4. Решение задач по экспериментальной разработке метода

4. Решение задач по экспериментальной разработке метода
транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга
4.1. Определение путей тока в мозге для определения оптимального положения электродов.
Попытки изучить пути тока в мозге делались в связи с желанием изучить механизм
электронаркоза. Эти попытки можно разделить на 2 группы. В первой из них использовалось математическое или компьютерное моделирование путей тока в мозге, основанное на
довольно грубых аппроксимациях импедансных характеристик тканей мозга и черепа [1].
Однако стало ясным, что импеданс тканей мозга является весьма гетерогенным, и это создало непреодолимые сложности для моделирования. Во второй группе исследований был
использован экспериментальный метод. В ткань мозга через отверстия в черепе в разных
точках вводили электроды для измерения разности потенциалов, междуэлектродного сопротивления и тока [2]. Однако введение металлических проводников в ткань мозга и ее
травматизация вызывала существенные искажения в реальную картину распределения тока в мозге.
Нами впервые (совместно с Институтом Биомедицинской Инженерии Торонтского
Университета) пути тока в мозге при транскраниальных электрических воздействиях были
определены неинвазивно методом ядерно-магнитно-резонансной томографии [3, 4]. Реконструкция путей тока производилась на основе послойного определения плотностей тока в структурах мозга кролика. Показано, что только сагиттально направленный ток (расположение электродов лоб - затылок или лоб - сосцевидные отростки) может достигать
структур защитных механизмов мозга.
Рис.1. Схема внутричерепных путей тока при ТЭС (сагиттальное расположение электродов).
-2Как показано на Рис. 1, при таком положении электродов ток к структурам защитных
механизмов мозга (вентральные ядра гипоталамуса, околоводопроводное серое вещество,
ядра шва)поступает по цистернальному и внутрижелудочковому путям. При билатеральном расположении электродов (сосцевидный отросток - сосцевидный отросток) ток к
структурам защитных механизмов мозга не поступает. Это показали также и сравнительные испытания аппарата «Neurotone» (США), при проверке которого обезболивающего
эффекта получено не было.
Публикации
[1]. Rush S., Driscvoll D.A.
Current distribution in the brain from surface electrodes. Anesth. Analg., 1968, v. 47, N 6, p.717-723.
[2]. Reynolds D.V., Loram J.S., Sjoberg A.E.
Voltage distribution in the brain during diffusely applied electric current in the monkey. In: Neuroelectric Research. Reynolds D.V., Sjoberg A.E. (eds.), Springfield, 1971, p. 290-299.
[3]. Joy M.L.G., Lebedev V.P, Gatti J.S.
Current density in sections through rabbit brain. 2nd SMR Meeting, Berkely, 1994, v. 3, p.1404
[4]. Joy M.L.G., Lebedev V.P, Gatti J.S.
Imaging of the current density and current pathways in rabbit brain during transcranial electrostimulation. Trans. Biomed. Engineering, 1999, v. 46, N 9, p. 1139-1149.
-3-
4.2. Выбор оптимальных параметров тока транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга.
Выбор оптимальных параметров тока осуществлялся методом скрининга, который
выполнялся на ряде экспериментальных моделей. Поскольку одним из основных эффектов активации защитных механизмов мозга является обезболивание, для скрининга были
использованы разные модели боли с возможностью количественного учета интенсивности
болевой реакции.
Таблица 5.
Экспериментальные модели болевых реакций для выявления оптимального анальгетического эффекта транскраниальной электростимуляции
Тип болевого
Модели боли
Объекты изучения
Виды болевых реакций
стимула
мышь
вокализация
кошка
вокализация,
подъем АД
моторное избегание,
подъем АД
подъем АД
собака
подъем АД
собака
моторное избегание
человек (доброволец)
словесный отчет
черепаха
моторное избегание
электрический
кролик
моторное избегание
термический
кролик
моторное избегание
механический
человек (доброволец)
словесный отчет
крыса
электрический
Острая
боль
механический
термический
Толерантность
к боли
кролик
Важно подчеркнуть, что в скрининговых экспериментах модели боль воспроизводилась на разных объектах и оценивалась с помощью эмоциональных, двигательных и вегетативных реакций на боль (Таблица 5).
В Таблице 6 представлены формы и временные характеристики импульсов, изученные
в наших экспериментах. Исследовались эффекты непрерывной серии импульсов разной
формы и непрерывной серии пачек импульсов. Для непрерывной серии импульсов указа
ны пределы и ступени изменения частоты и длительности, для пачек – их частоты и длительности, а также временные характеристики импульсов, образующих пачку.
-4Таблица 6.
Формы и временные характеристики импульсов, изученных в скрининговых экспериментах (толерантность к термической боли) для выявления оптимальных режимов транскраниальной электроанальгезии
1. Непрерывная серия импульсов
Длительность
(мсек)
Частота (Гц)
Форма импульса
Пределы
Ступени
Пределы
Ступени
40 -100
1-5
0.1- 5.0
0.05
100 - 3500
10 - 50
0.1 - 1.0
0.1
40 - 250
10
0.1 - 1.0
0.2
Комбинация
с постоянным
током
Да
Нет
Да
Нет
Да
40 - 250
10
0.1 - 1.0
0.2
Нет
2. Непрерывная серия пачек импульсов
Частота
Вид импульсов
внутри пачки
Длительность
Пачек
Внутри
пачки
Пачек
Внутри
пачки
70-80 Гц
10-250
кГц
3.5-4.0 мсек
50.0-2.0
мксек
180
кГц
3.0-4.0 мсек
70, 84, 100 Гц
Токи Лиможа
2.0 мксек
Комбинация
с постоянным
током
Да
Нет
Нет
Основные закономерности были выявлены уже при скрининговом изучении непрерывной серии импульсов. Эти закономерности фактически стали основополагающими для
всех наших последующих исследований.
Они состоят в следующем :
1. Выраженный эффект ТЭС (анальгезия) возникает только при использовании прямоугольных импульсов.
2. Оптимальная длительность импульсов составляет около 3,5 мсек.
3. Выраженный эффект ТЭС (анальгезия) возникает в узком диапазоне частот (60-80
гц). Частота является видоспецифичной, но зависимость «частота – эффект» во
всех случаях носит квазирезонансный характер, и отклонение для каждого вида в
пределах даже 5% от оптимальной частоты практически устраняет эффект.
-5Квазирезонансная зависимость иллюстрируется рис. 2.
Рис. 2. Зависимость анальгетического эффекта ТЭС от частоты прилагаемых
прямоугольных импульсов
Применительно к первой части Таблицы 6 важно также отметить роль дополнительной постоянной составляющей (ДПС), которая зависит от типа стабилизации выходных
параметров. При их стабилизации по напряжению ДПС отчетливо усиливает эффект, т.к.
уменьшает искажения прямоугольной формы действующих импульсов. При стабилизации
выхода по току роль ДПС не так важна.
Хотя основные закономерности были определены экспериментально на моделях боли
[1, 2, 3], но они были многократно подтверждены в экспериментальных исследования на
моделях вазомоторных рефлексов, заживления кожных ран, торможения опухолевого роста и в клинических наблюдениях при лечении болевых синдромов и алкогольной абстиненции (см. Раздел 6).
Замена прямоугольных импульсов пачками более коротких импульсов (вторая часть
Таблицы 6) была направлена на уменьшение местного раздражающего эффекта под электродами. Нужно подчеркнуть, что анальгетический эффект пачек наблюдался только при
условии сохранения их соответствия длительности и частоты прямоугольных импульсов.
При этом такое воздействие было существенно более эффективным по сравнению с токами Лиможа, реализуемыми аппаратом “Anesthelek” [4].
Дальнейшее уменьшения местного действия было получено при применении ассиметричных биполярных импульсов оптимальной частоты, а также использованием стохастической частотной модуляции в пределах полувысоты квазирезонансной кривой (± 2 Гц) [5,
6].
Все эти данные, полученные в эксперименте и клинике, положены в основу разработок аппаратов для транскраниальной электростимуляции моделей ТРАНСАИР и ЭТРАНС
[7].
-6Публикации
[1]. Лебедев В.П., Кацнельсон Я.С., Леоско В.А., Барановский А.Л., Шлемис Г.И.
Наркоз лабораторных животных, достигаемый сочетанным воздействием постоянного и импульсного токов. Физиолог. журн. СССР им. И.М.Сеченова,1983, т. 68, № 8, с.1120-1123.
[2]. Лебедев В.П., Кацнельсон Я.С., Леоско В.А., Барановский А.Л., Шлемис Г.И.
Способ общего электрообезболивания. Авторское св-во СССР, 1983, №1054543.
[3]. Лебедев В.П., Савченко А.Б., Фан А.Б., Жиляев С.Ю.
Транскраниальная электроанальгезия у крыс: оптимальный режим электрических воздействий. Физиолог. журн. СССР им. И.М.Сеченова,1988, т. 74, № 8, с.10941101.
[4]. Ковалев М.Г.
Сравнительное экспериментальное изучение анальгетического эффекта нового метода
транскраниального электровоздействия и метода Лиможа. Тез. докл. конф. «Новый метод
транскраниального электрообезболивания». Л., 1987. с.11-12.
[5]. Лебедев В.П., Малыгин А.В.
Патент РФ № 2159639 на изобретение "Способ транскраниальной электростимуляции эндорфинных механизмов мозга и устройство для его осуществления" с приоритетом от 27 ноября 1999.
[6]. Малыгин А.В., Евсеев Е.А.
Транскраниальная электростимуляция: исследование метода и совершенствование аппаратуры. Тез. I Междунар. Конгресса «Новые медицинские технологии», СПб, 2001 , с. 121-122.
[7]. Лебедев В.П.
Транскраниальная электростимуляция: новый подход. Журн. Мед. Техника, 1997, № 2, с.7-13.
4.3. Доказательства
селективного
активирующего
воздействия
транскраниальной электростимуляции на эндорфинергические и серотонинергические структуры защитных механизмов мозга
4.3.1.
Картирование областей мозга, активированных транскраниальной элек-
тростимуляцией
Картирование осуществлялось двумя методами – с помощью аудорадиографии с [14C]деоксиглюкозой [1, 2] и иммуноцитохимически по экспрессии С-FOS [2, 3]. Оба метода
дают представление о локализации групп возбужденных нейронов, причем первый – по
усилению углеводного обмена, второй – по экспрессии протоонкогена, вызванного избыточной деполяризацией мембраны нейронов.
Оба метода дали совпадающие результаты: транскраниальная электростимуляция селективно активирует структуры защитных механизмов мозга и устраняет явления активации, вызванные болью или стрессом. Это положение иллюстрируется Рис. 3, где показано
уменьшение активации структур мозга, связанных с восходящим проведением болевой
импульсации (релейные ядра продолговатого мозга и таламуса, соматосенсорная кора) с
одновременной активацией такой определяющей для защитных механизмов мозга структуры, как околоводопроводное серое вещество.
-7-
Рис. 3. Схема сагиттального среза мозга крысы с областями поглощения [14C]деоксиглюкозы.
Pain – Эффект болевой стимуляции. Pain + TES - Влияние ТЭС на эффект болевой стимуляции. 1 – соматосенсорная кора, 2 – релейные ядра таламуса,
3 - релейные ядра продолговатого мозга, 4 – околоводопроводное серое вещество
Таким образом, с помощью картирования показано, что активация нейронов мозга,
формирующих защитные механизмы, происходит при транскраниальной электростимуляции (в оптимальном режиме и при оптимальном расположении электродов) в достаточной степени селективно.
Публикации
[1]. Лебедев В.П., Айрапетов Л.Н., Кацнельсон Я.С., Савченко А.Б., Петряевская Н.В.
Активации антиноцицептивной системы мозга при транскраниальной электроанальгезии и
роль опиоидных и других медиаторных механизмов в формировании этого эффекта. Тез. докл.
конф. «Новый метод транскраниального электрообезболивания». Л., 1987. с.12-14.
[2]. Lebedev V.P., Glushcenko T.S., Malygin A.V., Krassioukov A.V., Joy M.L.G., Kozlowski G.P.
Transcranial electroanalgesia: study of mechanisms and safety by magnetic resonance imaging, [ 14C]
– Deoxyglucose autoradiography and C-FOS immunocytochemistry. Abstr. 4th Int. Congr. “Paradigm of
pain”. Jerusalem, 1994, p. 14.
[3]. Лебедев В.П., Козловски Дж.П.
Транскраниальная электростимуляция угнетает вызванную стрессом экспрессию C-FOS в отдельных областях мозга крыс. В сб.: Транскраниальная электростимуляция. Экспериментальноклинические исследования. СПб, 1998, с. 163-182.
4.3.2. Активация эндорфинергических и серотонинергических структур защитных механизмов мозга
Для определения активации эндорфинергических и серотонинергических структур
были использованы общепринятые критерии:
-81. Существенный рост концентрации данного медиатора во время и после воздействия ТЭС.
2. Отмена эффектов ТЭС введением блокаторов мембранных рецепторов данного медиатора.
3. Усиление эффектов ТЭС с помощью введения прекурсов данного медиатора или
угнетения ферментов его деградации.
Конкретные доказательства участия этих нейрохимических механизмов в эффектах
ТЭС представлены в Таблице 7, рис.4 и 5.
Таблица 7.
Доказательства участия эндорфинергических и серотонинергических структур в эффектах ТЭС
Эффекты ТЭС
Показатели
Эндорфинергические
Серотонинергические
структуры
структуры
Концентрация
в
спинно- Увеличение β-эндорфина
Увеличение серотонина
мозговой жидкости
и мет-энкефалина
Метерголин,
Отмена блокаторами
Налоксон
5, 7 - дигидрокситриптамин
d-аминокислоты (ингибиторы Различные типы
Потенцирование
энкефалиназы)
5-HT агонистов
Перекрестная
Морфин
–––
толерантность
Влияние ТЭС с выработанным режимом на эндорфинергические механизмы демонстрируется результатами исследований, в которых показано существенное увеличение
концентрации -эндорфина в структурах мозгового ствола, дорсальных рогах спинного
мозга, в спинномозговой жидкости и крови), а также мет-энкефалина - в спинномозговой
жидкости (радиоиммунохимические исследования) [1–5]. Максимальное увеличение концентрации -эндорфина наблюдалось при воздействиях с параметрами, совпадающими с
точками квазирезонанса ТЭС – 70 Гц для животных (крысы) и 77 Гц для человека (рис. 4).
-9Рис. 4. Концентрации β-эндорфина в плазме крыс (А) и добровольцев (В) в зависимости от частоты импульсов при ТЭС.
Уровень серотонина (5-НТ) в спинномозговой жидкости также повышался. Эффекты
ТЭС устранялись антагонистами серотониновых рецепторов 5,7-дигидрокситриптамином,
метерголином. Потенцирование эффектов ТЭС вызывалось прекурсорами 5-НТ, ингибиторами моноаминоксидазы и триптофанпирролазы (уменьшение утечки 5-НТ-прекурсора
по кинурениновому пути) и ингибиторами обратного захвата серотонина [5-7]. Схема исследований влияния ТЭС на серотонинергические структуры защитных механизмов мозга
представлена на рис. 5.
- 10 Рис. 5. Схема исследований
влияния ТЭС (TES) на серотонинергические структуры
(ядра шва – NR) защитных
механизмов мозга (ЗММ).
ЗММ связаны последовательно с эндорфинергическими cтруктурами (Op) в околоводопроводном сером веществе (PAG). Антагонисты: блокаторы рецепторов, выделения и
серотонина – Metergoline, 5,7-DHT. Aгонисты: прекурсоры серотонина – L-TRP, L-5OHTP; блокатор утечки прекурсора по кинуренинового пути - Milurit; ингибитор фермента распада серотонина – Niamid; обратного захвата Imipramine
Изучение участия серотонинергического механизма в эффектах ТЭС открывает важный путь для их потенцирования, поскольку вещества, влияющие на этот механизм, в отличие от опиоидергических, не обладают наркотическим потенциалом. В настоящее время
потенцирование противоболевого эффекта ТЭС с помощью антидепрессантов, блокирующих обратный захват серотонина, с успехом используется для лечения мигрени и других
головных болей [8, 9], а также фибромиалгии [10, 11].
Другие нейрохимические механизмы антиноцицептивной системы - холинергические
и ГАМК-ергические в меньшей степени участвуют в реализации эффектов ТЭС [12].
- 11 Публикации
[1]. Айрапетов Л.Н., Зайчик А.Ш., Трухманов М.С., Лебедев В.П., Кацнельсон Я.С.,
Сорокоумов В.А и др.
Об изменении уровня β-эндорфина в мозге и спинномозговой жидкости при транскраниальной электроанальгезии. Физиол. журн. СССР им. И.М.Сеченова, 1985, т. 71, № 1, с. 56-63.
[2]. Лебедев В.П., Савченко А.Б., Петряевская Н.В.
Об опиатном механизме транскраниальной электроанальгезии крыс и мышей. Физиол. журн.
СССР им. И.М.Сеченова, 1988, т. 74, № 9, с. 1249-1255.
[3]. Лебедев В.П., Савченко А.Б., Кацнельсон Я.С., Красюков А.В., Петряевская Н.В.
Об опиатном механизме транскраниальной электроанальгезии. В сб.: Транскраниальная электростимуляция. Экспериментально-клинические исследования. СПб, 1998, с. 91-105.
[4]. Grinenko A.Ya., Krupitski E.M., Lebedev V.P. et al.
Metabolism of biogenic amines during the treatment of alcohol withdrawal syndrome by transcranial
electric treatment. Biogenic Amines, 1988, v.5, N 6, p. 472-486.
[5]. Lebedev V.P., Savchenko A.B.
Transcranial electroanalgesia: participation of the serotoninergic mechanisms. Abst. 23th Annu.
Meeting of Soc. for Neurosci., 1994, v.2, p. 16.
[6]. Лебедев В.П., Савченко А.Б., Отеллин В.А., Кучеренко Р.П.
Участие серотонинового звена в механизме транскраниальной электроанальгезии. Физиол.
журн. СССР им. И.М.Сеченова, 1995, т. 81, № 10, с. 36-43.
[7]. Лебедев В.П., Савченко А.Б., Ноздрачев А.Д.
Модуляция транскраниальной электроанальгезии воздействием на серотонинергическую систему мозга. Докл. РАН, 1996, т.347, № 2, 275-277.
[8]. Скоромец А.А., Игнатов Ю.Д., Амелин А.В., Лебедев В.П., Гончар М.А., Тумелевич Б.Ч.
Транскраниальная электростимуляция, антидепрессанты и их комбинация при межприступном лечении мигрени. Мат-лы междунар. конгресс «Новые медицинские технологии». СПб, 2001,
с. 12-15.
[9]. Гончар М.А.
Сочетанное применение транскраниальной электростимуляции и антидепрессантов при лечении мигрени. Автореф. канд. дисс., СПб, 2002, 21 с.
[10]. Lebedev V.P., Rybak V. A.
Effective treatment of drug resistant fybromyalgia by uninvasive transcranial electrostimulation of
the brain endorphinergic structures. J. Musculoskeletal Pain, 1998, v. 6, p.151.
[11]. Рыбак В.А.
Неорганические генерализованные болевые синдромы: формирование, клиника, лечение. Автореф. докт. дисс., Москва, 2002, 42 с.
[12]. Савченко А.Б., Павлюченкова М.О.
Изучение ГАМК-ергического и холинергического звеньев в нейрохимическом механизме
трансраниальной электроанальгезии. В сб.: Транскраниальная электростимуляция. Экспериментально-клинические исследования. СПб, 1988, с. 126-128.
4.4. Заключение по результатам экспериментальной разработки метода
транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга
1. На основании применения принципов доказательной медицины разработаны пути
создания метода неинвазивной транскраниальной электростимуляции защитных
(антиноцицептивных) механизмов мозга.
- 12 2. На основании этих принципов с использованием самых современных методов исследования разработан метод неинвазивной транскраниальной электростимуляции
защитных (антиноцицептивных) механизмов мозга, выявлены их квазирезонансные
свойства и доказана возможность их селективной активации.
3. Созданы научно обоснованные предпосылки для создания аппаратуры, реализующий метод ТЭС-терапии в лечебной практике.