Как начинать диагностику неврологических заболеваний еще в карете скорой помощи, когда под рукой нет громоздкой медицинской техники? И как определить, пошел ли пациент на поправку после тяжелой болезни либо травмы мозга?
Наши ученые разрабатывают диагностическую систему, которая в перспективе позволит провести экспресс-скрининг состояния мозга и передать информацию в медицинский центр.
Этот аппаратно-программный мини-комплекс вызвал большой интерес на прошедшем в Екатеринбурге международном форуме по когнитивным нейронаукам Cognitive neuroscience‑2018. Что оно может дать для изучения мозга, ранней диагностики его «скрытых дефектов»? Это и стало главной темой разговора с одним из авторов разрабатываемой медтехнологии Антоном Пашковым, аспирантом кафедры клинической психологии ЮУрГУ.
Экспресс-диагност
— Что сподвигло вас на создание компьютерного мини-диагноста?
— Чтобы выявить инсульт, другие нередко скрытые, латентные нарушения мозга, в клинике приходится применять габаритные стационарные установки — к примеру, компьютерные и магнитно-резонансные томографы. Но их не привезешь на дом к больному. А наша портативная технология на основе электроэнцефалографии (ЭЭГ), регистрирующей электрическую активность мозга, позволит проводить эту сложнейшую диагностику еще до того, как пациент оказался в больнице. Для этого достаточно надеть «волшебную шапочку» с датчиками.
— А какие преимущества вашего метода?
— Это совершенно новый подход, реализуемый в рамках развития телемедицины. Дополнительное преимущество нашего метода по сравнению с тем же МРТ — более высокое временное разрешение. Таким образом, мы имеем сразу несколько источников информации, отражающих различные аспекты работы головного мозга.
Стоит отметить, что такие масштабные проекты требуют выхода на междисциплинарный уровень. Так, например, программное обеспечение для аппаратно-программного комплекса мы разрабатываем в сотрудничестве с Высшей школой электроники и компьютерных наук ЮУрГУ.
— То есть выявить сложные заболевания мозга можно будет уже в карете скорой помощи?
— Отчасти это так. Наша разработка может стать особенно полезной на начальных стадиях транспортировки пациента в ближайшее медучреждение и его госпитализации. Этот мобильный комплекс компактный, умещается в портативном чемоданчике, его можно использовать в полевых условиях.
Более того, в рамках проекта «телемедицина» мы разрабатываем новую систему передачи ЭЭГ-сигнала по защищенному каналу связи. В режиме реального времени информация будет поступать в ближайший неврологический центр. Там ее проанализируют специалисты и по прибытии пациента на руках уже будут первичные данные, которые помогут в дальнейшей диагностике и выборе терапии или реабилитационной программы. Мы готовимся к экспериментальному тестированию инновационной системы.
Без разреза
— А чем может помочь ваша технология после лечения?
— С ее помощью можно отслеживать состояние пациента во время реабилитации, в терапевтических целях. Современные инновационные, неинвазивные (без разреза) методы оценки эффективности программ нейрореабилитации позволяют проводить постоянный мониторинг состояния пациента и в зависимости от этого корректировать выбранную стратегию лечения.
— Получит ли эта технология свое продолжение?
— Мы планируем пойти дальше, интегрировать широко применяемые методы анализа данных ЭЭГ с медарсеналом одной из находящихся в тренде областей нейронаук, так называемой коннектомики. Это направление изучает совокупность связей между нейронными участками головного мозга.
Так, мы планируем исследовать топологические свойства нейронных сетей, например, «малого мира», которые представляют собой показатель некого баланса между сегрегацией (разделением) и интеграцией информации от разных участков мозга. Проще говоря, он поначалу разделяет информацию, чтобы потом интегрировать ее в единое целое. Это открывает новые возможности диагностики заболеваний на основе поиска биомаркеров — физиологических, количественно измеряемых показателей работы отдельных систем организма, в том числе головного мозга.
.jpg)
Биомаркер стресса
— Но это только один из биомаркеров…
— Да, конечно, но есть и другие. Взять, к примеру, сеть пассивного режима работы мозга. Она характеризует состояние, когда человек находится в спокойном, расслабленном состоянии. Эта сеть была открыта в 2001 году профессором Маркусом Рейклом из Вашингтонского университета США. Любые негативные события — стрессы, депрессивная симптоматика, тревожность — отражаются в том числе в изменениях этой нейронной сети.
— И что это дает?
— Кроме того, что такой биомаркер может быть очень полезен для диагностики в клинике, это позволяет нам расширить теоретические представления о работе нашего мозга. Более того, поскольку на сегодня известно, помимо сети пассивного режима работы мозга более 10 таких сетей (они могут быть обнаружены с помощью томографии), то мы можем отслеживать их взаимодействия как у здоровых испытуемых, так и у пациентов. Появляется возможность использовать динамическую природу таких взаимодействий для оценки эффективности программ нейрореабилитации в неврологической клинике, эффективности терапии антидепрессантами, нейролептиками, транквилизаторами…
— Правда ли, что сон тоже лечит?
— Будучи неотъемлемой частью нашей жизни, здоровый сон — один из залогов психического и соматического здоровья. Исследование физиологических основ сна — одно из магистральных направлений как фундаментальных, так и прикладных исследований. На сегодня мы знаем, что это универсальный феномен для многих живых организмов. Сон или, более точно, сноподобные состояния наблюдаются у круглых червей, рептилий, птиц, а также, разумеется, млекопитающих. Понимание механизмов работы мозга во время сна представляет сегодня большой интерес для науки. А наш мини-сканер мозга открывает для таких исследований новые возможности.
— Верно ли, что клетки мозга не восстанавливаются? Есть ли надежда на их регенерацию?
— Это миф. Нервные клетки все же способны восстанавливаться, а также в мозге человека есть две уникальные области, где нейроны в течение жизни человека могут зарождаться: зубчатая фасция гиппокампа и субвентрикулярная зона. При небольших же повреждениях нейроны «ремонтируют» себя, обладая способностью к репарации.
Виртуальная модель
— А сможет ли искусственный интеллект самообучаться в ходе исследований?
— Это именно то, что происходит! Говоря языком программистов, это машинное обучение. В рамках проекта 5-100 мы начинаем использовать искусственные нейронные сети для анализа сигналов ЭЭГ. «Скармливаем» им данные о состоянии мозга здоровых и больных пациентов, и машина сравнивает их, способна самостоятельно разделить на группы по состоянию здоровья.
Эти интеллектуальные технологии уже широко применяют во всем мире. К примеру, такие крупные европейские проекты по компьютерному моделированию работы участков мозга, как Human brain project, Blue brain или американский Brain Initiative. Пока они исследуют только отдельные фрагменты мозга из 20-30 тысяч нейронов, а всего их «в голове» 86 миллиардов! Замечу, что в нашем вузе есть мощные суперкомпьютеры, которые мы также в перспективе планируем подключить к проведению масштабных исследований в рамках научных коллабораций с другими университетами и научными центрами.
— Сегодня суперкомпьютеры уже применяют для моделирования взаимодействия новых лекарств с рецепторами. А можно ли их использовать и для обследования мозга?
— Это тоже в наших планах. За рубежом, например, очень популярен метод динамического казуального (причинного) моделирования активности головного мозга. Его автор — британский нейроученый Карл Фристон. Реализация этого подхода позволяет не просто записывать ЭЭГ или МРТ пациента или здорового испытуемого, но и использовать информацию о структурах отделов мозга и их физиологии, что дает возможность строить модели и сравнивать их с реальными данными. С помощью этого метода можно изучать активность мозга на молекулярном уровне!
— Говорят, что свет тоже стимулирует активность мозга…
— В какой‑то мере это так. Этим занимается недавно зародившаяся область науки — оптогенетика. В более узком смысле слова это метод исследования клеток, использующий белки, которые встраиваются в мембрану клетки и активируются светом. Такие белки (опсины) есть у большинства животных в сетчатке глаз, а также у некоторых растений, например у зеленых водорослей. Чтобы встроить фотоактивируемые протеины в мембраны нейронов, приходится привносить в них гены родопсинов, полученные из других организмов.
Кроме того, исследования показывают, что воспоминания мышей с болезнью Альцгеймера можно вернуть оптогенетическим путем. Используя сложный экспериментальный дизайн и современное оборудование, ученые приходят к выводу, что, вероятнее всего, у таких больных воспоминания не уничтожены, и их еще можно восстановить. Использовать оптогенетику на людях пока слишком опасно, но со временем могут появиться медикаменты или методы стимуляции глубоких участков мозга, которые справятся с этой задачей. Все говорит о том, что эта технология в будущем поможет в борьбе и с другими опасными заболеваниями мозга.
— А есть ли надежда, что оптогенные технологии придут и на Южный Урал?
— Почему нет? В России уже проводят подобные эксперименты — в столичном Курчатовском научно-исследовательском центре, НИИ высшей нервной деятельности. В рамках новых научных исследований мы планируем сотрудничать с ними. Если изучение возможностей оптогенетики на животных дополнить нашими исследованиями электрофизиологической активности головного мозга человека, думаю, будут сделаны новые открытия, которые позволят нам узнать много нового о его скрытых возможностях.
по материалам сайта up74.ru