Неинвазивная нейромодуляция, в частности, транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), используется как при изучении когнитивных функций, так и в качестве потенциального метода их улучшения у здоровых лиц и пациентов [1–3].

Считается, что эффект ритмической ТМС обусловлен влиянием на механизмы нейропластичности [4, 5]. Он не ограничивается стимулируемым участком, распространяясь на функционально связанные с ним компоненты нейронных сетей [1]. В последние годы все больше внимания уделяют изучению “паттерновых” протоколов ТМС, включая стимуляцию тета-вспышками (theta-burst stimulation, TBS), когда «вспышки» из трех стимулов с заданной частотой (обычно 30 или 50 Гц) подают с частотой 3 или 5 Гц. Вспышки могут предъявляться постоянно по 20 или 40 с (continuous TBS, cTBS) или по 2 с с перерывом 8 с (стимуляция интермиттирующими тета-вспышками — intermittent TBS, iTBS) [6–7]. Для TBS характерна достаточно высокая продолжительность нейромодулирующего эффекта при небольшой длительности стимуляции, что делает перспективным применение в клинической практике [8].

Данные относительно эффекта TBS на когнитивные функции у здоровых добровольцев остаются противоречивыми [9]. Одной из причин может быть высокая межиндивидуальная вариабельность ответа на стимуляцию, снижающая групповой эффект. Кроме того, эффекты плохо воспроизводятся на индивидуальном уровне: улучшение когнитивных функций у здоровых добровольцев в ответ на сессию стимуляции тета-вспышками наблюдается в 70% случаев, однако воссоздается при повторной оценке в другой день лишь у 37,5% [10].

Один из подходов к уменьшению вариабельности — разработка персонализированных протоколов, в частности, по частоте стимуляции. Помимо подбора по индивидуальным частотам корковых ритмов [11, 12], относительно новым стал выбор на основе фазовоамплитудного сопряжения (ФАС) корковых осцилляций.

Наиболее изученный вариант ФАС — тета-гамма сопряжение (ТГС), которое имеет важное значение для процессов памяти. При этом амплитуда осцилляций в гамма-диапазоне (более 30 Гц) модулируется фазой колебаний в тета-диапазоне (4–8 Гц) [13–15]. Показана корреляция ТГС с результатами тестов на рабочую память (РП) и некоторые другие когнитивные функции у здоровых добровольцев [16], а его снижение наблюдают при болезни Альцгеймера, умеренных когнитивных нарушениях и психиатрических заболеваниях [13, 17].

Доступны результаты единичных исследований с использованием протоколов неинвазивной нейромодуляции, персонализированных по частоте ТГС. Обнаружен статистически значимо более высокий эффект одной сессии персонализированного протокола на показатель теста n-back у здоровых добровольцев по сравнению со стандартной iTBS (6/30 и 5/50 Гц) при оценке через 45 мин после стимуляции и выявлены статистически значимые различия между показателями ТМС-вызванных ЭЭГ-потенциалов между стандартным и персонализированным протоколами [18]. Учитывая эти данные, целью исследования стала оценка эффекта персонализированного по ТГС протокола стимуляции левой дорсолатеральной префронтальной коры (лДЛПФК) на показатели когнитивного тестирования у здоровых добровольцев, а также сравнение его эффективности со стандартным протоколом и имитацией стимуляции.

ПАЦИЕНТЫ И МЕТОДЫ

Перед включением в исследование участники заполняли опросник для выявления противопоказаний для проведения ТМС, а также модифицированную версию

Эдинбургского опросника (Edinburgh Handedness Inventory, EHI) [19]. Был проведен сбор анамнеза и демографических данных, рутинная ЭЭГ со стандартными функциональными пробами для исключения эпилептиформной активности (Нейрон-Спектр 4/П, ООО «Нейрософт»; Россия). Критерии включения: добровольное информированное согласие, возраст 18–40 лет, коэффициент латерализации > 40 по EHI. Критерии невключения: наличие противопоказаний к МРТ/ТМС, выявление эпилептиформной активности при рутинной ЭЭГ, неврологические или психические заболевания в анамнезе, прием препаратов, влияющих на ЦНС, наличие декомпенсированных хронических соматических заболеваний. Критерии исключения: тяжелые нежелательные явления (НЯ) при проведении ТМС (ТМС-индуцированный эпилептический приступ, синкопа и др.), развитие соматических, неврологических, психических заболеваний, наступление беременности, отказ от участия.

Определение индивидуальных частот тета-гамма сопряжения

Для определения частот ТГС проводили регистрацию 64-канальной ЭЭГ (система 10–10), синхронизированной с тестом n-back (предъявлялись согласные буквы латинского алфавита c n = 3, подробное описание методики дано ниже). Для регистрации ЭЭГ использовали систему actiCHamp Plus 64 (BP-100-2511) (Brain Products GmbH; Германия), для синхронизации — систему Trigger Station (Brain Trends; Италия), парадигма была написана в ПО E-Prime 3.0 software (Psychology Software Tools; США). Предъявляли 3 серии по 24 стимула (6 совпадающих в каждой серии), демонстрируемых с интервалом 3000 мс, время предъявления стимула — 250 мс. Между сериями были перерывы для отдыха, длительность доброволец определял самостоятельно (10–20 с). Перед основным тестом проводили тренировку с n = 1 и 2.

Предобработку и анализ ЭЭГ проводили в ПО EEGLAB и MATLAB (The MathWorks, Inc.; США). Предобработка включала удаление каналов с высоким уровнем шума, приведение к среднему референсу, фильтрацию в полосе от 1 до 80 Гц с полосно-заграждающим фильтром в диапазоне 49–51 Гц, удаление временных интервалов с артефактным сигналом и удаление артефактов с помощью метода независимых компонент. Для расчета фазы и амплитуды ТГС анализировали сигналы от электродов Fz и Pz соответственно [18]. В качестве референта использовали усредненный сигнал от всех регистрирующих электродов. Анализировали интервалы от 250 мс после окончания показа стимула до момента показа следующего с обрезкой по 750 мс с каждой стороны для уменьшения краевых артефактов (69 интервалов по 1000 мс). Для выделения ритмов проводили вейвлетное преобразование с числами циклов для фазы и амплитуды, равными 6 и 4. Силу сопряжения оценивали с помощью индекса длины среднего вектора (mean vector length, MVL) как наиболее чувствительного в предположении монофазного сопряжения. Для устранения неравномерности распределения фаз и больших флуктуаций амплитуд использовали процедуру нормализации индекса. Для каждого испытуемого были построены комодулограммы ТГС. Частоты максимального ТГС были использованы для разработки персонализированного протокола iTBS.

Протоколы стимуляции тета-вспышками

ТМС выполняли с помощью стимулятора MagPro X100 + MagOption (Tonika Elektronik A/S; Дания) с навигационной системой Localite TMS Navigator (Localite GmbH; Германия) и роботизированным манипулятором Axilum Robotics TMS-Cobot (Axilum Robotics; Франция) с помощью восьмеркообразной катушки с жидкостным охлаждением. Для навигационной ТМС проводили МРТ в режиме 3D-Т1-MPR (3D T1 multiplanar reconstruction) на приборах MAGNETOM Verio и MAGNETOM Prisma (Siemens Healthcare GmbH; Германия) (размер вокселя —1.0 × 0.977 × 0.977 мм³, 176 сагиттальных срезов). Мишень в пределах лДЛПФК определяли как точку на 5 см спереди от «горячей точки» (hot spot) коркового представительства первой дорзальной межкостной мышцы (FDI, first dorsal interosseus), локализацию уточняли с учетом индивидуальных данных структурной МРТ. Для электромиографической регистрации вызванных моторных ответов задействовали Ag/Cl электроды (ООО «Нейрософт»; Россия), накладываемые на область брюшка (активный электрод) и сухожилия (референсный электрод). В протоколах активной стимуляции использовали интенсивность, равную 75% от индивидуального моторного порога покоя, определенного в соответствии с алгоритмом Rossini-Rothwell для FDI перед каждой сессией.

В ходе перекрестного исследования каждому испытуемому проводили по одной сессии стимуляции в соответствии с приведенными ниже протоколами с интервалом не менее 72 часов между ними. Все сессии проводили в одном и том же временном промежутке (8–14 или 14–17 ч). Протоколы были псевдорандомизированы с помощью метода латинских квадратов и включали:

• iTBS-5/50 — стандартный протокол iTBS (вспышки из 3 стимулов с частотой 50 Гц, частота вспышек — 5 Гц). Один блок состоял из 10 вспышек, интервал между блоками составлял 8 с, общее количество стимулов за сессию — 600;
• iTBS-ind — персонализированный протокол iTBS (вспышки из 3 стимулов, частота стимулов соответствовала частоте гамма-ритма, а частота вспышек — частоте тета-ритма при максимальном ТГС, определенном на предыдущем этапе). Один блок состоял из 10 вспышек, интервал между блоками составлял 8 с, общее количество стимулов за сессию было максимально приближено к 600 для данного соотношения частот;
• iTBS-sham — имитация стимуляции (sham-стимуляция) с использованием специального восьмеркообразного койла, имитирующего звук предъявляемых стимулов, но не индуцирующего сами стимулы, и локальной низкоинтенсивной электрической стимуляции, имитирующей сенсорные ощущения магнитной стимуляции. Длительность и частоты звуковой имитации стимулов были аналогичны стандартному, интенсивность электрической стимуляции определяли индивидуально в зависимости от выраженности ощущений в области стимуляции.

Когнитивное тестирование 

Нейропсихологическое тестирование проводили с помощью ПО PEBL v 2.0 (Psychology Experiment Building Language) [20]. Для минимизации отвлекающих факторов участники надевали шумоизолирующие наушники. Использованы следующие тесты: n-back с одновременным предъявлением пространственных и вербальных стимулов, Corsi blocks с обратным воспроизведением, Digit span с прямым воспроизведением и «Башня Лондона» (Tower of London).

В тесте n-back испытуемым одновременно предъявляли пространственные (положение квадратов) и вербальные (согласные буквы латинского алфавита) стимулы [21]. Задача испытуемого состояла в определении совпадения текущего стимула со стимулом, предъявленным n шагов назад, и нажатии на клавишу при выявлении совпадения. Точность выполнения оценивали с помощью индекса чувствительности d’ [22]. Для его расчета использованы количество правильных нажатий клавиши в ответ на совпадающий стимул (hits) и ложных нажатий в ответ на несовпадающий (false alarms). Количество правильных нажатий нормировали на общее количество совпадающих стимулов (6 для использованной версии задачи), а количество ложных нажатий — на общее количество несовпадающих стимулов (16 и 17 для n-back с n = 2 и n = 3, соответственно). Для каждого из нормированных показателей проводили Z-преобразование, а d’ рассчитывали как разность Z-показателей для правильных и ложных нажатий. Учитывая одновременное предъявление вербальных и пространственных стимулов, дополнительно определяли суммарный показатель d’ для двух типов стимулов с каждым n. Анализировали результаты при n = 2 и n = 3. Перед каждым тестом n-back проводили тренировку с отдельным предъявлением вербальных стимулов с n = 1 и 2, пространственных стимулов с n = 1 и сочетанием двух видов стимулов с n = 1.

В тесте Corsi blocks необходимо запомнить порядок предъявления квадратов и воспроизвести его в обратном порядке. Оценивали максимальную длину безошибочно воспроизведенной последовательности.

В тесте Digit span испытуемому предъявляли цифровой ряд, который он должен был воспроизвести в прямом порядке, начиная с последовательности длиной в 5 цифр, c шагом в 1 цифру, и заканчивая максимальной длиной в 10 цифр. Оценивали максимальную длину числовой последовательности, которую испытуемый может повторить без ошибок, либо после достижения максимальной длины в 10 цифр — общее количество правильно воспроизведенных последовательностей.

В тесте Tower of London испытуемому предлагали с помощью перемещения цветных дисков воспроизвести заданную их последовательность. При этом фиксировали время выполнения задания.

Значения показателей тестов измеряли в трех временных точках: Т0 — до начала стимуляции, Т1 — непосредственно после ее окончания и Т2 — через 1 час после окончания стимуляции. Эффект стимуляции в точках Т1 и Т2 оценивали как разность показателей в каждой из этих точек с начальным значением в Т0.

Статистическая обработка данных

Статистический анализ выполняли с помощью пакета IBM SPSS Statistics (v.23) (IBM, SPSS Inc.; США). Оценку эффекта каждого протокола в Т1 и Т2 по сравнению с Т0, а также сравнение эффектов между разными протоколами проводили с помощью критерия Фридмана. При выявлении статистически значимых различий для попарных сравнений использован критерий Уилкоксона с поправкой Бонферрони. Порог статистической значимости был установлен на уровне p = 0,05.

Оценка безопасности и переносимости протоколов стимуляции

Все участники заполняли стандартизированные опросники для оценки НЯ во время сессии ТМС сразу после проведения стимуляции, и в течение 24 ч после стимуляции — перед каждой последующей сессией стимуляции.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Скрининг прошли 25 человек, из них 4 имели противопоказания к проведению ТМС (прием препаратов, влияющих на ЦНС, — 3, соматическая патология — 1). Среди включенных добровольцев 5 не смогли завершить участие в исследовании (4 — по логистическим причинам, 1 — из-за плохой переносимости ТМС). В финальный анализ были включены данные 16 добровольцев (7 мужчин, средний возраст — 29,6 лет).

Индивидуальные частоты тета-гамма сопряжения

По результатам анализа данных ЭЭГ с парадигмой были получены следующие частоты ТГС, использованные для индивидуальных протоколов (табл. 1). Пример индивидуальной комодулограммы представлен на рисунок.

Безопасность и переносимость

Проанализированы данные 50 сессий (16 — iTBS-ind и по 17 — iTBS-5/50 и iTBS-sham). Серьезных НЯ зарегистрировано не было. Один доброволец отказался от продолжения участия после 2-й сессии стимуляции (iTBS-5/50) из-за развития НЯ в виде легкой головной боли (3 балла по числовой шкале боли, ЧШБ) и трудностей концентрации внимания.

В 29 сессиях (78%) были зарегистрированы легкие НЯ (табл. 2). Наиболее частым НЯ во время ТМС была слабая или умеренная боль в области стимуляции (12 сессий, 24%; 2–5 баллов по ЧШБ). Более выраженную боль (7–8 баллов по ЧШБ) наблюдали в одном случае во время стимуляции протоколом iTBS-ind и в одном случае — во время iTBSsham. Головная боль в течение 24 часов после стимуляции также имела низкую интенсивность (2–3 балла по ЧШБ).

Когнитивные эффекты

Анализ эффекта отдельных протоколов

При анализе эффекта отдельных протоколов с помощью критерия Фридмана (оценка различий в трех временных точках) статистически значимые изменения были обнаружены после протокола iTBS-5/50 для тестов n-back c пространственными стимулами (n = 3) (p = 0,013), Corsi blocks (p = 0,044) и Tower of London (p = 0,015), а также после iTBS-ind и iTBS-sham для теста Tower of London (p = 0,02 и p = 0,006 соответственно).

При попарных сравнениях с помощью критерия Уилкоксона статистически значимые различия показаны для протокола iTBS-5/50 в тесте n-back c пространственными стимулами (n = 3) между измерениями в точках Т2 и Т0 (p_corr = 0,018, поправка Бонферрони на множественные сравнения), а также для теста Tower of London между измерениями в Т2 и Т1 (p_corr = 0,039), сравнения для остальных тестов оказались статистически незначимыми. Для протоколов iTBS-ind и iTBS-sham cтатистически значимые различия получены для теста Tower of London в точках Т2 и Т0 (p_corr = 0,045 и p_corr = 0,003 соответственно) (табл. 3).

Сравнение эффекта между протоколами

При сравнении между протоколами статистически значимые различия показаны для теста n-back с пространственными стимулами (n = 3) для разностей между Т1 и Т2, а также для теста Corsi blocks для разностей между Т0 и Т2 и между Т1 и Т2 (табл. 4). При попарном сравнении с помощью критерия Уилкоксона статистически значимые различия были обнаружены для теста n-back с пространственными стимулами (n = 3) между протоколами iTBS-5/50 и iTBSsham (эффект протокола iTBS-5/50 выше) (p_corr = 0,039), для теста Corsi blocks — между точками Т2 и Т1 для протоколов iTBS-5/50 и iTBS-ind, а также iTBS-5/50 и iTBSsham (эффект протокола iTBS-5/50 ниже по сравнению с остальными; p_corr = 0,038 и 0,048 соответственно) (табл. 5).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В исследовании разработан персонализированный по индивидуальным частотам ТГС протокол iTBS лДЛПФК, получен опыт его применения на здоровых добровольцах и показан благоприятный профиль безопасности и переносимости. При сравнении со стандартным протоколом и имитацией стимуляции статистически значимых различий для большинства тестов получено не было. Статистически значимый эффект данного протокола был выявлен только в отношении теста на исполнительные функции (Tower of London). Показана эффективность стандартного протокола в отношении теста на пространственную РП и разделенное внимание (n-back c n = 3), при этом изменение было статистически значимо выше по сравнению с имитацией стимуляции. С другой стороны, в более простом тесте на пространственную РП (Corsi blocks) после данного протокола наблюдали статистически незначимое ухудшение выполнения, имеющее статистически значимые различия с имитацией стимуляции и персонализированным протоколом.

В отличие от полученных ранее данных, нам не удалось обнаружить преимуществ эффекта персонализированного протокола по сравнению со стандартным, также не было различий с имитацией стимуляции [18]. Выявленное уменьшение времени выполнения задания в тесте Tower of London может быть обусловлено научением, поскольку такой же по направленности статистически значимый эффект наблюдали при имитации стимуляции. При этом по данному тесту не было обнаружено различий между протоколами. Возможно, отсутствие эффекта персонализированного протокола обусловлено деструктивной интерференцией ТМС-индуцированной активности с индивидуальными корковыми ритмами. Данное предположение согласуется с результатами исследований по применению протоколов транскраниальной стимуляции переменным током (tACS), когда эффект зависел от фазы тета-цикла, в которую подавался ток с гамма-частотой [23, 24]. В случае использования синхронизации тета-вспышек с эндогенным тета-ритмом ТМС-контроль возможен только при использовании “closed-loop” систем с одновременной регистрацией ЭЭГ и ТМС и синхронизацией стимулов с пиками индивидуального тета-ритма [25], при этом эффективность и целесообразность данного протокола нуждаются в изучении.

Показанное улучшение пространственной РП в ответ на одну сессию стандартного протокола iTBS согласуется с результатами некоторых других исследований [26, 27]. Особенность проведенного нами исследования — использование варианта теста n-back c одновременно предъявляемыми вербальными и пространственными стимулами, который оценивает показатели РП и разделенного внимания. При оценке теста с вербальными стимулами и суммарного показателя не было отмечено

статистически значимых различий, в связи с чем маловероятно, что обнаруживаемый эффект связан с изменением стратегии выполнения задания. На показатели другого теста на пространственную РП — Corsi blocks — стандартный протокол оказывал противоположно направленный эффект, т. е. уменьшение количества запоминаемых стимулов, хотя он был статистически незначимым. Возможным объяснением может быть влияние стимуляции лДЛПФК преимущественно на процессы обработки информации в РП или разделенное внимание, важные для выполнения теста n-back, в то время как для теста Corsi blocks большее значение имеет процесс удержания информации. Данный разнонаправленный эффект протокола на два важных компонента РП — удержание и обработку информации — хорошо согласуется с концепцией “игры с нулевой суммой”, согласно которой улучшение одной функции в ответ на стимуляцию сопровождается ухудшением другой и в конечном счете приводит к нулевому эффекту [28].

Возможным объяснением статистически значимых изменений тестирования только после стандартного протокола iTBS может быть тот факт, что стимуляция с частотами 5 и 50 Гц наиболее эффективна для индукции долговременной потенциации, как это было показано ранее на модельных животных [6]. Альтернативное объяснение может быть основано на предположении, что емкость РП определяется соотношением гамма/тета частот, и в таком случае стимуляция с частотой, меньшей индивидуального тета-ритма, приводит к увеличению емкости РП, что подтверждено в исследованиях с применением tACS [29, 30]. Подобный подход может быть реализован и с применением протоколов iTBS.

Все обнаруженные эффекты отмечены при отсроченном измерении (через час после начала стимуляции), в то время как при измерении непосредственно после стимуляции статистически значимых различий не выявлено ни для одного из протоколов. Длительность эффекта согласуется с полученными ранее результатами, согласно которым эффект на когнитивные функции отсутствует при измерении сразу после стимуляции, но выявляется при повторных измерениях в отсроченном периоде (60 мин в проведенном нами исследовании, 20 и 40 мин — по литературным данным) [26]. Целесообразно в дальнейших исследованиях оценивать эффекты стимуляции не только непосредственно после ее завершения, но и на протяжении всего времени предполагаемого эффекта.

К ограничениям исследования можно отнести малый размер выборки, однако данной мощности достаточно для обнаружения «больших» эффектов. Кроме того, важное ограничение — вариабельность индивидуального ТГС и проблемы, связанные с выбором алгоритма его расчета. Отсутствие статистически значимого эффекта на показатели некоторых тестов (например, n-back с n = 2; Digit span, Corsi blocks) может быть также обусловлено их низкой сложностью и «эффектом потолка». Еще одно ограничение — перекрестный дизайн, вследствие которого возможен эффект научения между сессиями. Однако возможное смещение вследствие научения минимизировано с помощью метода «латинских квадратов», кроме того, добровольцы проходили несколько тренировочных тестирований перед началом сессий стимуляции.

ВЫВОДЫ

Таким образом, показаны безопасность и переносимость персонализированного по индивидуальным частотам ТГС протокола стимуляции тета-вспышками лДЛПФК, однако не удалось подтвердить эффект на показатели когнитивных тестов. Протоколом, для которого был показан статистически значимый эффект, имевший различия с имитацией стимуляции, оказался стандартный протокол iTBS, в связи с чем может быть перспективным его дальнейшее исследование, например, у пациентов с когнитивными нарушениями. Учитывая полученные результаты, в будущих исследованиях представляется целесообразной проверка альтернативных гипотез, например, индивидуальной стимуляции с частотами ниже измеренных частот ТГС или синхронизированной с фазой тета-ритма стимуляции. Кроме того, необходимо дальнейшее изучение оптимальных алгоритмов расчета ТГС для улучшения точности и воспроизводимости измерения.