Влияние неинвазивной стимуляции головного мозга на нейропластичность в раннем восстановительном периоде ишемического инсульта

Синдром постинсультных когнитивных нарушений (ПИКН), по данным разных авторов, развивается в 10—80% случаев после перенесенного ишемического инсульта [1, 2]. При этом могут наблюдаться нарушения всех видов когнитивных функций: динамических параметров мышления, зрительно-пространственного ориентирования, исполнительных функций, памяти, внимания, речи [3]. Необходимо отметить, что через 5 лет после ишемического инсульта почти у 30% пациентов с синдромом ПИКН отмечается развитие деменции [1].

Современные подходы к когнитивной реабилитации охватывают, как правило, два ключевых направления [1, 2]. Во-первых, это лекарственная терапия, преимущественно холинергическими препаратами и неконкурентными антагонистами глутаматных NMDA-рецепторов; во-вторых — нейрокогнитивный тренинг в виде курсовых занятий с медицинским психологом, направленных на стимуляцию нарушенных когнитивных функций у пациентов, перенесших острое нарушение мозгового кровообращения (ОНМК).

Вместе с тем в последние 15—20 лет наблюдается существенный рост интереса к изучению аппаратных технологий, способных позитивно влиять на ПИКН. Хотя попытки применения физических лечебных факторов для стимуляции головного мозга предпринимались еще в 30-х годах прошлого века, сегодня этот подход переживает «ренессанс» [4].

К настоящему моменту сформировалось большое количество вариантов воздействия физических факторов на головной мозг: непосредственно через мозговой отдел черепа, а также опосредованно (транссфеноидально, трансорбитально, трансорально, транслингвально, трансвагально). В целом это направление в неврологии и психиатрии приобрело общее название — неинвазивная стимуляция головного мозга (НСГМ), известное в англоязычной литературе как non-invasive brain stimulation [5, 6].

Различные варианты НСГМ заняли устойчивые позиции в программах реабилитации целого ряда неврологических, психиатрических и психологических нарушений: постинсультный двигательный и когнитивный дефицит, депрессия, хронические болевые синдромы, нарушения речи и глотания, шизофрения, мигрень, аддиктивное поведение [5, 7—13].

В ранних работах [14—17] был показан положительный вклад в реабилитацию синдрома ПИКН некоторых частных методик НСГМ: фотохромотерапии узкополосным оптическим излучением с длиной волны 530 нм (зеленый свет); ритмической транскраниальной магнитной стимуляции низкоинтенсивным высокочастотным бегущим импульсным магнитным полем; инфракрасного излучения с длиной волны 1—56 мкм, модулированного терагерцевыми частотами; биоакустической коррекции. Применение этих вариантов НСГМ в дополнение к базовой программе когнитивной реабилитации приводило к достоверному улучшению когнитивных функций пациентов, перенесших инсульт.

Важным аспектом в понимании репаративных процессов после повреждения головного мозга является представление о нейропластичности как ключевом механизме восстановления структурных и функциональных нарушений [18, 19]. Следует отметить, что нейропластичность рассматривается в качестве уникального свойства головного мозга адаптироваться к различным воздействиям путем оптимизации структурно-функциональной организации [20].

Нейропластичность реализуется на многих уровнях: нейрональном (изменение активности цитоскелетного транспорта, модуляция рецепторного аппарата синапсов, цитоплазматическая продукция белков), нейроглиальном, сосудистом, междолевом, межполушарном. Важнейшим элементом нейропластичности является синаптическая пластичность. Основные ее механизмы — модификация функциональной активности синапсов, изменение их количества, размера их активных зон, активация аксонального или дендритного спрутинга, модуляция возбудимости потенциалзависимых ионных каналов.

При ишемии головного мозга реализуется репаративный вариант синаптической пластичности. В последние годы исследователи находят все больше данных о вовлечении нейротрофических ростовых факторов (НРФ) в процессы синаптической пластичности [21]. При этом установлено, что наиболее значимую роль в активации репаративной синаптической пластичности играет мозговой нейротрофический фактор (brain-derived neurotrophic factor, BDNF) [22, 23].

BDNF оказывает нейротрофическое действие через взаимодействие с двумя типами рецепторов: зрелая форма — через рецептор TrkB из группы тирозинкиназ (неонейрогенез, нейроплатичность), проформа — через рецептор p75 семейства рецепторов фактор некроза опухоли (запуск апоптоза).

Высокие концентрации BDNF были выявлены в таких областях головного мозга, как кора больших полушарий, гиппокамп, гипоталамус, таламус, стриатум. Помимо нейронов, BDNF содержится в астроцитах и микроглии. Имеется отчетливый циркадный ритм секреции BDNF с пиком в утренние часы и минимумом в полночь.

Вне ЦНС BDNF обнаруживается в слюне, моче, крови, слезной жидкости, однако в гораздо меньших концентрациях, поскольку у человека белок довольно плохо проникает через гематоэнцефалический барьер. Установлена четкая корреляция между содержанием BDNF в головном мозге и периферической крови. При этом уровень вариабельности концентрации пептида в сыворотке крови достаточно высок и находится в пределах 1—10 нг/мл.

Снижение уровня BDNF играет важную роль в патогенезе целого ряда заболеваний: депрессии, болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, бокового амиотрофического склероза, эпилепсии. Известно, что уровень BDNF в крови повышается непосредственно после острого стресса и аэробных упражнений [24].

До сегодняшнего момента не разработаны лекарственные средства, способствующие повышению выработки BDNF. Как в физиологических условиях, так и при ишемическом повреждении важным фактором активации синтеза BDNF является аэробная физическая нагрузка, однако также установлена высокая эффективность НСГМ в активации нейропластичности и повышении содержания BDNF в головном мозге [25—27].

Необходимо отметить, что, по данным литературы, к 14-м суткам после ишемии головного мозга концентрация BDNF в периферической крови компенсаторно нарастает [28]. Это способствует активации синаптической нейропластичности и впоследствии восстановлению двигательных и когнитивных функций. Показано, что в остром периоде ОНМК концентрация BDNF в плазме крови повышается пропорционально объему поражения мозговой ткани [29].

Однако уже через 3 мес после ишемии головного мозга в крови пациентов определяется достоверное снижение уровня BDNF по сравнению с первыми сутками после развития ОНМК. Это можно трактовать как истощение потенциала нейротрофинзависимой нейропластичности [28, 30].

Выявлено, что низкие уровни BDNF связаны в перспективе с тяжелым неврологическим дефицитом, а также с плохим функциональным исходом и высокой инвалидизацией, что является косвенным отражением низкого потенциала нейропластичности при дефиците этого нейротрофина [31]. Более того, были проведены экспериментальные работы, результаты которых показали, что внутривенное введение BDNF способствует более быстрому восстановлению после ишемического инсульта за счет стимуляции нейро- и синаптогенеза [27].

Важным инструментом диагностики ишемического повреждения головного мозга, помимо применения технологий нейровизуализации, является применение специфических биомаркеров. По соотношению чувствительность/специфичность перспективным показателем в этом направлении является определение антител к NR2-фрагменту глутаматного N-метил-D-аспартат (NMDA) рецептора, разрушающегося в условиях локальной ишемии головного мозга [32]. Этот биомаркер пригоден для определения наличия ишемического процесса в мозге и степени разрушения мозговой ткани как в первые часы инсульта, так и в динамике. Наибольшее повышение маркера наблюдается в первые 3 сут ишемического инсульта, однако этот подъем в динамике может регистрироваться в течение 6 мес. Показано, что повышенные значения антител к NR2-пептиду (>2 нг/мл) могут рассматриваться в качестве критерия, ассоциированного с развитием и течением церебральной ишемии. Динамическая оценка уровня глутаматных биомаркеров в крови представляется актуальным направлением нейробиопредикции [33].

Из приведенных данных литературы можно заключить, что дополнительное применение НСГМ в программах постинсультной когнитивной реабилитации способно создать своего рода «терапевтическое окно» возможностей, когда разнообразные реабилитационные воздействия могут быть более эффективны в условиях активации нейропластичности с помощью физических лечебных факторов.

Цель исследования — изучение влияния различных вариантов НСГМ на синаптическую нейропластичность головного мозга у пациентов после ишемического инсульта в раннем восстановительном периоде.

Для оценки влияния различных вариантов НСГМ на когнитивные функции и нейропластичность головного мозга после перенесенного ишемического инсульта было проведено динамическое обследование 62 пациентов с синдромом ПИКН, которые проходили медицинскую реабилитацию второго этапа в отделении реабилитации СПб ГБУЗ «Николаевская больница». Наблюдавшиеся пациенты находились в раннем восстановительном периоде ОНМК и поступали в отделение реабилитации спустя 1—6 мес после развития ишемического инсульта. Средний срок нахождения в отделении реабилитации составил 28,4±4,8 сут.

Пациенты были разделены на пять групп. В контрольной группе применялась базовая программа когнитивной реабилитации в виде перорального приема акатинола мемантина в стандартных дозировках в сочетании с курсом из 10 занятий продолжительностью 1 ч с медицинским психологом по классическим стимульным методикам А.Р. Лурии [34]. Остальные пациенты были разделены на четыре группы, в которых в дополнение к базовой программе когнитивной реабилитации, применявшейся в контрольной группе, использовали разные варианты курсового применения НСГМ, подтвердившие свою эффективность в восстановлении когнитивных функций у пациентов с синдромом ПИКН в ранних работах: фотохромотерапия (ФХТ) узкополосным оптическим излучением (УОИ) с длиной волны 530 нм (зеленый свет); ритмическая транскраниальная магнитная стимуляция (рТМС) низкоинтенсивным высокочастотным бегущим импульсным магнитным полем; инфракрасное излучение с длиной волны 1—56 мкм, модулированное терагерцевыми частотами (ИИМТ); биоакустическая коррекция (БАК) [14—17]. Все варианты НСГМ применяли в виде курса из 10 процедур, проводившихся через день.

В группе ФХТ применяли курсовое воздействие УОИ с длиной волны 530 нм (зеленый свет) трансорбитально по 2 мин на каждую глазницу при закрытых глазах пациента с мощностью излучения 90 мВт, а затем этим же излучением с аналогичной длиной волны воздействовали на шейно-воротниковую зону лабильно в течение 8 мин с мощностью излучения 120 мВт [14].

В группе рТМС применяли курсовое воздействие бегущим импульсным магнитным полем. Облучение проводили по битемпоральной методике с применением приставки «Оголовье». Использовали переменное реверсивное бегущее магнитное поле с величиной индукции магнитного поля 45 мТл, базовой частотой 50 Гц, частотой модуляции 10 Гц («частотное окно» для альфа-ритма) в течение 10 мин [15].

Пациентам группы ИИМТ применяли курсовое воздействие инфракрасным излучением с длиной волны 1—56 мкм, модулированным терагерцевыми частотами в диапазоне 0,086—7,5 мм (0,02—8 ТГц), с мощностью излучения 30 мВт и плотностью потока излучения 2,4 мВт/см². Излучатель устанавливали в проекции акупунктурной точки Бай-Хуэй (VG-20), соответствующей центральной теменной области, на расстоянии 10 см от поверхности кожи по авторской методике [16, 35]. Длительность одной процедуры составляла 22,5 мин.

В группе БАК выполняли курсовое физиотерапевтическое воздействие, которое заключалось в прослушивании больными акустических стимулов, предъявление которых было синхронизировано с собственной текущей электроэнцефалографией (ЭЭГ). Для этого проводили регистрацию ЭЭГ по 4 каналам в точках Fp1, Fp2, О1, О2, униполярно относительно объединенных ушных электродов с частотой дискретизации 250 Гц. По запатентованному разработчиками алгоритму создавали акустический образ собственной ЭЭГ путем программного согласования текущих параметров биоэлектрической активности головного мозга с параметрами предъявляемых акустических стимулов, которые пациент прослушивал в пассивном режиме в течение 15 мин [17].

Состав групп обследованных пациентов по полу и возрасту представлен в табл. 1. Из данных таблицы видно, что группы были сравнимы по возрасту и полу.

Таблица 1. Распределение обследованных пациентов по полу и возрасту

Критериями включения в исследование являлись: возраст старше 18 лет; наличие подтвержденного с помощью методов нейровизуализации ишемического инсульта головного мозга; наличие верифицированного медицинским психологом синдрома ПИКН, напрямую связанного с инсультом.

Критериями невключения служили: хронические сопутствующие заболевания в стадии обострения или декомпенсации; выраженные речевые нарушения; выраженная деменция; наличие в анамнезе когнитивных нарушений, предшествовавших развитию инсульта.

Количественную оценку когнитивных функций в динамике осуществляли по шкалам MMSE, FAB, Рощиной.

Характер ишемического повреждения головного мозга по типу глутаматергической эксайтотоксичности подтверждали путем определения в сыворотке крови пациентов антител к NR2-субъединице NMDA-рецептора, образующихся при разрушении рецептора в ответ на поступление в периферическую кровь его субъединиц, проходящих через гематоэнцефалический барьер. По данным литературы, эти антитела могут сохраняться выше нормального уровня (более 2,0 нг/мл) до 6 мес после ишемии головного мозга [32].

Для количественного определения антител к NR2-субъединице NMDA-рецептора глутамата в сыворотке крови использовали диагностические наборы для иммуноферментного анализа фирмы DRD (Россия). В основе анализа лежит «сэндвич»-вариант твердофазного иммуноферментного анализа. На первом этапе инкубации антитела из сыворотки реагируют с твердой фазой лунок микропланшета, покрытых NR2-пептидом. На втором этапе, после 3-кратной промывки планшета, специфические антитела, захваченные на микропланшете, реагируют со вторыми антителами — белком A, меченным пероксидазой хрена, с последующим образованием иммунокомплекса. После повторной 4-кратной промывки планшета количественное определение иммунокомплекса проводили с использованием субстрата ТМВ, реакция которого с белком A-HRP останавливается при добавлении стоп-реагента. Изменение окрашивания лунок планшета определяли по стандартной калибровочной кривой поглощения при длинах волн 450 и 630 нм на приборе ELx800 компании BioTek Instruments Inc. (США). Согласно инструкции к набору, у здоровых лиц содержание NR2-антител в сыворотке не превышает 2,0 нг/мл.

С целью оценки влияния применявшихся вариантов НСГМ на процессы нейропластичности изучали динамику концентрации в периферической крови ключевого маркера синаптической нейропластичности — мозгового нейротрофического фактора BDNF до и после завершения реабилитации.

Количественное определение BDNF в сыворотке крови проводили с помощью диагностических наборов для иммуноферментного анализа фирмы ChemiKine (США). В основе анализа лежит «сэндвич»-вариант твердофазного иммуноферментного анализа. На первом этапе инкубации BDNF из сыворотки крови реагируют с твердой фазой лунок микропланшета, покрытых мышиными моноклональными антителами к BDNF человека. На втором этапе, после 4-кратной промывки планшета, образованные на микропланшете комплексы реагируют с биотинилированными мышиными anti-BDNF моноклональными антителами. На третьем этапе, после повторной 4-кратной промывки планшета, к образовавшемуся комплексу добавляют раствор конъюгата, меченный пероксидазой хрена. После очередной 4-кратной промывки планшета количественное определение иммунокомплекса проводили с использованием субстрата ТМВ с последующей остановкой реакции при добавлении стоп-реагента. Изменение окрашивания лунок планшета определяли по стандартной калибровочной кривой поглощения при длине волны 450 нм на приборе ELx800 компании «BioTek Instruments Inc.» (США).

Исследование было одобрено на заседании Локального этического комитета ФГБОУ ВО СЗГМУ им. И.И. Мечникова (выписка из протокола №5 от 14.05.19).

Полученные данные анализировали с применением компьютерных программ Microsoft Excel 2010 (Microsoft, США) и Statistica for Windows 10 (StatSoft, США). Непрерывные количественные значения для малых выборок анализировали путем оценки парного T-критерия Вилкоксона, который расценивали как достоверный при уровне значимости p<0,05.

Результаты комплексной нейропсихологической оценки когнитивного статуса пациентов в динамике приведены в табл. 2. Как видно из данных табл. 2, во всех группах к окончанию курса реабилитационных мероприятий было зафиксировано достоверное улучшение когнитивных функций.

Таблица 2. Динамика показателей когнитивной сферы в обследованных группах (баллы)

Примечание. Здесь и в табл. 3: * — различие достоверно (p<0,05).

На следующем этапе исследования были проанализированы динамические изменения концентрации в сыворотке крови уровня антител к NR2-субъединице NMDA-рецептора, а также BDNF при поступлении и при выписке из отделения реабилитации. Результаты представлены в табл. 3. Значения концентрации антител к NR2-субъединице NMDA-рецептора во всех группах оставались стабильно выше нормальных значений (более 2 нг/мл) на протяжении всего курса реабилитации, что согласуется с данными литературы о сохранении их повышенного уровня до 6 мес после ишемического повреждения головного мозга [32, 33].

Таблица 3. Динамика лабораторных показателей в обследованных группах

Вместе с тем в обследованных группах пациентов отмечались характерные особенности в отношении динамики концентрации в периферической крови мозгового нейротрофического фактора BDNF. Так, в контрольной группе было выявлено достоверное (p<0,05) снижение его концентрации почти в 2 раза к окончанию курса реабилитации. В группах рТМС и ИИМТ также было зарегистрировано снижение концентрации BDNF в динамике, которое, однако, не достигало достоверного уровня.

В группе БАК практически не произошло снижения уровня BDNF, а в группе ФХТ имело место даже некоторое его повышение к окончанию проведения курса реабилитационных мероприятий.

Как уже упоминалось выше, в ответ на острую ишемию головного мозга резко повышается концентрация BDNF как в ткани головного мозга, так и в периферической крови, что является отражением активации синаптической нейропластичности, направленной на репарацию ишемического повреждения. Однако уже в начале раннего восстановительного периода наблюдается уменьшение уровня BDNF ниже базальных значений, что свидетельствует об истощении резервов активации нейропластичности. Рост или как минимум неснижение уровня BDNF в раннем восстановительном периоде может быть основой для повышения реабилитационного потенциала за счет активации нейротрофин-опосредованной нейропластичности, основного механизма нейрорепарации после ишемического инсульта.

Полученные в настоящей работе данные свидетельствуют о том, что присоединение НСГМ к стандартной программе когнитивной реабилитации обусловливает отсутствие выраженного снижения уровня BDNF после пикового повышения в острейшем периоде, что, в свою очередь, формирует «терапевтическое окно» для реализации терапевтических эффектов реабилитационных методов других модальностей.

В целом можно заключить, что, несмотря на положительные результаты когнитивной реабилитации как в традиционном варианте (сочетание лекарственной терапии и когнитивного тренинга), так и при дополнительном применении разных вариантов НСГМ, в последнем случае наблюдается отсутствие достоверного снижения уровня BDNF, что можно рассматривать как положительный фактор, способствующий повышению эффективности реабилитационных мероприятий за счет дополнительной активации нейротрофин-опосредованной синаптической нейропластичности. При этом наиболее эффективными в этом отношении, как следует из полученных данных, являются методики ФХТ и БАК.

Нежелательных явлений, возникших в ходе проведения настоящего исследования, не зафиксировано.

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что дополнительное применение в программе комплексной когнитивной реабилитации пациентов, перенесших ишемический инсульт и имеющих синдром ПИКН, разных вариантов НСГМ способствует повышению реабилитационного потенциала за счет активации нейротрофин-обусловленной синаптической нейропластичности.

Наибольшим эффектом в отношении активации постинсультной нейропластичности обладают методики ФХТ УОИ с длиной волны 530 нм (зеленый свет) и БАК.

Участие авторов: концепция и дизайн исследования — А.Е. Терешин, В.В. Кирьянова, Д.А. Решетник, К.В. Константинов, С.В. Лапин; выполнение лабораторных исследований — С.В. Лапин, А.Н. Мошникова; сбор и обработка материала — А.Е. Терешин, М.В. Карягина; статистическая обработка данных — А.Е. Терешин, К.В. Константинов, А.Н. Мошникова; написание текста — А.Е. Терешин; редактирование — В.В. Кирьянова, К.В. Константинов.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare that there is no conflict of interest.