Различия нейронной активности субталамических ядер при асимметричном проявлении болезни Паркинсона
- Авторы: Павловский Ф.Н.1, Гамалея А.А.2, Седов А.С.2
-
Учреждения:
- Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
- Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 671-674
- Раздел: Материалы конференции
- Статья получена: 15.11.2023
- Статья одобрена: 16.11.2023
- Статья опубликована: 15.12.2023
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/623407
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623407
- ID: 623407
Цитировать
Полный текст
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Доступ платный или только для подписчиков
Аннотация
Болезнь Паркинсона (БП) — распространённое заболевание, поиску биологических маркёров которого посвящено большое количество работ. Существуют разнообразные модели, предлагающие считать таковыми различные паттерны активности субталамического ядра (СТЯ), однако ни один из описанных на сегодняшний день маркёров не является однозначным. Существенным ограничением исследований на людях в этой области является отсутствие надёжной контрольной группы.
В свете этого отдельный интерес представляют пациенты с асимметричным проявлением моторных симптомов болезни Паркинсона. И.И. Коломан и А.Ш. Чимагомедова [1] показали, что, с одной стороны, асимметрия моторных нарушений отражает асимметрию дегенеративного процесса в чёрной субстанции, с другой — что, хотя дебют заболевания, как правило, односторонний, выраженная разница степени нарушений сохраняется по мере прогрессирования болезни лишь у небольшого числа пациентов.
В данной работе мы анализировали одиночную активность нейронов (single-unit activity, SUA) и локальный потенциал поля (local field potential, LFP), зарегистрированные при помощи микроэлектрода во время операций по вживлению электродов для глубинной стимуляции мозговых структур (deep brain stimulation, DBS). В исследование оказались включены 12 пациентов, у которых выраженность брадикинезии, ригидности и тремора, оценённая неврологом по шкале UPDRS 3, различалась между сторонами тела минимум на 25% по каждому перечисленному симптому. Длительность болезни на момент операции у этих пациентов составляла от 6 до 22 лет (медиана — 12). Субталамическое ядро, контрлатеральное стороне тела с более выраженными нарушениями, мы называем «аффектным», противоположное ядро («неаффектное») выступает условным контролем.
Для анализа зарегистрированные нейроны были поделены на 3 группы в соответствии с типом их активности — на тонические, пачечные и паузные — с помощью метода иерархической кластеризации на основе алгоритма Уорда [2]. Мы не обнаружили значимых различий в активности нейронов какого-либо отдельного кластера между полушариями, как и предсказанную классической моделью [3] работы базальных ганглиев гиперактивность нейронов «аффектного» СТЯ. Однако нам удалось показать, что в «аффектном» ядре значимо больше паузных нейронов и значимо меньше пачечных, притом, что нейроны обоих этих типов были локализованы в верхней половине СТЯ, считающейся моторной зоной ядра. Мы предполагаем, что по мере прогрессирования болезни часть нейронов СТЯ (пачечные в нашей выборке) меняют паттерн своей активности в сторону более ритмической активности (паузные в нашей выборке), что подтверждает гипотезу о связи ритмической активности нейронов СТЯ с болезнью Паркинсона [4].
LFP были проанализированы путём оценки синхронности осцилляций (o-scores) в нескольких спектральных диапазонах после вычитания апериодической компоненты сигнала (1/f). Традиционно с болезнью Паркинсона связывают увеличение мощности осцилляций в бета-диапазоне (13–30 Гц). Наши результаты показывают, что в «аффектном» ядре действительно повышена мощность осцилляций в низкочастотном бета-диапазоне (13–20 Гц), но в высокочастотной части (20–30 Гц) диапазона мощность, вопреки ожиданиям, была значимо ниже в «аффектном» ядре. Это согласуется с современной гипотезой о разной физиологической роли колебаний в этих поддиапазонах [5]. Кроме того, мы показали увеличение спектральной мощности в альфа-диапазоне (8–12 Гц) и уменьшение в гамма-диапазоне (30–60 Гц) в «аффектном» ядре.
Наши результаты позволяют предположить, что более ритмичный характер активности пачечных нейронов и увеличение количества паузных нейронов в моторной зоне СТЯ может рассматриваться как маркёр БП. Увеличение мощности колебаний в альфа- и низкочастотном бета-диапазонах на фоне уменьшения синхронизации в высокочастотном и гамма-диапазонах также могут быть связаны с этим расстройством, но их взаимосвязь с симптомами болезни требует дальнейшего изучения.
Полный текст
Болезнь Паркинсона (БП) — распространённое заболевание, поиску биологических маркёров которого посвящено большое количество работ. Существуют разнообразные модели, предлагающие считать таковыми различные паттерны активности субталамического ядра (СТЯ), однако ни один из описанных на сегодняшний день маркёров не является однозначным. Существенным ограничением исследований на людях в этой области является отсутствие надёжной контрольной группы.
В свете этого отдельный интерес представляют пациенты с асимметричным проявлением моторных симптомов болезни Паркинсона. И.И. Коломан и А.Ш. Чимагомедова [1] показали, что, с одной стороны, асимметрия моторных нарушений отражает асимметрию дегенеративного процесса в чёрной субстанции, с другой — что, хотя дебют заболевания, как правило, односторонний, выраженная разница степени нарушений сохраняется по мере прогрессирования болезни лишь у небольшого числа пациентов.
В данной работе мы анализировали одиночную активность нейронов (single-unit activity, SUA) и локальный потенциал поля (local field potential, LFP), зарегистрированные при помощи микроэлектрода во время операций по вживлению электродов для глубинной стимуляции мозговых структур (deep brain stimulation, DBS). В исследование оказались включены 12 пациентов, у которых выраженность брадикинезии, ригидности и тремора, оценённая неврологом по шкале UPDRS 3, различалась между сторонами тела минимум на 25% по каждому перечисленному симптому. Длительность болезни на момент операции у этих пациентов составляла от 6 до 22 лет (медиана — 12). Субталамическое ядро, контрлатеральное стороне тела с более выраженными нарушениями, мы называем «аффектным», противоположное ядро («неаффектное») выступает условным контролем.
Для анализа зарегистрированные нейроны были поделены на 3 группы в соответствии с типом их активности — на тонические, пачечные и паузные — с помощью метода иерархической кластеризации на основе алгоритма Уорда [2]. Мы не обнаружили значимых различий в активности нейронов какого-либо отдельного кластера между полушариями, как и предсказанную классической моделью [3] работы базальных ганглиев гиперактивность нейронов «аффектного» СТЯ. Однако нам удалось показать, что в «аффектном» ядре значимо больше паузных нейронов и значимо меньше пачечных, притом, что нейроны обоих этих типов были локализованы в верхней половине СТЯ, считающейся моторной зоной ядра. Мы предполагаем, что по мере прогрессирования болезни часть нейронов СТЯ (пачечные в нашей выборке) меняют паттерн своей активности в сторону более ритмической активности (паузные в нашей выборке), что подтверждает гипотезу о связи ритмической активности нейронов СТЯ с болезнью Паркинсона [4].
LFP были проанализированы путём оценки синхронности осцилляций (o-scores) в нескольких спектральных диапазонах после вычитания апериодической компоненты сигнала (1/f). Традиционно с болезнью Паркинсона связывают увеличение мощности осцилляций в бета-диапазоне (13–30 Гц). Наши результаты показывают, что в «аффектном» ядре действительно повышена мощность осцилляций в низкочастотном бета-диапазоне (13–20 Гц), но в высокочастотной части (20–30 Гц) диапазона мощность, вопреки ожиданиям, была значимо ниже в «аффектном» ядре. Это согласуется с современной гипотезой о разной физиологической роли колебаний в этих поддиапазонах [5]. Кроме того, мы показали увеличение спектральной мощности в альфа-диапазоне (8–12 Гц) и уменьшение в гамма-диапазоне (30–60 Гц) в «аффектном» ядре.
Наши результаты позволяют предположить, что более ритмичный характер активности пачечных нейронов и увеличение количества паузных нейронов в моторной зоне СТЯ может рассматриваться как маркёр БП. Увеличение мощности колебаний в альфа- и низкочастотном бета-диапазонах на фоне уменьшения синхронизации в высокочастотном и гамма-диапазонах также могут быть связаны с этим расстройством, но их взаимосвязь с симптомами болезни требует дальнейшего изучения.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Работа поддержана грантом РНФ № 22-15-00344.
Об авторах
Ф. Н. Павловский
Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: pnpavlovsky@gmail.com
Россия, Москва
А. А. Гамалея
Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко
Email: pnpavlovsky@gmail.com
Россия, Москва
А. С. Седов
Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко
Email: pnpavlovsky@gmail.com
Россия, Москва
Список литературы
- Коломан И.И., Чимагомедова А.Ш. Влияние асимметрии моторных симптомов на когнитивные функции при болезни Паркинсона // Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2020. Т. 120, № 10-2. С. 74–79. doi: 10.17116/jnevro202012010274
- Ward Jr J.H. Hierarchical grouping to optimize an objective function // Journal of the American statistical association. 1963. Vol. 58, N 301. P. 236–244. doi: 10.1080/01621459.1963.10500845
- DeLong M.R. Primate models of movement disorders of basal ganglia origin // Trends in Neurosciences. 1990. Vol. 13, N 7. P. 281–285. doi: 10.1016/0166-2236(90)90110-v
- Scherer M., Steiner L.A., Kalia S.K., et al. Single-neuron bursts encode pathological oscillations in subcortical nuclei of patients with Parkinson’s disease and essential tremor // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2022. Vol. 119, N 35. P. e2205881119. doi: 10.1073/pnas2205881119
- Oswal A., Cao C., Yeh C.H., et al. Neural signatures of hyperdirect pathway activity in Parkinson’s disease // Nature Communication. 2021. Vol. 12, N 1. P. 5185. doi: 10.1038/s41467-021-25366-0
Дополнительные файлы
