Люди с болезнью Паркинсона и их врачи сталкиваются со многими неизвестными, в том числе с ответом на то, как именно глубокая стимуляция мозга (DBS) облегчает некоторые двигательные симптомы, которые испытывают пациенты. В новом исследовании ученые из Бостонского университета и Института обучения и памяти Пикауэра в Массачусетском технологическом институте представили подробную модель, объясняющую основную динамику цепи, предоставляя объяснение, которое, если оно будет подтверждено экспериментально, могло бы еще больше улучшить терапию.
Среди вещей, которые известны о болезни Паркинсона, это то, что дефицит нейромодулятора дофамина связан с аномально высокими ритмами бета-частоты (мозговые волны с частотой около 20 Гц). DBS, включающий доставку высокочастотной электрической стимуляции в область, называемую субталамическим ядром (STN), по-видимому, подавляет эти повышенные бета-ритмы, восстанавливая более здоровый баланс с другими частотами ритма и улучшая контроль движений.
Новая вычислительная модель , основанная на биофизике, описанная в Proceedings of the National Academy of Sciences , утверждает, что благотворное влияние DBS возникает из-за того, как она прерывает порочный круг, способствующий неуправляемому бета-тестированию в контурной петле между STN и областью, называемой полосатым телом. В 2011 году соавтор исследования Мишель Маккарти, доцент кафедры математики и статистики BU, использовала математические модели, чтобы показать, как в отсутствие дофамина в стриатуме может возникать неконтролируемая бета-активность из-за чрезмерного возбуждения среди обитающих в стриатуме клеток, называемых средними. шипиковые нейроны (МСН).
Модель, разработанная постдоком Института Пикауэра Эли Адамом, основана на открытии Маккарти. К Адаму и Маккарти присоединились соавторы Эмери Н. Браун, Эдвард Худ Таплин, профессор медицинской инженерии и вычислительной неврологии в Массачусетском технологическом институте, и Нэнси Копелл, заслуженный профессор математики и статистики Уильяма Фэйрфилда Уоррена в BU. Работа квартета утверждает, что в здоровых условиях, с адекватным уровнем дофамина, клетки полосатого тела, называемые интернейронами с быстрыми импульсами (FSI), могут производить ритмы гамма-частоты (30-100 Гц), которые регулируют бета-активность MSN. Но без дофамина FSI не могут ограничить активность MSN, и бета начинает доминировать во всей петле цепи, соединяющей STN с FSI, с MSN, с другими областями, а затем обратно с STN.
«Гамма FSI важна для контроля над бета-версией MSN, — сказал Адам. «Когда уровень дофамина падает, MSN могут производить больше бета, а FSI теряют способность производить гамма для подавления этой бета, поэтому бета выходит из-под контроля. Затем FSI бомбардируются бета-активностью и сами становятся проводниками для бета, что приводит к его усиление».
Модель показывает, что когда высокочастотная стимуляция DBS применяется к STN, это заменяет подавляющий бета-вход, полученный FSI, и восстанавливает их возбудимость. Оживленные и освобожденные от этих бета-оков, интернейроны возобновляют производство гамма-колебаний (примерно на половине частоты стимуляции DBS, обычно на частоте 135 Гц), которые затем подавляют бета-активность MSN. Поскольку MSN больше не производят слишком много бета-сигнала, петля, ведущая обратно к STN, а затем к FSI, больше не зависит от этой частоты.
«DBS останавливает бета-излучение от распространения к FSI, чтобы оно больше не усиливалось, а затем, дополнительно возбуждая FSI, восстанавливает способность FSI производить сильные гамма-колебания, которые, в свою очередь, подавляют бета-излучение в его источнике», — сказал Адам.
Модель показывает еще одну важную морщину. В нормальных условиях разные уровни дофамина помогают формировать гамму, производимую FSI. Но FSI также получают информацию от коры головного мозга. При болезни Паркинсона, когда дофамин отсутствует, а бета становится доминирующей, FSI теряют свою регулирующую гибкость, но при DBS, с нарушенным бета-доминированием, FSI могут вместо этого модулировать вход из коры даже при отсутствии дофамина. Это позволяет им регулировать гамму, которую они предоставляют MSN, и обеспечивать гармоничное выражение бета-, гамма- и тета-ритмов.
По словам авторов, предоставляя глубокое физиологическое объяснение того, как работает DBS, исследование может также дать клиницистам подсказки о том, как заставить его работать лучше для пациентов. Ключевым моментом является нахождение оптимальных гамма-ритмов FSI, которые могут немного варьироваться от пациента к пациенту. Если это можно определить, то настройка частоты стимуляции DBS для продвижения этого гамма-излучения должна обеспечить наилучшие результаты.
Однако прежде чем это можно будет проверить, фундаментальные выводы модели необходимо подтвердить экспериментально. По словам авторов, модель делает прогнозы, необходимые для продолжения такого тестирования.