Нейрональные сигнатуры патологической активности бледного шара у пациентов с болезнью Паркинсона и дистонией
- Авторы: Седов А.С.1, Джалагония И.З.1, Филюшкина В.И.1, Усова С.В.1, Семёнова Ю.Н.1, Гамалея А.А.2, Томский А.А.2
-
Учреждения:
- Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
- Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 683-686
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/623411
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623411
- ID: 623411
Цитировать
Полный текст
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Доступ платный или только для подписчиков
Аннотация
Болезнь Паркинсона (БП) представляет собой гипокинетическое двигательное расстройство, характеризующееся брадикинезией, ригидностью, тремором и постуральной неустойчиваостью. Дистония — гиперкинетическое двигательное расстройство, отличающееся непроизвольными устойчивыми или прерывистыми мышечными сокращениями, вызывающими аномальные, часто повторяющиеся движения, позы или и то, и другое. Классическая функциональная модель базальных ганглиев предсказывает повышенную активность нейронов внутреннего сегмента бледного шара (GPi) при гипокинетическом двигательном расстройстве (болезнь Паркинсона) и сниженную активность при гиперактивном двигательном нарушении (дистония) [1, 2]. При этом известно, что в обоих случаях глубинная стимуляция (Deep Brain Stimulation, DBS) этой структуры даёт положительный клинический эффект. Этот парадокс на сегодняшний день остаётся неразрешённым и инициирует пласт новых исследований нейронных процессов, протекающих в ядрах базальных ганглиев, совершенствование моделей двигательного контроля, а также исследований влияния DBS стимуляции на активность мозга. Считается, что повышенная синхронизация бета-ритмов (13–35 Гц) у пациентов с болезнью Паркинсона отражает избыточное количество антикинетических тормозных моторных сигналов, в то время как повышенная синхронизация тета-, альфа-ритмов (4–12 Гц) связана с патологией дистонии [3, 4]. Несмотря на активное изучение частотной и пространственной синхронизации, функциональная роль этих ритмов в организации моторного контроля в норме и при двигательных патологиях остаётся неизвестной.
В работе мы сравнивали активность внутреннего и внешнего сегментов бледного шара (GPi и GPe) в группе пациентов с болезнью Паркинсона (БП) и в группе пациентов с генерализованной (ГД) и цервикальной (ЦД) дистонией: от отдельных нейронов до нейронных популяций. Микроэлектродная регистрация активности одиночных нейронов бледного шара проводилась во время 20 плановых нейрохирургических операций по имплантации электродов для глубинной стимуляции мозга (DBS) во внутренний сегмент бледного шара (GPi) у исследуемых пациентов. Мультиканальная (16 каналов) запись локальных потенциалов бледного шара была получена в послеоперационный период с временно выведенных электродов у 8 пациентов. Исследование одобрено этическим комитетом Центра нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. Анализ нейронной активности проводился с помощью разработанного нами ранее метода разделения активности нейронов на тонический, пачечный и паузный паттерны с помощью иерархической кластеризации [5]. Далее мы оценивали распределения паттернов и их основные количественные характеристики: средняя частота разрядов, коэффициент вариации межимпульсных интервалов, индекс асимметрии, индексы пачечности и паузности, процент пачечных разрядов, коэффициенты осцилляции и другие параметры. Для исследования локальных потенциалов (LFP) были применены методы спектрального анализа и количественной оценки колебательных процессов в различных частотных диапазонах. Был проведён анализ как периодических, так и апериодических (1/f) компонент локальных потенциалов, используя алгоритм параметризации спектра нейронного сигнала как комбинацию апериодических компонент и периодических осцилляторных пиков.
Мы показали, что текущая частота разрядов нейронов GPi значимо не различалась в исследуемых группах пациентов, при этом была обнаружена более тоническая нейронная активность со сниженными тета-, альфа-осцилляциями в группе пациентов с БП. Анализ распределения GPi нейронов показал значимое увеличение процента тонических клеток (11% — ГД, 15% — ЦД, 49% — БП) и уменьшение процента паузных нейронов (28% — ГД, 25% — ЦД, 11% — БП). Мы обнаружили, что группа пациентов с БП характеризовалась значимо (p <0,001) более высокой частотой разрядов тонических нейронов (33 имп/сек — ГД, 51 имп/сек — ЦД, 91 имп/сек — БП) и сниженной частотой разрядов пачечных нейронов (62 имп/сек — ГД, 68 имп/сек — ЦД, 56 имп/сек — БП). Применение алгоритмов машинного обучения для мультипараметрического анализа показало важность нелинейных характеристик нейронной активности, таких как дифференциальная энтропия, тета-осцилляции, индекс паузности и др., для классификации пациентов по типу заболевания. Активность нейронов внешнего сегмента бледного шара (GPe), а также активность GPi в области DBS стимуляции значимо не различались между исследуемыми группами пациентов.
Спектральный анализ локальных потенциалов показал значимое увеличение тета-активности и уменьшение альфа-, низкочастотной и высокочастной бета-активности обоих сегментов бледного шара в группе пациентов с дистонией по сравнению с БП. Метод случайного леса показал, что наиболее важными параметрами для классификации исследумых пациентов являются осцилляции в высокочастотном бета-диапазоне и наклон апериодической компоненты. Область DBS стимуляции характеризовалась высокой тета-, а также сниженной низкой бета-активностью и апериодической компонентой у пациентов с дистонией. В группе пациентов с БП мы не обнаружили значимых различий в области DBS стимуляции и за её пределами. Сравнение активности в области DBS стимуляции у исследуемых пациентов показало значимые различия тета- и бета-активности.
Полученные результаты свидетествуют о неоднородности нейроной орагнизации бледного шара, характеризующегося различными паттернами активности. Разнонаправленные изменения активности разного типа нейронов, различия представленности паттернов активности бледного шара, а также важность нелинейных характеристик согласуются как с частотной, так и с паттерновой моделями базальных ганглиев. Результаты анализа локальных потенциалов свидетельствуют о перераспределении как периодических, так и апериодических компонент активности бледного шара при двигательных нарушениях. Мы предполагаем, что именно комбинация этих компонент определяет патологию двигательных нарушений, а не увеличение осцилляций в одном диапазоне. Отсутствие различий нейронной активности в области стимуляции частично разрешает пародокс эффективности DBS стимуляции бледного шара при гипо- и гиперкинетических заболеваниях. Мы предполагаем, что для прогнозирования области стимуляции и клинического исхода необходимо использовать комплексных подход, учитывая сочетание линейных и нелинейных факторов одиночной активности нейронов, а также периодические и апериодические компоненты локальных потенциалов бледного шара.
Полный текст
Болезнь Паркинсона (БП) представляет собой гипокинетическое двигательное расстройство, характеризующееся брадикинезией, ригидностью, тремором и постуральной неустойчиваостью. Дистония — гиперкинетическое двигательное расстройство, отличающееся непроизвольными устойчивыми или прерывистыми мышечными сокращениями, вызывающими аномальные, часто повторяющиеся движения, позы или и то, и другое. Классическая функциональная модель базальных ганглиев предсказывает повышенную активность нейронов внутреннего сегмента бледного шара (GPi) при гипокинетическом двигательном расстройстве (болезнь Паркинсона) и сниженную активность при гиперактивном двигательном нарушении (дистония) [1, 2]. При этом известно, что в обоих случаях глубинная стимуляция (Deep Brain Stimulation, DBS) этой структуры даёт положительный клинический эффект. Этот парадокс на сегодняшний день остаётся неразрешённым и инициирует пласт новых исследований нейронных процессов, протекающих в ядрах базальных ганглиев, совершенствование моделей двигательного контроля, а также исследований влияния DBS стимуляции на активность мозга. Считается, что повышенная синхронизация бета-ритмов (13–35 Гц) у пациентов с болезнью Паркинсона отражает избыточное количество антикинетических тормозных моторных сигналов, в то время как повышенная синхронизация тета-, альфа-ритмов (4–12 Гц) связана с патологией дистонии [3, 4]. Несмотря на активное изучение частотной и пространственной синхронизации, функциональная роль этих ритмов в организации моторного контроля в норме и при двигательных патологиях остаётся неизвестной.
В работе мы сравнивали активность внутреннего и внешнего сегментов бледного шара (GPi и GPe) в группе пациентов с болезнью Паркинсона (БП) и в группе пациентов с генерализованной (ГД) и цервикальной (ЦД) дистонией: от отдельных нейронов до нейронных популяций. Микроэлектродная регистрация активности одиночных нейронов бледного шара проводилась во время 20 плановых нейрохирургических операций по имплантации электродов для глубинной стимуляции мозга (DBS) во внутренний сегмент бледного шара (GPi) у исследуемых пациентов. Мультиканальная (16 каналов) запись локальных потенциалов бледного шара была получена в послеоперационный период с временно выведенных электродов у 8 пациентов. Исследование одобрено этическим комитетом Центра нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. Анализ нейронной активности проводился с помощью разработанного нами ранее метода разделения активности нейронов на тонический, пачечный и паузный паттерны с помощью иерархической кластеризации [5]. Далее мы оценивали распределения паттернов и их основные количественные характеристики: средняя частота разрядов, коэффициент вариации межимпульсных интервалов, индекс асимметрии, индексы пачечности и паузности, процент пачечных разрядов, коэффициенты осцилляции и другие параметры. Для исследования локальных потенциалов (LFP) были применены методы спектрального анализа и количественной оценки колебательных процессов в различных частотных диапазонах. Был проведён анализ как периодических, так и апериодических (1/f) компонент локальных потенциалов, используя алгоритм параметризации спектра нейронного сигнала как комбинацию апериодических компонент и периодических осцилляторных пиков.
Мы показали, что текущая частота разрядов нейронов GPi значимо не различалась в исследуемых группах пациентов, при этом была обнаружена более тоническая нейронная активность со сниженными тета-, альфа-осцилляциями в группе пациентов с БП. Анализ распределения GPi нейронов показал значимое увеличение процента тонических клеток (11% — ГД, 15% — ЦД, 49% — БП) и уменьшение процента паузных нейронов (28% — ГД, 25% — ЦД, 11% — БП). Мы обнаружили, что группа пациентов с БП характеризовалась значимо (p <0,001) более высокой частотой разрядов тонических нейронов (33 имп/сек — ГД, 51 имп/сек — ЦД, 91 имп/сек — БП) и сниженной частотой разрядов пачечных нейронов (62 имп/сек — ГД, 68 имп/сек — ЦД, 56 имп/сек — БП). Применение алгоритмов машинного обучения для мультипараметрического анализа показало важность нелинейных характеристик нейронной активности, таких как дифференциальная энтропия, тета-осцилляции, индекс паузности и др., для классификации пациентов по типу заболевания. Активность нейронов внешнего сегмента бледного шара (GPe), а также активность GPi в области DBS стимуляции значимо не различались между исследуемыми группами пациентов.
Спектральный анализ локальных потенциалов показал значимое увеличение тета-активности и уменьшение альфа-, низкочастотной и высокочастной бета-активности обоих сегментов бледного шара в группе пациентов с дистонией по сравнению с БП. Метод случайного леса показал, что наиболее важными параметрами для классификации исследумых пациентов являются осцилляции в высокочастотном бета-диапазоне и наклон апериодической компоненты. Область DBS стимуляции характеризовалась высокой тета-, а также сниженной низкой бета-активностью и апериодической компонентой у пациентов с дистонией. В группе пациентов с БП мы не обнаружили значимых различий в области DBS стимуляции и за её пределами. Сравнение активности в области DBS стимуляции у исследуемых пациентов показало значимые различия тета- и бета-активности.
Полученные результаты свидетествуют о неоднородности нейроной орагнизации бледного шара, характеризующегося различными паттернами активности. Разнонаправленные изменения активности разного типа нейронов, различия представленности паттернов активности бледного шара, а также важность нелинейных характеристик согласуются как с частотной, так и с паттерновой моделями базальных ганглиев. Результаты анализа локальных потенциалов свидетельствуют о перераспределении как периодических, так и апериодических компонент активности бледного шара при двигательных нарушениях. Мы предполагаем, что именно комбинация этих компонент определяет патологию двигательных нарушений, а не увеличение осцилляций в одном диапазоне. Отсутствие различий нейронной активности в области стимуляции частично разрешает пародокс эффективности DBS стимуляции бледного шара при гипо- и гиперкинетических заболеваниях. Мы предполагаем, что для прогнозирования области стимуляции и клинического исхода необходимо использовать комплексных подход, учитывая сочетание линейных и нелинейных факторов одиночной активности нейронов, а также периодические и апериодические компоненты локальных потенциалов бледного шара.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-15-00487.
Об авторах
А. С. Седов
Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: alexeys.sedov@gmail.com
Россия, Москва
И. З. Джалагония
Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Email: alexeys.sedov@gmail.com
Россия, Москва
В. И. Филюшкина
Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Email: alexeys.sedov@gmail.com
Россия, Москва
С. В. Усова
Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Email: alexeys.sedov@gmail.com
Россия, Москва
Ю. Н. Семёнова
Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Email: alexeys.sedov@gmail.com
Россия, Москва
А. А. Гамалея
Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко
Email: alexeys.sedov@gmail.com
Россия, Москва
А. А. Томский
Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко
Email: alexeys.sedov@gmail.com
Россия, Москва
Список литературы
- Bergman H., Feingold A., Nini A. et al. Physiological aspects of information processing in the basal ganglia of normal and parkinsonian primates // Trends in Neurosciences. 1998. Vol. 21, N 1. P. 32–38. doi: 10.1016/s0166-2236(97)01151-x
- Nambu A., Chiken S., Shashidharan P., et al. Reduced Pallidal Output Causes Dystonia // Frontiers in Systems Neuroscience. 2011. Vol. 5. P. 89. doi: 10.3389/fnsys.2011.00089
- Geng X., Zhang J., Jiang Y., et al. Comparison of oscillatory activity in subthalamic nucleus in Parkinson’s disease and dystonia // Neurobiology of Disease. 2017. Vol. 98. P. 100–107. doi: 10.1016/j.nbd.2016.12.006
- Neumann W.-J., Horn A., Ewert S., et al. A localized pallidal physiomarker in cervical dystonia // Annals of Neurology. 2017. Vol. 82, N 6. doi: 10.1002/ana.25095
- Myrov V., Sedov A., Belova E. Neural activity clusterization for estimation of firing pattern // Journal of Neuroscience Methods. 2019. Vol. 311. P. 164–169. doi: 10.1016/j.jneumeth.2018.10.017
Дополнительные файлы
