Системный подход в методе транскраниальной электростимуляции

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Векренев А.Н., Безуглов А.Ю. Самоорганизация металлических систем при ее неква-

зистационарной релаксации//Физика и химия обработки материалов. 1995. №2.

С. 122 - 127.

2. Бутенко В.И. Структурная самоорганизация материала поверхностного слоя обрабатываемой детали. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.

3. Гуров К.П. Фенометрическая термодинамика необратимых процессов. - М.: Наука, 1978.

4. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация неравновесных процессов. - М.: Мир, 1977.

5. Бутенко В.И. Высокопрочные и сверхпрочные состояния металлов и сплавов. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003.

6. Бутенко В.И. Износ деталей трибосистем. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002.

7. Дьярмати Н. Неравновесная термодинамика. - М.: Мир, 1974.

8. Постников B.C. Внутреннее трение в маталлах. - М.: Металлургия, 1969.

9. Бутенко В.И. Электронно-дислокационные представления о процессах резания металлов и сплавов. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005.

10. Материаловедение: Учебник для втузов/Под ред. В.Н. Арзамасова. - Таганрог: Машиностроение, 1986.

11. Синергетика: процессы самоорганизации и управления. Учебное пособие/Под ред. А. А. Колесникова. В 2-х ч. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. Ч. I.

12. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1960.

13. Кайзер Д.Н. Статистическая термодинамика неравновесных процессов. - М.: Мир, 1980.

14. Кабалдин Ю.Г., Шпилев А.М., Просолович А.Л. Синергетический анализ причин возмущения вибраций при резании//Вестник машиностроения. 1999. №10. С. 21-29.

В.Г. Галалу, П.В. Хало

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В МЕТОДЕ ТРАНСКРАНИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ

Современная фармакологическая анестезиология давно уже переросла рамки практики борьбы с болью: теперь это наука об управлении жизненными функциями. Необходимость развития анестезиологии диктуется увеличением количества глобальных катастроф и характером ведения войн в современную эпоху. Внутривенный наркоз барбитуратами опасен при шоке из-за их токсичности. По разным причинам в подобных ситуациях не могут быть также использованы многие газообразные и жидкие анестетики. Поэтому проблемы создания методов быстрого электронаркоза особенно актуальны.

Подобный прибор должен быть прост в обращении, надежен, прочен, портативен. Положительные стороны электронаркоза: возможность регулировать его глубину и прекращать его действие в любой момент, отсутствие типичного для анестетиков ядовитого действия на ткани, ряда осложнений, наступающих после фармакологического наркоза (рвота, головная боль, угнетение дыхания и расстройство

сердечно-сосудистой деятельности), меньшее кровотечение на месте разреза тканей. При электронаркозе можно в значительно меньшей степени, чем при наркозе фармакологическом, считаться с поражениями печени, легких, почек и других внутренних органов.

Современные методы транскраниальной электростимуляции (ТЭС) позволяют получить широкий спектр различных функциональных состояний. Физиологам давно известно, что с помощью импульсного электрического тока можно добиться изменения проведения сигнала через нервные клетки коры головного мозга. По мнению большинства специалистов, электромагнитные поля и электрические токи являются основным переносчиком информации в организме, с их помощью в нем осуществляются процессы регуляции и саморегуляции. Поэтому если бы можно было бы воздействовать на нервную систему и органы человека сигналами, близкими по параметрам к естественным электрическим, то это был бы наиболее оптимальный, гибкий метод управления системами живых организмов.

Впервые действие тока на головной мозг начал изучать французский физиолог С.Ледюк в 1902 году для получения эффекта наркоза. Он установил, что наиболее эффективен импульсный ток, частотой 100Гц, с соотношением времени прохождения к паузе между импульсами прямоугольной формы 1:10. Этот ток и получил впоследствии название тока Ледюка. Один электрод накладывался на лоб, второй - на поясницу пациента. При апробации на себе действия электрического наркоза Ледюк воспринимал разговор ассистентов «как во сне»: ни двигаться, ни говорить он не мог.

В 1953 г. удалось доказать, что электрический наркоз не дает проявиться отравляющему действию цианистых соединении, а немногим позднее Л.Д.Муравьев добился излечения поверхностным электронаркозом острого отека легких, вызванного сернистым газом. Известно о защитном эффекте электронаркоза при острейшей лучевой болезни. Электронаркоз может быть использован для удлинения жизни при лучевом ударе даже такой мощности, как 30 - 60 тыс. рентген! Защитный эффект проявлялся не только при облучении находящегося в состоянии наркоза, но и при погружении его в наркоз непосредственно после облучения.

Известны, например, эффективные опыты д-ра Хосе Дельгадо, вызывающего определенные поведенческие реакции и эмоции у человека путем раздражения слабым электрическим током некоторых структур головного мозга, и клинические эксперименты канадского ученого В.Пенфильда, добивавшегося электрическим раздражением височных долей мозга проявления у людей воспоминаний о давно минувших событиях.

Но все дело в том, что в этих опытах электроды касались непосредственно определенных участков обнаженного мозга. Совсем другая картина получается, когда электрический сигнал должен «пробиваться» к мозгу через череп и его покровы.

При рассмотрении явления наркоза, на системном уровне, т.е. без анализа событий, происходящих на молекулярном уровне, необходимо сосредоточить внимание на характере взаимодействия систем организма и здесь, прежде всего, нужно думать о механизмах, обеспечивающих существование организма как целого. В первую очередь - это нервные механизмы регуляции жизненных функций. Именно они и определяют существование организма как ультраустойчивой системы, т.е. удерживают его существенные переменные внутри физиологических границ, границ «нормы». На все попытки вывести переменные за эти границы организм отвечает относитель-

но стандартной реакцией, направленной на ликвидацию последствий вмешательства фактора среды.

Мозг представляет собой сложную саморегулирующуюся систему. Во сне количество работающих нейронов в коре равно числу их, функционирующих при бодрствовании. Это обстоятельство заставляет предположить, что собственно торможение существует только на уровне нейрона, а не в такой большой системе, как кора мозга. Известный итальянский физиолог Д. Моруцци, считает что сон - вовсе не результат подавления активности корковых клеток, а изменение только конфигурации (паттерна) их разрядов. Поэтому наркоз, по мнению некоторых специалистов, нельзя рассматривать как диффузное, разлитое торможение коры, спускающееся на подкорку. Эксперименты, проведенные О.Н. Лукьяновой и К.И. Кузьминой, показали, что в ходе наркоза (фармакологического и электрического) в коре создаются своеобразные макроансамбли нейронов, все время меняющие свое функциональное состояние: электрическая активность отдельных участков коры от быстрых колебаний переходит к синхронизации, так называемые «веретена» сменяются периодами «молчания». Затем эти участки снова возобновляют свою деятельность.

Интересен тот факт, что для самых разнообразных живых систем (от инфузории до нервномышечного аппарата человека) при действии на возбудимые ткани самых различных агентов (электрический ток, ионизирующая радиация, гравитация) зависимость между силой действующего раздражителя и временем его действия для достижения одинакового эффекта выражается одним и тем же несложным математическим выражением т , ,----- . .

Р J = а/у/Г-ГГ,

где .1 - сила раздражителя; а - постоянная; Ь - время.

Весьма вероятно, что это однотипное поведение столь различных по сложности систем возможно тогда, когда саморегуляция уже невозможна, а сложная система превращается в конгломерат отдельных элементов. По мнению кибернетика У.Р. Эшби, в мозгу в процессе эволюции возник метод «частичной самополомки». Если есть система с большим числом «ломающихся» переменных, то в ее поведении обнаруживаются примерно такого же рода закономерности, которые следуют из газовых законов.

Кандидат биологических наук К.А. Иванов-Муромский считает достаточно эффективным метод интерференцнаркоза: в результате действия на мозг двух высокочастотных электрических сигналов в нем появляются низкочастотные биения, так как специфичность действия интерферирующих токов обусловливается возбуждением внутри организма биоэлектрических явлений, сходных с теми, которые присущи нормальному функционированию [1].

Весьма эффективным является метод ТЭС, разработанный под руководством профессора В.П. Лебедева. Метод ТЭС нормализует кровяное давление, снимает стресс, усталость, обезболивает, стимулирует иммунитет, ускоряет процесс заживления ран и ожогов, тормозит рост раковой опухоли.

Для того, чтобы электростимуляция положительно действовала на нервную систему, нужно очень точно подобрать режим и правильно установить электроды на голове пациента. Тогда ТЭС действительно снимает болевой синдром, но только в довольно узком диапазоне параметров тока. Для человека оптимальная «обезболивающая» частота импульсного тока - около 70 Гц, при отклонении ее хотя бы на 7 - 10 Гц эффект резко снижается. Обезболивающий эффект возникает лишь тогда, когда электроды ориентированы ото лба к затылку. При соблюдении режима (ча-

стота тока и положение электродов) обезболивающий эффект сохранялся еще 8 -12 часов после окончания стимуляции (рис. 1, 2).

Рис. 1. Зависимость аналъгетического эффекта ТЭС от частоты прилагаемых

прямоугольных импульсов

рто1/1-

30

15

ТЕЗ

-к

/ ..-I.....

I -г------------1------•

— 70 Иг  77 Нг -*-84 Нг

С 0.25 0.5 0.75 1.0 1.5 12 24 Ноиге

Рис. 2. Концентрации /З-эндорфина в плазме добровольцев в зависимости от частоты

импульсов при ТЭС

За обезболивание отвечают определенные структуры мозга: ядра (скопления нейронов) гипоталамуса и шва и так называемое околоводопроводное серое вещество - нейроны, окружающие полости - «водопровод» мозга. При найденных группой Лебедева оптимальных условиях электрической стимуляции эти нервные клетки выделяют из своих окончаний вещество - бета-эндорфин.

По мнению Э.М. Каструбина, частота, наиболее эффективная для стимуляции синтеза мозгом эндорфинов, составляет 95 - 110Гц, что отличается от данных В.П. Лебедева.

Один сеанс ТЭС увеличивает содержание бета-эндорфина в плазме крови и спинномозговой жидкости в несколько раз. Поэтому ТЭС можно успешно применять (и уже широко применяют) для лечения различных болевых синдромов: при радикулитах, остеохондрозах, головной и зубной боли. Правильно применяя электростимуляцию, можно исключить или значительно снизить дозу наркотических препаратов даже при хирургическом вмешательстве.

Бета-эндорфин относится к группе короткоцепочечных белковых молекул, называемых опиоидными пептидами. Это эндогенные (то есть синтезирующиеся внутри организма) вещества, обезболивающее и успокаивающее действие которых обусловлено их взаимодействием со специальными местами связывания на мембране нервной клетки - опиатными рецепторами.

ТЭС также стимулирует работу иммунной системы, повышает сопротивляемость организма к различного рода инфекционным заболеваниям. Это объясняется тем, что лимфоциты-клетки, отвечающие за иммунный ответ, имеют на своей поверхности множество опиатных рецепторов. Бета-эндорфин, попадая в кровяное русло, взаимодействует с ними, таким образом активируя лимфоциты и побуждая их более интенсивно уничтожать чужеродные для организма белки, вирусы и клетки. Более того, иммуностимулирующее действие ТЭС настолько сильно, что иногда может избавить больного от аллергии.

Бета-эндорфин не только обезболивающее средство, он может действовать как антидепрессант и анксиолитик (лекарство, снимающее синдром тревоги). Поэтому электростимуляцией мозга можно лечить депрессии и синдром хронической усталости. Синдром хронической усталости в последнее время поражает все больше людей среднего и молодого возрастов. Одного сеанса ТЭС достаточно, чтобы люди почувствовали себя отдохнувшими и признаки утомления исчезали.

С помощью ТЭС можно эффективно проводить начальную адаптацию оператора к своей рабочей деятельности. Электростимуляция вырабатывает у него нервно-психологическую устойчивость к новым условиям жизни.

Электростимуляция мозга помогает в лечении абстинентного синдрома и избавляет от наркотической зависимости и тяги к алкоголю. ТЭС ускоряет процесс заживления ран и ожогов. Это объясняется тем, что у ожоговых больных при действии импульсного тока наблюдался выраженный обезболивающий эффект. При снятии болевого синдрома улучшается кровообращение в периферических тканях, а следовательно, у больных усиливаются репаративные процессы - лучше идет заживление. Кроме того, у них налаживается сон, улучшается аппетит, они становятся спокойнее. В крови увеличивается также содержание соматотропного гормона (гормона роста), который, как и инсулин, является анаболическим, то есть стимулирующим синтез новых клеточных белков.

После сеанса электростимуляции наряду с повышением содержания бета-эндор-фина в крови возрастает концентрация и других важнейших нейромедиаторов, например серотонина. Выработка серотонина играет основную роль в улучшении внимания и памяти [2].

К недостаткам существующих аппаратов ТЭС (ТРАНСАИР, ЭТРАНС, МДТ) можно отнести отсутствие у них биологической обратно связи (БОС), что затрудняет подбор индивидуальных параметров стимулирующего импульса и делает практически невозможным оперативное варьирование параметрами стимуляции, в том числе и комплексного воздействия на мозг человека.

Для организации БОС лучше всего использовать метод омегаметрии, тогда одни и те же электроды можно использовать и для стимуляции, и для диагностики ее эффективности.

В анестезиологии омегаметрия может быть использована в качестве объективного критерия для оценки эффективности примедекации, прогнозировать затянувшееся пробуждение после операции и пр. [3]. Метод транскраниальной электро-

стимуляции с одновременной возможностью диагностирования и корректирования параметров стимулирующего импульса защищен патентом №2201130 от 22.03.2001 (авторы Хало П.В. и др.).

Прибор с возможностью автоматического подбора оптимальной индивидуальной частоты стимуляции, длительности следования импульсов и силы воздействующего тока с БОС на основе измерителя омега-потенциала был отмечен дипломом Всероссийской научно-технической выставки «Инновация-2005». Разработка осуществлена авторами статьи.

Устройство предназначено для электрического воздействия на глубинные структуры мозга с одновременной возможностью диагностики оказываемого эффекта. Может применяться для оперативного контроля и коррекции человека - оператора, анестезии, для построения систем с психологической обратной связью и пр.

Основными элементами устройства являются персональный компьютер (ПК) и собственно устройство транскраниальной электростимуляции с БОС. ПК позволяет задавать параметры и направления стимулирующих импульсов, контролировать оказываемый эффект воздействия и вести базу данных пациентов.

Транскраниальный электростимулятор с БОС состоит из следующих блоков (рис. 3): контроллер ввода-вывода и управления (Р1С), два 8-канальных 10-разрядных цифроаналоговых преобразователя, управляющих амплитудами токов (ЦАП), 16 генераторов тока (ГН+ и ГН-), 8-ми коммутаторов (КЛЮЧ) и 8-канального блока съема биологической информации (ИУ и АЦП).

Рис. 3. Схем,а транскраниального электростимулятора

Контроллер ввода-вывода осуществляет обмен данными между ПК и ТКСБОС по шине иЯВ. Контроллер формирует управляющие коды для двух восьмиканальных ЦАПов. Связь со всеми управляемыми объектами осуществляется через оптоэлектронную развязку. Контроллер может быть реализован на микросхеме Р1С16С765.

Существует два режима работы стимулятора: режим воздействия и режим диагностики.

Режим воздействия обеспечивает формирование заданных последовательностей положительного и отрицательного тока по каждому из 8-ми каналов одновременно. Каждый канал электростимулятора состоит из двух объединенных генераторов положительного и отрицательного тока.

Первый 8-канальный ЦАП (АБ5328) управляет амплитудой положительного тока, второй 8-канальный ЦАП управляет амплитудой отрицательного тока. Генераторы положительного (ГН+) и отрицательного тока (ГН-) реализованы по стандартной схеме на высоковольтных полевых транзисторах по схеме с общим затвором. Максимальное значение формируемого тока по каждому каналу составляет ЮмА. Выходы генераторов тока подсоединяются к пациенту через резисторы (К) ЮООм и коммутаторы. Резисторы используются для контроля значения тока и надежности подключения электродов.

Значение формируемого тока контролируется следующим образом: падение напряжения на включенном последовательно с каждым каналом стимуляции резисторе ЮООм усиливается дифференциальным усилителем (ДУ) ША117 и поступает на один из входов 8-канального АЦП, цифровые выходы которого через контроллер поступают в ПК.

Режим диагностики предназначен для измерения вызванных потенциалов мозга, возникших в результате стимуляции, а также для измерения ЭЭГ перед стимуляцией.

В режиме диагностики коммутатор отключает выходы генераторов тока и подключает к электродам (Э1-Э8) схемы измерения. Схема измерения состоит из схемы усиления, реализованной на инструментальных усилителях (АБ621), ФВЧ (МАХ7490) и 24-разрядного дельта-сигма АЦП (АБ7710). Выходы АЦП передаются в ПК через контроллер по шине иЯВ. Управление коммутаторами осуществляется с помощью контроллера.

Установка электродов может быть произвольной и зависит только от поставленной задачи диагностики и коррекции той или иной области головного мозга. В качестве электродов используются стандартные хлорсеребряные электроды для ЭЭГ. Ввиду гибкой возможности формирования любых параметров, частоты, периода и формы, стимулирующего импульса, устройство может быть использовано для стимуляции других областей организма, а также может синхронизовать стимуляцию с другими биологическими параметрами человеческого организма: ЧСС, пневмограмма, стабилограмма и пр.

Устройство является мобильным и может быть размещено в шлеме оператора, тогда связь с ПК может осуществляться по радиоканалу. Разрабатываемое устройство может быть использовано также для построения систем с психологической обратной связью. Для этого достаточно снабдить его дополнительным источником визуальной и/или аудиальной семантической стимуляции и синхронизовать периоды съема ЭЭГ и электростимуляцию с психосемантическим воздействием.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Маркина Н. Сильное поле слабого тока//Наука и жизнь. 2000. №12.

2. Иванов-Муромский К.А. Электронаркоз: факты, гипотезы, перспективы//Природа. 1968. №6.

3. Илюхин В.А., Хабаева Э.Г., Никитин Л.И. Сверхмедленные физиологические процессы и межсистемные взаимодействия в организме. - Л.: Наука, 1986.