От электроэнцефалографии до позитронно-эмиссионной томографии: гибридные и комбинированные методы управления когнитивным мозгом

2017, том 19 [8]

—--—

http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2226-7417-2017-19-8-2-8 УДК 612.82:616-082

ОТ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИИ ДО ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННОЙ ТОМОГРАФИИ: ГИБРИДНЫЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ КОГНИТИВНЫМ МОЗГОМ

Романчук Н.П., Пятин В. Ф., Волобуев А.Н.

ФГБОУ ВО Самарский государственный медицинский университет, г. Самара, Российская Федерация

Аннотация: Современная когнитивная нейрофизиология человека («когнитивный мозг») - это междисциплинарное взаимодействие, по изучению и использованию гибридных и комбинированных методов управления процессами активного и когнитивного долголетия человека.

Современные многочисленные исследования посвящены путям управления нейропластичностью мозга, которые помогут разрабатывать более эффективные стратегии вмешательства для выздоровления (реабилитации), улучшения функций мозга и управления возрастными особенностями мозговой деятельности.

Применение позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) дает уникальную диагностическую информацию, которая позволяет получить не только алгоритм медикаментозного и немедикаментозного лечения, но и оценить уровень функциональных резервов организма.

Гибридные и комбинированные методы управления когнитивным мозгом обеспечивают не только персонифицированную диагностику, но и позволяют провести эффективное и качественное восстановление «когнитивного мозга». Комбинированный анализ результатов ЭЭГ и ПЭТ улучшает диагностический и лечебный процесс.

Комбинированные методы ЭЭГ/ПЭТ и ПЭТ/фМРТ и гибридные технологии ПЭТ/КТ/МРТ - это сочетающаяся функциональная и структурная нейровизуализация. При этом КТ и МРТ сканирование дают точное представление об анатомических особенностях головного мозга, а ЭЭГ, фМРТ и ПЭТ обеспечивает информацию о его функционировании. Комбинация нескольких методов нейровизулизации обеспечивает возможность более точной диагностики, чем КТ, МРТ, ПЭТ или ЭЭГ исследования по отдельности.

Ключевые слова: когнитивное здоровье, когнитивная нейрофизиология, нейровизулизация, нейро-пластичность, нейрореабилитация, хрономедицина

—--—

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций

—--—

Введение. В лечебно-диагностическом процессе эффективно применяются гибридные и комбинированные методы управления когнитивным мозгом [4]. Усовершенствован способ определения плотности биоткани в патологическом очаге с помощью ПЭТ [1].

Авторами разработаны десять комбинированных и/или дополнительных методов, которые активируют процессы нейрогенеза и нейропластичность [3]. Разработан алгоритм ранней диагностики когнитивных нарушений [2].

Современная нутригенетика и нутриге-номика персонифицировали генетический контроль в нутрициологии. Установлены семь клинических эффектов и полифункциональных воздействий на циркадианное функционирование нейрооси «мозг-кишечник» функциональных продуктов питания «Самарский здоровяк» (ФПП «Самарский здоровяк) [5]. Усовершенствован авторский метод се-квенирования нуклеотидной последовательности.

Целью исследования является изучение междисциплинарного и межведомственного взаимодействия для управления когнитивным мозгом человека. Квантовая биофизика.

Квантовая биофизика является современным ключом в решении комплексных проблем отечественного здравоохранения. Диагностика когнитивных нарушений и управление когнитивными функциями играет важное стратегическое значение при планировании и организации медицинской помощи населению конкретного региона.

Для эффективного междисциплинарного и межведомственного взаимодействия по использованию гибридных и комбиниро-

ванных методов управления алгоритмами когнитивной нейрофизиологии человека («когнитивным мозгом» Homo Sapiens) необходим возрастной и гериатрический анализ с проведением комплексной гериатрической оценки.

Одной из наиболее поразительных особенностей нервной системы является высокая точность связей нервных клеток друг с другом и с различными периферическими органами. В процессе формирования нервной системы отростки нейронов растут по направлению к своему «органу-мишени», игнорируя одни клетки, выбирая другие и образуя контакты (синапсы) не в любом участке нейрона, а, как правило, в его определенной области.

Циркуляция движущейся матрицы охватывает системы сетей с большим числом нейронов. Из-за очень большого числа участвующих связей и из-за изменчивости уровней возбуждения и торможения при каждом данном прохождении по сети в матрицу могут включаться новые нейроны, а другие исключаться.

Изучение индивидуальных различий в метаболизме стало особенно актуальным в связи с появлением такой области исследований, как фармакогенетика. Фармакогенетика - область изучения генетических и биохимических факторов, обусловливающих индивидуальные различия в чувствительности к лекарственным препаратам. Например, через некоторое время после введения одинаковой дозы препарата его уровень в крови у разных людей может различаться более чем в 20 раз, причем эти различия имеют весьма устойчивый характер.

Меченые радиоизотопами метки и метод анализа кинетики метки используются для количественной оценки таких процессов,

—-эъэ+ы-з-—

~ 3 ~

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций

—--—

как кровоток, мембранный транспорт, метаболизм, синтез, лиганд-рецепторные взаимодействия, для картирования аксональных зон проецирования антероградной и ретроградной диффузии, регистрации моментов клеточного деления, маркерного анализа с использованием метода рекомбинантной ДНК, радиоиммунного анализа, исследования взаимодействия препаратов с химическими системами организма. Методика использования меток продолжает оставаться одной из самых чувствительных и широко применяемых для анализа состояния биологических систем.

К раскрытию неизменной зависимости свойств вещества от его структуры - именно к этому глубокому пониманию важнейшего свойства материи пришел Дмитрий Иванович Менделеев и блестяще обогатил науку описанием периодической зависимости конкретных свойств элемента от атомной структуры, от количественной специфики её - ей свойственного атомного веса.

Закон Д.И. Менделеева в современной модифицированной форме свидетельствует, что свойства химического элемента зависят от его атомной структуры, определяемой её пребыванием в ряду последовательных периодических преобразований элементов в структуре микромира. Обнаруженная периодическая зависимость функций от структуры атома - неизменный закон, открытие которого стало важным прорывом человечества в понимании одного из кардинальных свойств материи - детерминации структурой своих функций.

Энтропийный или энтальпийный профиль функционирования конкретной структуры определяются соотношением энергетического потенциала структуры с энергонапряженностью взаимодействующего с ней

фактора. Все энергосвязывающие и энерготе-ряющие формы функционирования взаимосвязаны в одной системе взаимодействия: приобретение энергии для одной структуры соотносится с потерей энергии другой. Весь поток переходов химических элементов выражает структурно - функциональную детерминацию, в то время как развитие биологических систем обусловливается двойственностью взаимоотношений структуры и функции, относительно антиэнтропийным действием специфически функционирующих структур, приводящих к связыванию вещества и энергии. В целом, функционирование изменяет структуру на всех уровнях её организации в следующих процессах:

а) функция приводит к потере энергии и переходу вещества на более низкий энергетический уровень, определяя его деструкцию (в поле «структура-минус»);

б) функция определяет вступление структуры во взаимодействие с внешним миром и способствует переходу её на более высокий энергетический уровень, т.е. способствует связыванию энергии в виде той или иной структуры, её несущей (в поле «структура-плюс»).

Геном человека и его обширные нейросети - это основной фундамент мозга, биоинформационная карта строения и функционирования организма. Организм постоянно контактирует со своим геномом, используя нейронные программы мозга. В этом и заключаются когнитивные возможности организма. Мозг постоянно функционирует, благодаря своей нейропластичности и активизации нейронных сетей.

Нейроны - это высокотехнологичные процессоры головного мозга, а их электриче-

—--—

~ 4 ~

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций

—--—

скис и химические сигналы - это основа формирования памяти и мышления. Развитие нейросетей и, соответственно, нейропластич-ности строго индивидуально в различные возрастные периоды.

Инновационная задача нейронных совершенствований когнитивного мозга состоит в том, чтобы либо улучшить мозг человека, либо передать часть функций когнитивного мозга внешним источникам («работу нейронов перенести на внешнее устройство, что будет являться продолжением головного мозга человека, нейронным усилителем»).

В головном мозге человека «работают» три системы. Каждую из этих систем можно даже назвать отдельным мозгом, хотя в здоровом (функциональном) мозге каждая из них работает в тесном сотрудничестве и взаимодействии (активирующий мозг, мотивацион-ный мозг и когнитивный мозг).

Перспективы Homo sapiens связаны с технологической сингулярностью - взрыво-образным развитием взаимодействующих между собой новейших супертехнологий. Среди них выделяются молекулярная нано-технология, молекулярная биотехнология и компьютерная технология, которые репрезентируют, соответственно, три структурных уровня организации материи:

Атомный - описывается общими законами физики, химии;

Биологический - характеризуется процессами жизнеобеспечения, структурой ДНК и описывается молекулярной биологией, функциональной генетикой и др.;

Мыслительный («mind», разум) - отображает функциональную деятельность мозга (мышление, интеллект, сознание и т.д.) и описывается средствами computer science - искусственного интеллекта (ИИ), кибернетики и

др. (кроме ИИ, эквивалентного человеческому уровню, выделяется также суперинтеллект (СИИ) - ИИ сверхчеловеческого уровня). Гибридные и комбинированные методы управления когнитивным мозгом.

В настоящее время широко применяются следующие основные методы исследования функционирования головного мозга человека:

• электрофизиологические методы исследования: вызванные потенциалы (ВП); электроэнцефалография (ЭЭГ); реоэнцефалогра-фия (РЭГ); электронейромиография (ЭНМГ);

• ультразвуковые: ультразвуковая до-пплерография (УЗДГ); эхоэнцефалография (ЭхоЭГ);

• томографические методы исследования: магнитно-резонансная томография (МРТ); функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ); компьютерная томография (КТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ);

• ликворологические биомаркеры;

• геномика, метаболомика, протеомика;

• нутригенетика и нутригеномика;

• нейробиологические методы исследования;

• нейропсихологические методы исследования.

ЭЭГ - метод записи электрических потенциалов головного мозга (формирования ЭЭГ), изучающий закономерности суммарной электрической активности головного мозга, отводимой с поверхности кожи головы, позволяющий судить о его физиологической зрелости, функциональном состоянии, наличии локальных и очаговых поражений, общемозговых расстройств и их характере.

—-эъэ+ы-з-—

~ 5 ~

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций

—--—

ЭЭГ дает возможность качественного и количественного анализа функционального состояния головного мозга и его реакций при действии раздражителей. Стоит отметить, что это чувствительный метод исследования, он отражает малейшие изменения функции коры головного мозга и глубинных мозговых структур, обеспечивая миллисекундное временное разрешение, не доступное другим методам исследования мозговой активности, в частности ПЭТ и фМРТ. Фактически, ПЭТ и фМРТ основаны на измерении вторичных, метаболических, изменений в ткани мозга, а не первичных (то есть электрических процессов в нервных клетках). ЭЭГ может показать один из основных параметров работы нервной системы - свойство ритмичности, которое отражает согласованность работы разных структур мозга. Следовательно, при записи электрической энцефалограммы, нейрофизиолог имеет доступ к фактическим механизмам обработки информации мозга.

В возрасте 60 лет и старше нормальная ЭЭГ отличается от таковой у лиц молодого возраста уменьшением частоты дельта-ритма, нарушением его регуляции и увеличением числа тета-волн. Признаком патологической активности на ЭЭГ взрослого бодрствующего человека являются тета- и дельта-активность, а также эпилептическая активность.

Усовершенствован способ определения плотности биоткани в патологическом очаге с помощью ПЭТ, содержащего устройство, измеряющее разность частот у-квантов, одновременно поступающих на детекторы у-излу-чения, отличающийся тем, что измеряется максимальная разность частот у-квантов, одновременно поступающих на детекторы у-из-лучения и по этой разности частот на основе

эффекта Доплера находится скорость позитрона и пропорциональная ей плотность биоткани в патологическом очаге. Учитывая, что скорость позитрона пропорциональна плотности ткани, через которую он движется p~V, получаем необходимую информацию о плотности ткани в патологическом очаге [1].

Высокочувствительным методом ранней диагностики когнитивных нарушений различной этиологии является определение содержания в ликворе АР-42 амилоидного белка и тау-протеина. Для пациентов с умеренными когнитивными нарушениями ам-нестического типа характерно уменьшение содержания Р-амилоида в ликворе уже на самых ранних стадиях болезни. Полученные значения биомаркеров позволяют дифференцировать нейродегенеративные и церебровас-кулярные формы когнитивных нарушений. Диагностика когнитивных нарушений и управление когнитивными функциями.

В настоящее время существует несколько областей когнитивного функционирования, которые нужно охватить: ориентировка во времени, месте и местности; внимание и сосредоточение; фиксирование нового материала и его припоминание после отвлечения; простой счёт; узнавания предметов и лиц; демонстрация адекватного использования предметов повседневного пользования, использование письменного и устного вещания; воспроизведение в памяти общеизвестных фактов, как исторических, так и недавних.

Существует много тестов для оценки когнитивных функций. Наиболее широко используемый тест - мини-схема исследования психического состояния (МИПС) (MiniMental State Examination - MMSE). Когнитив-

—--—

~ 6 ~

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций

—--—

ная диагностика - это тестирования с использованием линейки когнитивных тестов: краткая шкала оценки психического статуса Mini-Mental State Examination (30-балльная шкала MMSE), тест «Рисования часов», Мока-тест (Montreal Cognitive Assessment) [2].

Нами [3] были составлены десять комбинированных и/или дополнительных методов, которые активируют процессы нейроге-неза и нейропластичность: творческая личность, постоянно совершенствующая и длительно сохраняющая информационный поток на протяжении всей жизнедеятельности; здоровый образ жизни, гигиена мозга и гимнастика для мозга. Обучение во сне (маска для обучения во сне); хорошая экология, качественная и чистая питьевая вода, с повышенным содержанием микроэлементов (по требованию); коммуникации с природой, растительным и животным миром; нутригеномика и нутригенетика, употребление функциональных продуктов питания; управление цирка-дианными ритмами, региональное и сезонное воздействие на хронобиологические цирка-дианные процессы; современные персонифицированные геропротекторы; управление стрессоустойчивостью и её повышение; достижение целевых показателей артериальной гипертонии и артериальной гипотонии; гармоничная семья, планирование беременности и семейные интеллектуальные нейрокомму-никации на протяжении всей жизни.

Перспективным является управление изменениями нейропластичности головного мозга человека в разные возрастные периоды, с помощью создания инновационных структурных единиц - медицинских и образовательных организаций «Когнитивный мозг».

Кроме того, целесообразно внедрить комплексные биофизические и физиологические рекомендации для всех категорий граждан по управлению циклами «Сон-бодрствование» и «Труд - отдых (work-rest cycles)».

Использование в современном лечебно-диагностическом процессе, наряду с гибридными и комбинированными методами управления когнитивным мозгом, IT-технологий и автоматического анализа полногеномного се-квенирования нового поколения повышают качество оказания медицинской помощи. Выводы:

1) в XXI веке клиническая медицина будет развивать технологии оказания медицинской помощи, основанные на пластичности головного мозга;

2) успехи инновационных структурных единиц медицинских и образовательных организаций позволят своевременно проводить раннюю диагностику и профилактику когнитивных нарушений, а также управлять когнитивным мозгом;

3) инновационная диагностика когнитивных нарушений и своевременное управление когнитивными функциями играет важное стратегическое значение при планировании и организации медицинской помощи населению конкретного региона.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

[1] Волобуев А.Н., Петров Е.С., Романчук П.И. Способ определения плотности ткани патологического очага с помощью позитронно-эмиссионного томографа// Патент 2599192.

[2] Романов Д.В., Романчук Н.П. Ранняя диагностика когнитивных нарушений. - Самара. 2014.-34с.

[3] Романчук Н.П., Пятин В.Ф., Волобуев А.Н. Нейропластичность: современные методы

—-эъэ+ы-з-—

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций

—--—

\ правления / Журнал научных статей «Здоровье и образование в XXI веке». 2016. Том 18, №9. С.92-94.

[4] Романчук Н.П., Пятин В.Ф., Волобуев А.Н. Позитронно-эмиссионная томография и электроэнцефалография: современная диагностика и коррекция когнитивных нарушений. Электронный научно-образовательный

вестник Здоровье и образование в XXI веке. 2016. Т. 18. №2. С. 7-12.

[5] Романчук Н.П., Романчук П.И., Малышев В.К. Продукт диетического, профилактического и функционального питания при хронической ишемии головного мозга// Патент 2489038.

FROM ELECTROENCEPHALOGRAPHY TO POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY: HYBRID AND COMBINED METHODS OF MANAGEMENT COGNITIVE BRAIN

Romanchuk N.P., Pyatin V.F., Volobuev A.N.

Samara state medical University, Samara, Russian Federation

Annotation. Modern cognitive neurophysiology of human («cognitive brain») is an interdisciplinary interaction for studying and using of hybrid and combined methods of managing the processes of active cognitive human longevity. Numerous contemporary studies are devoted to the ways of controlling neuroplasticity of the brain, which will help to develop more effective intervention strategies for recovery (rehabilitation), improvement of brain functions and management of age-related features of brain activity.

The use of positron emission tomography (PET) provides unique diagnostic information that allows to obtain not only the algorithm of medicamental and non-medicamental treatment, but also to assess the level of functional reserves of the organism.

Hybrid and combined methods of control cognitive brain not only provide personalized diagnosis but also to allow for effective and efficient recovery, «cognitive brain». Combined analysis of EEG and PET improves the diagnostic and therapeutic process.

Combined methods EEG/PET and PET/fMRI and hybrid technologies PET/CT/MRI is a combined functional and structural brain imaging. While CT and MRI scanning give an accurate idea of the anatomy of the brain and EEG, fMRI and PET provides information about its functioning. A combination of several methods of neurovisualization provides the possibility of more accurate diagnosis than CT, MRI, PET or EEG studies separately.

Key words: cognitive health, cognitive neurophysiology, neurovisualization, neuroplasticity, neurorehabilitation, chronomedicine.

REFERENCES

[1] Volobuev A.N., Petrov E.S., Romanchuk P.I. Method of determining density of tissue of abnormal focus by using positron emission tomography// Patent 2599192.

[2] Romanov D. V., Romanchuk N. P. Early diagnosis of cognitive disorders. 2014. 34p.

[3] Romanchuk N.P. Pyatin V.F., Volobuev A.N. Neuroplasticity: modern methods of management / Journal of scientific articles "Health & education in the XXI century". 2016. Volume 18, No. 9. P. 92-94.

[4] Romanchuk N. P. Pyatin V. F., Volobuev A. N. Positron emission tomography, and electroencephalography: modern diagnostics and correction of cognitive disorders. Electronic scientific and educational Bulletin of Health and education in the XXI century. 2016. T. 18. No. 2. P. 7-12.

[5] Romanchuk N.P. Romanchuk P.I., Malyshev V.K. Product diet, preventive and functional nutrition for chronic cerebral ischemia// Patent 2489038.

—--—

~ 8 ~

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций