Инженеры и нейробиологи из Университета Дьюка разработали метод измерения реакции отдельного нейрона на транскраниальную магнитную стимуляцию (ТМС) мозга. Прогресс поможет исследователям понять основные физиологические эффекты ТМС – процедуры, применяемой для лечения психических расстройств, – и оптимизировать ее использование в качестве терапевтического лечения.
TMS использует магнитные поля, создаваемые электрическими токами, проходящими через проволочную катушку, чтобы вызвать нервную активность в мозгу. Щелчком переключателя исследователи могут заставить руку двигаться или влиять на поведение. Этот метод давно используется в сочетании с другими методами лечения в надежде улучшить лечение состояний, включая депрессию и злоупотребление психоактивными веществами.
Хотя исследования продемонстрировали эффективность ТМС, физиологические механизмы этого метода давно утрачены в "черный ящик." Исследователи знают, что входит в лечение и какие результаты получаются, но не понимают, что происходит между ними.
Отчасти причина этой загадки кроется в сложности измерения нейронных реакций во время процедуры; сравнительно крошечная активность одного нейрона теряется в приливной волне тока, генерируемой TMS. Но новое исследование демонстрирует способ убрать пресловутый стог сена.
Результаты были опубликованы 29 июня в журнале Nature Neuroscience.
"На самом деле никто не знает, что ТМС делает внутри мозга, и, учитывая отсутствие информации, было очень сложно интерпретировать результаты исследований или сделать терапию более эффективной," сказал Уоррен Грилл, профессор биомедицинской инженерии, электротехники, вычислительной техники и нейробиологии в Duke. "Мы решили попытаться понять, что происходит внутри этого черного ящика, записывая активность отдельных нейронов во время доставки TMS у нечеловеческого приматы. Концептуально это была очень простая цель. Но технически это оказалось очень непросто."
Во-первых, Грилл и его коллеги из Duke Institute for Brain Sciences (DIBS) разработали новое оборудование, которое могло отделить ток TMS от нейронной реакции, которая в тысячи раз меньше. Однако как только это было достигнуто, они обнаружили, что их записывающий инструмент делает больше, чем просто записывает.
Магнитное поле TMS создавало электрический ток через электрод, измеряющий нейрон, что увеличивало вероятность того, что этот ток, а не TMS, вызывал нервную реакцию. Команда должна была охарактеризовать этот ток и сделать его достаточно маленьким, чтобы игнорировать.
Наконец, исследователи должны были учесть вибрации, вызванные большим током, проходящим через небольшую катушку провода устройства TMS – проблема дизайна сама по себе, потому что типичная катушка TMS слишком велика для головы нечеловеческого примата. Поскольку катушка физически соединена с черепом, вибрация давила на измерительный электрод.
Однако исследователи смогли компенсировать каждый артефакт и впервые заглянуть в черный ящик TMS. Они успешно зарегистрировали потенциалы действия отдельного нейрона в моменты после импульсов ТМС и наблюдали изменения его активности, которые значительно отличались от активности после лечения плацебо.
Гриль работал с Ангелом Петерчевым, доцентом кафедры психиатрии и поведенческих наук, биомедицинской инженерии, электротехники и компьютерной инженерии, над дизайном катушки. В команду также входили Майкл Платт, директор DIBS и профессор нейробиологии, и Марк Зоммер, профессор биомедицинской инженерии.
Они продемонстрировали, что эту технику можно воссоздать в разных лабораториях. "Таким образом, любая современная лаборатория, работающая с нечеловеческими приматами и электрофизиологами, может использовать тот же подход в своих исследованиях," сказал Гриль.
Исследователи надеются, что многие другие воспользуются их методом и используют его, чтобы выявить влияние ТМС на нейроны. Как только будет получено базовое понимание того, как TMS взаимодействует с нейронами в индивидуальном масштабе, его эффекты могут быть усилены, а терапевтические преимущества TMS увеличены.
"Все исследования ТМС были эмпирическими," сказал Гриль. "Вы можете посмотреть на эффекты и изменить катушку, частоту, продолжительность или многие другие переменные. Теперь мы можем начать понимать физиологические эффекты ТМС и тщательно составлять протоколы, а не полагаться на метод проб и ошибок. Я думаю, что именно в этом и будет заключаться реальная сила этого исследования."