего в Лаборатории по искусственному интеллекту около десятка проектов: об одних мы уже можем рассказать, о других — нет. Всего в Лаборатории ИИ около 10 медицинских проектов. Часть из них также основана на обработке изображений, например нейросеть для анализа маммографических снимков: рак молочной железы — самый распространенный среди женщин и в мире, и в России. Над этой задачей мы работали полгода, еще два месяца тестировали нейросеть в Томске, а теперь запустили пилот: ИИ помогает выявлять патологии у реальных пациенток.
Более сложное и наукоемкое направление — оценка риска определенных заболеваний и в целом поддержка принятия врачебных решений с помощью ИИ. Один из самых зрелых наших проектов в этом направлении — предсказание трех наиболее вероятных диагнозов по списку симптомов. Его мы сделали в партнерстве с Департаментом здравоохранения Москвы. Пациент приходит на первый прием, рассказывает о самочувствии, а модель предполагает, чем он может быть болен. После нескольких экспериментов оказалось, что ИИ работает не хуже, чем опытный терапевт. Для обучения нейросети мы использовали информацию по миллиону пациентов, которые в течение 15 лет совершили четыре миллиона визитов в поликлинику. Данные, конечно, обезличены.
Медицинскими проектами в Лаборатории по ИИ занимаются 11 человек: руководители, исследователи больших данных,, проджекты и продакты. В апреле к нам присоединился Александр Нестеров — врач, который увлекся машинным обучением и теперь работает датасаентистом. Это редкий случай, и опыт Александра в медицине нам очень помогает.
Я знаю, как работают врачи: у них невероятно высокая нагрузка. Даже самый опытный и добросовестный врач может не справиться с потоком информации и задач. Если у него будет помощник в виде программы, которая будет давать подсказки и подстраховывать в принятии решений, это на самом деле очень поможет.
Мой медицинский бэкграунд позволяет мне видеть задачи под другим углом, и в Лаборатории по ИИ я постоянно подключаюсь к проектам, чтобы помочь коллегам. За время моей врачебной практики я мог бы помочь тысячам пациентов, а теперь смогу помочь гораздо большему количеству людей — возможно, десяткам миллионов. Мне очень приятно об этом думать. Кто-то говорит, что мы заменим врачей алгоритмами, — никогда не заменим. Какими бы мощными ни стали алгоритмы, последнее слово всегда будет за врачом.
Мы никогда и ничего не делаем просто так, поэтому над каждым проектом работаем вместе с врачами. На старте у нас было много идей, и врачи помогли их приоритизировать и улучшить. Проект, который датасаентисту кажется интересным и перспективным, на практике может оказаться сложным или малоэффективным в практическом применении, поэтому мы всегда просим врачей нас критиковать и заранее узнаем, чем именно можем им помочь.
Врачей можно условно поделить на две группы: первые настроены негативно-настороженно, вторые — позитивно-настороженно.
Врачей можно условно поделить на две группы: первые настроены негативно-настороженно, вторые — позитивно-настороженно. Первые сходу говорят: «Ничего не получится», вторые: «Давайте попробуем». И только когда они видят не презентацию, а готовую модель, которая отрабатывает случай за случаем с высокой точностью, они меняют отношение и начинают использовать наши решения.
Такая настороженность понятна — врачи несут большую ответственность за здоровье людей. А некоторым кажется, что мы пытаемся заменить медиков искусственным интеллектом. Это, разумеется, не так: алгоритмы не панацея, решение всегда будет за доктором. Врачи, которые работают с нейросетями, начинают понимать, что ИИ не угроза, а помощник. И чем больше интересных продуктов появится, тем скорее к этому привыкнет медицинское сообщество.
Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги
Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги
Роботизированный экзоскелет, управляемый нейроинтерфейсом.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: В СМИ часто можно услышать о проектах, которые помогают парализованным людям взаимодействовать с окружающим миром. Но в этой статье мы поговорим о не менее интересной, но более обойдённой вниманием теме — о нейроинтерфейсах, помогающих людям с параличом конечностей восстанавливать самостоятельную двигательную активность.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Более 5 миллионов человек в мире страдают от разной формы параличей, основные причины которых — инсульт (34%) и повреждение спинного мозга (24%).
Инсульт в настоящее время является одной из основных причин инвалидизации населения. В России ежегодно регистрируется более 450 000 инсультов, и инвалидами становятся 70–80% выживших после инсульта, причём примерно 20–30% из них нуждаются в постоянном постороннем уходе.
За последние 70 лет количество больных с травмой спинного мозга возросло в 200 раз, и в России подобные повреждения ежегодно получают более 8 000 человек. Чаще всего это приводит к неспособности больного самостоятельно передвигаться и обеспечивать свои основные потребности. В результате использования инвалидной коляски уменьшается физическая активность, что провоцирует развитие ряда заболеваний: болезни сердца, остеопороз, пролежни. Поэтому идет активный поиск альтернативных методов восстановления способности двигаться. Одной из самых новых разработок в этом направлении является нейроинтерфейс.
Нейроинтерфейс (он же интерфейс «мозг-компьютер», ИМК) — система, позволяющая передавать сигналы мозга напрямую на внешнее устройство (это может быть инвалидная коляска, экзоскелет, компьютер и др.), фактически управлять «силой мысли» (рис. 1).
В «Биомолекуле» можно более подробно прочитать про историю развития нейрокомпьютерных технологий, а также про современный проект Neuralink Илона Маска [1], [2].
Рисунок 1. Схема работы ИМК.
адаптировано по материалам сайта Tritriwulansari
Методы регистрации сигналов мозга
Первое звено в схеме работы ИМК — это получение сигнала от мозга. Для этого используют следующие методы:
Сейчас в ИМК для получения информации об электрической активности мозга наиболее часто применяют ЭЭГ, так как она имеет высокое временное разрешение (электроды позволяют считывать немедленную активность отдельных участков мозга), относительно дешева, портативна и не представляет риска для пользователей. ИМК, основанные на ЭЭГ, состоят из набора сенсоров, улавливающих ЭЭГ-сигналы от различных областей мозга. Однако качество сигналов ЭЭГ ухудшается из-за того, что сигнал проходит через скальп, череп, а также множество других слоев, что создает шум.
Для уменьшения шума и улучшения качества записи прибегают к инвазивным способам — имплантированию внутрь черепа набора микроэлектродов [3]. Это подразумевает значительный риск для здоровья, из-за чего их редко задействуют в экспериментальной практике. В исследованиях ИМК существуют два инвазивных подхода: электрокортикография (ЭКоГ), при которой электроды располагаются на поверхности коры головного мозга, и интракортикальная запись нейронной активности — когда датчики имплантируют в кору (рис. 2). Такие решения в настоящее время применяют крайне редко, только в исключительных случаях: либо когда пациенту и так предстоит операция на мозге, либо когда это единственный шанс на возвращение возможности взаимодействовать с окружающим миром.
Рисунок 2. Схема расположения электродов для ЭЭГ, ЭКоГ и интракортикальных микроэлектродов.
Сенсомоторный ритм и моторная кора
Как мы уже говорили, цель ИМК — улавливание намерения пользователя посредством регистрации его мозговой активности. При регистрации мозговой активности с помощью ЭЭГ мы получаем графическое изображение сложного колебательного электрического процесса, в котором можно выделить ряд определённых ритмов, которые отличаются между собой по амплитуде и частоте: альфа, бета, дельта, мю и другие. Сейчас нас интересует мю-ритм, так как именно на его основе работают нейроинтерфейсы, используемые в нейрореабилитации движений.
Мю-ритм, или сенсомоторный ритм (СМР), имеет частоту 8–13 Гц и регистрируется над моторной областью коры головного мозга, расположенной в задней части прецентральной извилины (рис. 3). Подавление мю-ритма происходит тогда, когда человек совершает какое-либо движение или воображает выполнение движения — это называется десинхронизацией, связанной с событием (event-related desynchronization, ERD). Это происходит потому, что нейроны, которые до этого возбуждались синхронно, приобретают индивидуальные, не похожие друг на друга паттерны возбуждения. При этом человек может тренироваться в воображении движений, и со временем подавление мю-ритма при этом становится всё более выраженным, что используют при обучении управлению ИМК.
Для моторной коры характерна топическая организация. Это значит, что каждому участку коры соответствует определённый участок тела, который она контролирует. На рисунке 3 изображен гомункулус Пенфилда, части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены. Как видно из рисунка, представительства верхних и нижних конечностей находятся достаточно далеко друг от друга, благодаря чему возможно раздельное распознавание нейроинтерфейсом воображения движений рук и ног.
Рисунок 3. Соматосенсорный и моторный гомункулус.
адаптировано по материалам сайта BioNinja
Обратите внимание, что представительство нижних конечностей в моторной коре значительно меньше представительства верхних. Это легко объяснимо наличием мелкой моторики рук: мозгу нужно контролировать множество отдельных мышц пальцев. У ног же, наоборот, мало мышц, которыми нужно управлять, и они более крупные. К тому же видно, что представительство нижних конечностей попадает в межполушарную щель, что затрудняет распознавание сигналов ЭЭГ, генерируемых при воображении движений разных групп мышц ног. Поэтому использование ИМК для ног вызывает определённые сложности, и большинство существующих научных работ по нейрореабилитации с помощью ИМК посвящено именно верхним конечностям, так как с их воображением проще работать. В лаборатории физиологии движений Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, где работает автор, проводят исследования, направленные на изучение процессов реабилитации нижних конечностей, а также на возможность применения при этом чрескожной электростимуляции спинного мозга (ЧЭССМ) и специальных практик, помогающих увеличить эффективность управления ИМК [4].
Как эффективно воображать движения
Известны следующие особенности воображения движений, которые повышают его эффективность:
Кроме того, нами было показано, что эффективность воображения движений зависит от личностных характеристик человека [15].
Для эксперимента было набрано 44 человека с ведущей правой рукой. Все они проходили тестирование по опроснику Кеттелла, который определяет 16 основных индивидуальных особенностей. Далее испытуемые управляли ИМК, основанном на воображении движений рук. Оказалось, что при воображении движений правой руки успешнее экспрессивные чувствительные экстраверты, а при воображении движений левой руки — практичные, сдержанные, скептичные и не очень общительные люди.
Мы предполагаем, что это можно объяснить разным уровнем содержания дофамина в правом и левом полушариях, а также разницей в способах кодирования информации о движениях [16]. Более подробно об этом можно прочитать в статье, опубликованной автором и коллегами в журнале «Доклады Академии наук» [15]. Знание личных психологических параметров пользователя ИМК может помочь в разработке индивидуальных тренингов и методов подготовки перед управлением нейроинтерфейсами.
Зачем же нужно воображение движений и работа с нейроинтерфейсами? Как это может помочь людям с нарушениями движений? Разберём эти вопросы на примере двух самых распространенных причин двигательных расстройств — инсульта и травмы спинного мозга.
Механизмы нейропластичности
При инсульте происходит острое нарушение кровоснабжения головного мозга (либо в результате закупоривания сосуда тромбом — ишемический инсульт, либо в результате кровоизлияния — геморрагический). Так как вместе с кровью к нейронам перестаёт поступать всё, что необходимо им для жизнедеятельности, участки мозга, где остановилось кровообращение, отмирают. И если это зоны, отвечающие за двигательную активность — например, моторная область коры, то у больного возникает гемипарез, снижение силы мышц одной стороны тела, или гемиплегия, полный паралич половины тела.
Восстановление двигательной функции осуществляется в основном за счет механизмов нейропластичности — способности мозга изменяться под действием опыта: устанавливать новые связи между нейронами, разрушать старые и ненужные, восстанавливать утраченные после повреждения. В данных процессах принимают участие не только нейроны, но и клетки нейроглии, а также сосудистая система [17]. Также изменяется активность синапсов и их количество [18]. Для активации данных механизмов в медицине применяется двигательная реабилитация. Однако у пациентов с параличом или высокой степенью пареза осуществление реальных движений невозможно, поэтому прибегают к тренировкам с ИМК, основанном на воображении движений. При представлении движений активируются те же зоны мозга, которые также участвуют в подготовке реального действия и в его совершении, вследствие чего такая нейрореабилитация становится реальной [19].
Благодаря таким реабилитационным тренировкам происходит перестройка нейронов вокруг повреждённой области: увеличивается объём серого вещества в двигательной зоне мозга, а соседние участки берут на себя утраченные функции [20]. Двигательные области неповреждённого полушария также участвуют в этом процессе.
Эффективность этих занятий может быть повышена за счёт использования биологической обратной связи — зрительной или тактильной — когда пациент видит на экране монитора, насколько хорошо он справляется с заданием (воображением движения конечности), или когда он чувствует вибрацию от специального прибора при успешном выполнении задачи.
Также существуют системы, дающие двигательную обратную связь: например, когда человек воображает движение правой ноги, приводя её в движение специальным механизмом. По такому принципу работает система «Биокин» (ООО «Косима»), разработанная под руководством Герасименко Ю.П. (Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН) (рис. 4) [21]. Она включает в себя обратную связь, функциональную электростимуляцию (ФЭС) и чрескожную электростимуляцию спинного мозга (ЧЭССМ), что делает её высокоэффективным инструментом в области нейрореабилитации нижних конечностей [22].
Рисунок 4. Биокин. Комплекс для нейрореабилитации нижних конечностей, основанный на применении ИМК с обратной связью, ФЭС (функциональной электростимуляции) и ЧЭССМ (чрескожной электростимуляции спинного мозга).
Такие системы позволяют замкнуть сенсомоторную петлю: от посылаемого мозгом эфферентного (исходящего) сигнала двигательной активности к афферентному (приходящему) сигналу о сенсорной обратной связи (рис. 5) [23].
Рисунок 5. Нейропластичность, вызываемая использованием ИМК, основанном на воображении движений. При повреждении моторных областей коры реальное движение становится невыполнимым, поэтому для активации процессов нейропластичности остаётся только возможность воображения движений. Использование ИМК со зрительной и тактильной обратной связью обеспечивает усиление этих процессов.
Данный механизм реабилитации может объяснить концепция пластичности Хебба: при одновременной активации двух связанных друг с другом нейронов усиливается их синаптическое взаимодействие, что приводит к более надёжному контакту между ними (рис. 6). Если предположить, что передача сигнала от моторной коры головного мозга к мышцам конечностей была нарушена из-за инсульта или травмы, то одновременная активация сенсорной и моторной коры может усиливать ранее неактивные контакты между нейронами за счет пластичности и таким образом вести к восстановлению двигательной функции конечностей [24].
Рисунок 6. Механизм пластичности Хебба. Усиление синаптического взаимодействия между двумя нейронами происходит из-за повторяющейся стимуляции постсинаптической клетки пресинаптической клеткой.
Рисунок 7. Образование новый нейронных связей в области повреждения спинного мозга (ПСМ).
При восстановлении двигательной функции после травмы спинного мозга задействованы те же механизмы нейропластичности. При таком повреждении часть нервных волокон, в том числе двигательных, оказывается прервана, что вызывает паралич конечностей, а часть сохраняет свою целостность. Благодаря этому при проведении нейрореабилитации существует возможность активации процессов нейропластичности: неповреждённые волокна образуют синаптические связи с двигательными нейронами (мотонейронами), которые, в свою очередь, передают сигнал мышцам (рис. 7) [25].
Для увеличения эффективности нейрореабилитации при помощи ИМК часто дополнительно используют функциональную электростимуляцию мышц (ФЭС). Она обеспечивает сокращение мышцы в тот момент, когда пользователь воображает движение с участием этой мышцы (рис. 8) [26]. Это приводит к усилению нейропластичности по механизму Хебба: происходит одновременная активация моторных областей головного мозга, передающих сигнал мотонейронам спинного мозга, и чувствительных нейронов, активируемых сокращающейся под влиянием ФЭС мышцей, что замыкает сенсомоторную петлю.
Рисунок 8. Система ИМК-ФЭС. При воображении движений сигнал из моторной коры обрабатывается компьютером (ПК) и передаётся к прибору функциональной электростимуляции (ФЭС), который вызывает сокращение соответствующей мышцы. Далее сигнал от мышцы передается в сенсорную кору, обеспечивая обратную связь.
Электростимуляция спинного мозга
В последние годы большую эффективность в нейрореабилитации после повреждения спинного мозга показала его электростимуляция (ЭССМ). Спинной мозг имеет два утолщения: в области шеи и поясницы, что соответствует месту выхода из них корешков двигательных нейронов верхних и нижних конечностей. В поясничном утолщении спинного мозга находятся специализированные нейронные сети, обеспечивающие автоматический процесс шагания (генераторы шагательных движений, ГШД). Иными словами, если наложить на твердую оболочку спинного мозга в месте поясничного утолщения электроды, подающие ток определенной амплитуды и частоты, можно вызвать непроизвольные шагательные движения даже у людей с параличом нижних конечностей [27]. Однако такой способ требует хирургического вмешательства, так что существует риск развития послеоперационных осложнений.
В настоящее время наиболее безопасной и безболезненной считается чрескожная электростимуляция спинного мозга (ЧЭССМ). На видео 1 (Edgerton Lab, University of California) можно видеть, как вызываются непроизвольные шагательные движения ног при облегченном положении больного, с подвешенными на рамах-качелях ногами [28].
Видео 1. Непроизвольная ходьба при чрескожной электростимуляции спинного мозга.
При использовании ЧЭССМ появляется вопрос правильного расположения стимулирующих электродов. Если при установке инвазивных электродов во время операции хорошо различимы сегменты и корешки спинного мозга, то при установке накожных электродов могут возникнуть затруднения с нахождением нужного участка. Данную задачу решают с помощью подачи одиночных импульсов на электрод и регистрации рефлекторных мышечных ответов — ведь каждому сегменту спинного мозга соответствуют строго определённые группы мышц.
Также существует проблема недостаточной амплитуды посылаемых импульсов — из-за дегенеративных процессов при повреждении спинного мозга требуется большая амплитуда стимуляции для получения нужного ответа. Однако это чревато получением ожогов. В нашей лаборатории было создано оптимальное устройство для неинвазивной электрической стимуляции спинного мозга [29].
Кроме того, была разработана система, детектирующая фазы шагательного цикла в онлайн-режиме и стимулирующая спинной мозг согласно этим фазам [30]. Во время ходьбы в разные моменты напрягаются разные мышцы, и под определёнными углами сгибаются суставы, что можно регистрировать специальными приборами — акселерометрами и гироскопами. Обе ноги движутся скоординировано, и на основании положения одной ноги можно предсказать положение другой. Принцип работы системы следующий: пациенту с гемипарезом на здоровую ногу накладываются датчики движения, которые передают сигнал к прибору для ЧЭССМ. Он, в свою очередь, стимулирует в определённые моменты времени группы мотонейронов спинного мозга, отвечающих за движение мышц-сгибателей и разгибателей ноги, что способствует нормализации ходьбы и восстановлению движения пораженной конечности.
Успехи современной нейрореабилитации
Самым масштабным исследованием в области нейрореабилитации с использованием ИМК, основанного на воображении движений, является работа Donati с соавторами, опубликованная в Nature в 2016 году [31]. В этом исследовании приняли участие восемь человек с параличом нижних конечностей, вызванным повреждением спинного мозга. Для них была разработана специальная система реабилитации, включающая в себя шесть этапов с увеличивающейся сложностью, и с каждым пациентом было проведено около 255 (!) сессий в течение года.
Первый этап включал в себя глубокое погружение в среду виртуальной реальности, во время которого испытуемый управлял перемещением своего аватара (компьютерного персонажа), воображая движение нижних конечностей в положении сидя. Затем пациент делал то же самое, только в положении стоя, с опорой на специальный стол. Во время третьего этапа проходили тренировки на беговой дорожке: испытуемый ходил с использованием прибора, поддерживающего вес тела (Lokomat). На четвёртом этапе осуществлялось движение ног уже в воздухе, а не по беговой дорожке. На пятом этапе пациент тренировался на беговой дорожке с помощью роботизированной системы, поддерживающей конечности и контролируемой ИМК. И на заключительной стадии испытуемый ходил в экзоскелете, управляемом ИМК: экзоскелет делал шаг, когда человек представлял себе движение соответствующей ноги. Во время всех тренингов испытуемые получали тактильную обратную связь — вибрацию, которая подавалась на предплечье, когда виртуальная или роботизированная нога с той же стороны касалась земли. Схему эксперимента вы можете увидеть на рисунке 9, а сам процесс реабилитации — на видео 2.
Рисунок 9. Схема эксперимента, включающая в себя шесть этапов: 1 — ИМК + виртуальная реальность (ВР) в положении сидя; 2 — ИМК + ВР в положении стоя; 3 — ходьба по беговой дорожке с поддержанием веса тела; 4 — движение ног в воздухе; 5 — ходьба по беговой дорожке с помощью роботизированной системы, контролируемой ИМК; 6 — ходьба в экзоскелете, управляемом ИМК. Обозначения: ЭЭГ — электроэнцефалография; ЭМГ — электромиография, регистрирующая активность мышц; Такт. — тактильная обратная связь.
Видео 2. Процесс проведения эксперимента.
Через 12 месяцев тренировок по этой системе у всех восьми пациентов повысились показатели по тактильным ощущениям, а также восстановился свободный контроль ключевых мышц нижних конечностей. В результате был виден заметный прогресс в их способности ходить. Многие пациенты смогли ходить при помощи вспомогательных приборов. Кроме этого, у всех пациентов было отмечено значительное повышение эмоциональной стабильности и оценки качества жизни, а также снизился уровень депрессивности и увеличилась самооценка. Улучшились состояние кожи и функция пищеварительной системы, что связано, по-видимому, с нормализацией активности симпатической и парасимпатической систем. Дело в том, что вдоль позвоночника расположены узлы вегетативной нервной системы, которая регулирует работу внутренних органов. Они повреждаются при травмировании спинного мозга, что вызывает нарушение деятельности пищеварительной системы, которая в свою очередь влияет на состояние кожи посредством выделения сигнальных молекул, в том числе и провоспалительных [32], [33].
Неврологическое восстановление было связано с механизмами пластичности как на уровне спинного мозга, так и на уровне сенсомоторной коры. Кортикальная и спинномозговая пластичность изменяет нейронные связи в сохранившейся области спинного мозга при помощи моторных и сенсорных связей (рис. 10).
Рисунок 10. Пластичность спинного мозга (СМ) и коры головного мозга, осуществляющаяся с помощью моторных (красных) и сенсорных (синих) связей.
Заключение
Современная наука в области нейрореабилитации стремительно развивается и достигает удивительных результатов — в буквальном смысле ставит на ноги людей, ранее прикованных к кровати или инвалидной коляске. Появляются новые, более эффективные способы регистрации сигналов мозга; использование ИМК дополняется использованием обратной связи, ФЭС и ЧЭССМ; углубляются знания о механизмах нейропластичности; проводятся масштабные исследования в области разработки техник нейрореабилитации. Однако остается проблема доступности данных методов. Они очень дорогостоящие и доступны только в определённых клиниках; далеко не каждый может себе их позволить. В нашей лаборатории ведётся разработка нейрореабилитационных систем, которые просты в применении и по цене доступны для закупок в государственных бюджетных больницах.
Благодарности
Автор выражает благодарность своему научному руководителю Бобровой Елене Вадимовне, заведующему лабораторией Герасименко Юрию Петровичу и безвременно покинувшему нас в прошлом году Александру Алексеевичу Фролову (01.11.1943–10.06.2020) — одному из ведущих российских исследователей в области ИМК.