Новые открытия в области функциональной связности и активации нейронов

13 просмотров
Нейроны и синапсы в сети человеческого мозга

Транскраниальная Импульсная Стимуляция (ТИС) продолжает развиваться как перспективная неинвазивная технология нейромодуляциии в нейронауке. С увеличением количества данных о её терапевтических преимуществах при болезни Альцгеймера (включая улучшения памяти, настроения и когнитивных функций) исследователи всё больше сосредотачиваются на изучении механизмов действия ТИС.

Это новое исследование стало второй публикацией исследовательской группы из Цюриха, изучающей ТИС на моделях мышей. Опираясь на более ранние исследования, выявившие сосудистые изменения, вызванные ТИС[1], текущая работа предоставляет важные сведения о влиянии ТИС на нейронную активность и функциональную связность[2]. Используя передовые методы визуализации и гистологического анализа, авторы показали, что ТИС модулирует активность мозга и вызывает согласованную активацию сетей, связанных с памятью, эмоциями и двигательными функциями.

Эти результаты углубляют понимание механизмов действия ТИС и подчёркивают её потенциал как таргетированного метода нейромодуляции.

Методика

Чтобы изучить, как ТИС влияет на активность и функциональную связность мозга, исследование было проведено на двух группах мышей: генетически здоровых (контрольная группа) и часто используемых моделях мышей с болезнью Альцгеймера.

ТИС применялась с использованием системы NEUROLITH®, вырабатывающей импульсы на клинически установленных уровнях энергии. Каждое животное получало два сеанса стимуляции с интервалом в 15 минут; каждый сеанс состоял из трёх серий импульсов, подаваемых в определённой последовательности с низкой–низкой–высокой энергией (0,05–0,05–0,25 мДж/мм²). Низкий уровень энергии — 0,05 мДж/мм2 — примерно соответствует энергии 0,25 мДж/мм2, используемой в клинических условиях, с учётом различий в толщине черепа у людей и мышей. Максимально допустимая энергия (0,25 мДж/мм2) применялась для оценки реакции сосудов и возможных побочных эффектов, а также для изучения того, могут ли в пределах установленного безопасного диапазона возникать более выраженные нейромодулирующие эффекты. Эффекты анализировались как во время стимуляции (с использованием кальциевой визуализации), так и после неё: сразу после сеанса ТИС проводилась функциональная МРТ, а позднее — гистологический анализ.

Для оценки нейронной активации и динамики сетей исследователи применяли мультимодальный подход:

  • Для отслеживания нейронной активности в реальном времени во время ТИС проводилась эпифлуоресцентная визуализация in vivo для регистрации кальциевого ответа.
  • Иммуногистохимическое исследование экспрессии c-Fos использовалось как молекулярный маркер активации нейронов.
  • Для выявления изменений мозговой функциональной связности до и после стимуляции применялась функциональная МРТ в состоянии покоя (rs-fМРТ).

Такое сочетание методов позволило команде одновременно наблюдать локальные клеточные реакции и более глобальные изменения в коммуникации мозговых сетей.

Результаты

ТИС индуцировала выраженную и зависящую от энергии активацию нейронов, что было продемонстрировано следующими результатами:

  • Сильный приток кальция во время стимуляции, визуализированный с помощью флуоресцентной кальциевой визуализации in vivo, что указывает на немедленное возбуждение нейронов в ответ на каждый импульс.
  • Значительное увеличение экспрессии c-Fos в зубчатой извилине гиппокампа, наблюдаемое после стимуляции, что подтверждает отсроченную активацию нейронов, связанных с памятью, на молекулярном уровне.

Эти наблюдения позволяют предположить, что ТИС, вероятно, задействует быстрые электрофизиологические механизмы, такие как активация механочувствительных ионных каналов, что приводит к притоку калия и деполяризации нейронов — гипотеза, подтверждаемая временной динамикой и зависимостью реакции от энергии. Эти эффекты были одинаковыми как у моделей мышей болезни Альцгеймера, так и у здоровых контрольных мышей, что указывает на общий механизм действия.

Стимуляция также вызывала быструю и кратковременную реорганизацию функциональной связности, наблюдаемую с помощью функциональной МРТ в состоянии покоя. Значительное увеличение активности сетей было зафиксировано в следующих областях:

  • Лимбические структуры (гиппокамп, миндалевидное тело, энторинальная кора)
  • Подрегионы гипоталамуса, особенно передний и вентромедиальный гипоталамус
  • Подкорковые структуры, включая базальные ганглии и средний мозг

Эти области участвуют в процессах памяти, регуляции эмоций и контроле движений. Похожие схемы связности, наблюдавшиеся как у моделей мышей с болезнью Альцгеймера, так и у здоровых контрольных животных, указывают на то, что ТИС задействует основные нейронные сети, а не воздействует специфически на заболевание.

Заключение

Результаты исследований на животных не могут быть напрямую перенесены на клинические исходы. Тем не менее, полученные данные подтверждают гипотезу о том, что механическая стимуляция с помощью ТИС может безопасно влиять на активность мозга, задействуя нейронные и сетевые процессы без возникновения тепловых или кавитационных эффектов. Эти наблюдения способствуют более глубокому пониманию механизмов действия ТИС и обеспечивают надёжную основу для дальнейшего совершенствования этой методики как нейромодулирующего подхода в исследованиях нейродегенеративных заболеваний.

 

[1] Karakatsani, M. E., Nozdriukhin, D., Tiemann, S., Yoshihara, H. A. I., Storz, R., Belau, M., Ni, R., Razansky, D. & Dean-Ben, X. L. (2025). Multimodal imaging of murine cerebrovascular dynamics induced by transcranial pulse stimulation. Alzheimer’s & Dementia, e14511. https://doi.org/10.1002/alz.14511

[2] Karakatsani, M. E., Getzinger, I., Nozdriukhin, D., Tiemann, S., Yoshihara, H. A. I., Storz, R., Belau, M., Ni, R., Dean-Ben, X. L., & Razansky, D. (2025). Transcranial pulse stimulation modulates neuronal activity and functional network dynamics. Brain Stimulation, Volume 18, Issue 6, 1834 – 1842. https://doi.org/10.1016/j.brs.2025.09.021

3