Применение интерфейса "мозг-компьютер" в реабилитации пациентов с моторными нарушениями после перенесенного инсульта

Острое нарушение мозгового кровообращения (ОНМК) занимает одну из лидирующих позиций в структуре заболеваемости, смертности и утраты трудоспособности населения не только в Российской Федерации, но и во всем мире. Двигательные расстройства различной степени выраженности являются частым следствием перенесенного ОНМК [1, 2]. Моторные нарушения верхней конечности развиваются у 80 % выживших после инсульта пациентов, у 40 % из них они сохраняются пожизненно [3, 4]. Данный дефицит значительно снижает не только повседневную активность пациентов, но и в совокупности с другими последствиями ОНМК оказывает серьезное влияние на качество жизни больных.

Центральный парез после инсульта возникает как следствие поражения коркового мотонейрона или кортикоспинального тракта на уровне головного или спинного мозга [5, 6]. Поражение центрального мотонейрона приводит к снижению тормозных влияний на альфа-мотонейроны и на интернейроны, что влечет за собой увеличение числа импульсов и расстройство их возбудимости в ответ на растяжение мышц [7]. Длительное (более одного месяца) сохранение пареза после инсульта приводит к структурным изменениям сегментарного аппарата спинного мозга, в частности к укорочению дендритов альфа-мотонейронов и разрастанию (спрутингу) афферентных волокон [8]. Данные изменения клинически проявляются в виде мышечной слабости в конечностях, спастичности, повышения глубоких и появления патологических рефлексов, потери ловкости и контроля за движениями [9, 10].

Восстановление и компенсация нарушенных функций нервной системы осуществляются в большей степени за счет механизмов нейропластичности. В данных механизмах участвуют не только нейроны и их отростки, но и глиальные элементы, сосудистая система. Кроме того, изменяется функциональная активность синапсов и их количество, протяженность и конфигурация активных зон, происходит формирование новых синапсов [11]. Для активации данных механизмов восстановления у больных после инсульта в рамках медицинской реабилитации проводится двигательная реабилитация. Данный вид реабилитации ставит перед врачом и пациентом следующие цели: насколько возможно раннее начало реабилитационных мероприятий, мульти- и междисциплинарный подход к ней, активное вовлечение пациента в процесс, регулярность и адекватная для пациента нагрузка с одновременным привлечением различных видов восстановительного лечения [12, 13].

К базовым методам лечения двигательных нарушений после перенесённого инсульта относят ЛФК (лечебная гимнастика, пассивная гимнастика, лечебный массаж), эрготерапию и терапию, вызванную ограничением движения (CIMT). Однако в последнее десятилетие все чаще рассматривается вопрос о внедрении высокотехнологичных аппаратных методов реабилитации в стандарт восстано- вительных процедур. Данные методы позволяют максимально активизировать процессы нейропластичности [14, 15], обеспечить активное участие пациента и высокую интенсивность тренировок в различные восстановительные сроки, снизив нагрузку на медицинский персонал. К ним относят транскраниальную магнитную стимуляцию, аппаратную реабилитацию с применением различных роботизированных и механотерапевти-ческих устройств, технологии виртуальной реальности [16–18].

Все чаще обсуждается применение нейроинтерфейсов по типу «мозг-компьютер» (ИМК) как средства коммуникации между пациентом и техническими устройствами, позволяющего пациенту взаимодействовать с ними при помощи собственных сигналов активности головного мозга, получая обратную связь в виде зрительной или тактильной информации [19, 20]. Ответ может быть представлен в абстрактной форме (например, движущийся курсор на экране компьютера), в форме воплощенной обратной связи (например, визуальные представления частей тела участника над виртуальным аватаром на экране компьютера) или в виде соматосенсорных ощущений через роботизированные, тактильные или нейромышечные системы электрической стимуляции, воспроизводящие предполагаемое движение [21].

Выделяют инвазивные и неинвазивные способы реабилитации с помощью ИМК. В инвазивных электроды расположены на поверхности мозга (электрокортикография) или имплантированы в кору (микроэлектрод-ные матрицы). Данные интерфейсы обладают высокой разрешающей способностью и позволяют не только анализировать активность нейронов, но и локально стимулировать нервную ткань, осуществляя передачу сигналов обратной связи в мозг. Основными недостатками данного типа, помимо значительных финансовых затрат, являются зарастание вживленных микроэлектродов соединительной тканью и риск развития инфекционных осложнений после нейрохиругической операции по вживлению [22].

В неинвазивных ИМК электроды располагают на коже головы.

Контроль над использованием ИМК осуществляется с помощью современной нейрофизиологической аппаратуры. Электрофизиологическая активность мозга может оцениваться методами электроэнцефалографии (ЭЭГ), магнитоэнцефалографии (МЭГ), ближней инфракрасной спектроскопии путем измерения изменения концентрации окисленного и восстановленного гемоглобина (БИРС) [23, 24]. Наиболее распространены неинвазивные ИМК, основанные на регистрации ЭЭГ. Их использование не требует специальных медицинских показаний, кроме того, они дешевы, компактны и транспортабельны. Электромиографическая активность, движения головы и глаз затеняют нейронную активность, что уменьшает точность распознавания и, как следствие, итоговую производительность ИМК. Однако данная технология постоянно совершенствуется, ведутся многочисленные разработки по декодированию и фильтрации сигнала, что может значительно улучшить точность расшифровки данных ЭЭГ [25, 26].

Нейрофизиологические феномены, которые лежат в основе интерпретации намерений человека в неинвазивных ИМК, можно разделить на две группы – эндогенные и экзогенные. В экзогенных ИМК используются естественные реакции мозга на внешние стимулы. К ним относятся ИМК, основанные на анализе вызванных зрительных потенциалов или компонента P300 [27]. Данный компонент возникает через 300 мс после появления неожиданного, редко предъявляемого стимула, имеет положительную амплитуду 5–15 мкB и длительность около 250–500 мс. Р300 не зависит от предъявляемого стимула, а зависит от внимания испытуемого [28]. Эндогенные ИМК основаны на анализе изменений потенциалов и ритмов коры мозга, соответствующих реальной активности пациента или воображаемому движению. Наиболее распространен анализ сенсомоторного ритма (мю-ритма). Данный ритм находится в диапазоне 8–13 Гц и наблюдается в состоянии бодрствования над первичной соматосенсорной и двигательной областями коры при отсутствии сенсорных стимулов и двигательной информации [29, 30]. Выполнение паци- ентом движения или его воображение приводит к уменьшению мю-ритма в соответствующем корковом представительстве, что также называется десинхронизацией, связанной с событием (event-related desynchronization, ERD). При расслаблении после выполнения движения возникает увеличение ритма, или синхронизация, связанная с событием (event-related synchronization, ERS) [31, 32]. Поскольку соматотопическое расположение верхних и нижних конечностей имеет значительное представительство в коре головного мозга, по локализации мю-ритма можно достаточно точно определить, движение какого исполнительного органа выполняет или воображает испытуемый [33].

ИМК, основанные на анализе ЭЭГ, соответствующие воображению различных движений, продолжают совершенствоваться как за счет улучшения методов распознавания биоэлектрической активности мозга, так и за счет улучшения методов тренировки испытуемых [34, 35]. В 2013 г. группой ученых Тюбингенского университета под руководством Ander Ramos-Murguialday было проведено крупное двойное слепое плацебо-контролируемое исследование по эффективности неинвазивного ИМК с обратной кинестетической связью на пациентах с грубым парезом дистальных отделов руки. В исследование были включены 32 пациента, которых впоследствии случайным образом разделили на 2 группы по 16 чел. Моторные нарушения верхней конечности оценивались по шкале Fugl-Meyer (FM), соответствовали грубому парезу (12,2±1,2 балла из 66). В основной группе пациенты при помощи ИМК, основанного на десинхронизации сенсомоторных ритмов, управляли ортезом, который осуществлял раскрытие кисти. В контрольной группе работа ортеза производилась в случайном порядке. Помимо тренировок с ИМК, пациенты обеих групп получали идентичную целенаправленную физиотерапию. Для оценки эффективности процедуры применялись двигательная шкала FM и фМРТ до и после курса тренировок с ИМК. По завершении блока тренировок улучшение по шкале FM в основной группе было достоверно больше, чем в группе контроля (разница пока- зателей в группах составила 3,410±0,563 балла, p=0,018), что отразилось в клинически значимом восстановлении паретичных мышц руки. Показатели двигательных шкал коррелировали с данными фМРТ (отмечена активация премоторной и моторной зон коры головного мозга ипсилатерального полушария). Авторы исследования сделали выводы о целесообразности использования ИМК с обратной связью в качестве средства реабилитации, улучшающего двигательные функции руки с выраженным парезом в дистальных отделах [36, 37].

С 2014 г. в России под руководством профессора А.А. Фролова проходит мульти-центровое плацебо-контролируемое исследование эффективности применения ИМК с обратной связью у пациентов с парезом в руке после перенесенного инсульта. В 2016 г. были опубликованы предварительные результаты данного исследования. В исследование было включено 74 участника, из них 55 пациентов составляли основную группу и 19 чел. – группу контроля. Применялся ИМК, основанный на анализе ЭЭГ-мониторирования, распознавании реакции десинхронизации сенсорномоторного ритма. В качестве обратной связи была использована зрительная (метка в центре экрана окрашивалась в зеленый цвет) и кинестетическая связь (экзоскелет производил рас- крытие кисти при успешном выполнении ментальной тренировки по воображению движения). В качестве экзоскелета использовался экзоскелет кисти, управляемый электромоторами. Пациенты основной группы получали 10 ежедневных тренировок (по 3 сессии в каждой, длительность – 40 мин). Пациенты из группы контроля получали пассивную механотерапию в виде раскрытия экзоскелета па-ретичной руки в случайном порядке, без воображения движения. Оценка двигательной функции проводилась с помощью шкал FM и ARAT. В основной группе было отмечено достоверное улучшение функции захвата кисти по шкале ARAT и улучшение двигательной функции в проксимальных и дистальных отделах по шкале FM [38–40].

Применение неинвазивных интерфейсов «мозг-компьютер» в реабилитации пациентов с моторными нарушениями после перенесенного инсульта имеет не только теоретическую, но и значительную клиническую эффективность. Однако для повышения степени достоверности доказательств и убедительности рекомендаций по применению требуется проведение дополнительных исследований с изучением эффективности использования данного метода в различных периодах реабилитации, а также в зависимости от локализации очага поражения и когнитивных функций пациента.