Роль неинвазивной стимуляции мозга в развитии современных технологий когнитивного усиления и когнитивной реабилитации

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В представленном обзоре анализируются современные технологии когнитивного усиления и когнитивной реабилитации, использующие неинвазивную стимуляцию мозга. Рассмотрены примеры успешного применения активно развивающихся методов неинвазивной стимуляции мозга – транскраниальной магнитной и электрической стимуляции, а также методов сенсорной стимуляции – акустических, зрительных и аудиовизуальных воздействий. Отдельно рассмотрены примеры успешного усиления и восстановления когнитивных функций с использованием методов неинвазивной сенсорной стимуляции с обратной связью от электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Показаны преимущества инновационных технологий когнитивной реабилитации с использованием компьютерных преобразований ЭЭГ. Проанализированы возможности и перспективы использования рассмотренных технологий в качестве инструмента при проведении широкого спектра реабилитационных процедур. Представлены результаты собственных исследований автора в этом направлении.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. И. Федотчев

ФГБУН ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН»

Автор, ответственный за переписку.
Email: fedotchev@mail.ru

Институт биофизики клетки РАН 

Россия, 142290, Московская область, г. Пущино

Список литературы

  1. Бакулин И.С., Пойдашева А.Г., Павлов Н.А. и др. Транскраниальная электрическая стимуляция в улучшении функции руки при инсульте // Успехи физиол. наук. 2019. Т. 50. № 1. С. 90–104. https://doi.org/10.1134/S030117981901003X.
  2. Бакулин И.С., Пойдашева А.Г., Медынцев А.А. и др. Транскраниальная магнитная стимуляция в когнитивной нейронауке: методологические основы и безопасность // Российский журнал когнитивной науки. 2020. Т. 7. № 3. С. 25–44. https://doi.org/10.47010/20.3.2.
  3. Бакулин И.С., Пойдашева А.Г., Лагода Д.Ю. и др. Перспективы развития терапевтической транскраниальной магнитной стимуляции // Нервные болезни. 2021. № 4. С. 3–10. https://doi.org/10.24412/2226-0757-2021-12371.
  4. Боголепова А.Н., Левин О.С. Когнитивная реабилитация пациентов с очаговыми поражениями головного мозга // Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2020. Т. 120. № 4. С. 115–122. https://doi.org/10.17116/jnevro2020120041115.
  5. Дик О.Е., Ноздрачёв А.Д. Динамика паттернов электрической активности мозга при нарушениях его функционального состояния. Успехи физиол. наук. 2020. Т. 51. № 2. С. 68–87. https://doi.org/10.31857/S0301179820020046.
  6. Забирова А.Х., Бакулин И.С., Пойдашева А.Г., Захарова М.Н., Супонева Н.А. Когнитивные нарушения и методы их терапии у пациентов с рассеянным склерозом. Альманах клинической медицины. 2023. Т. 51. № 2. С. 110–125. https://doi.org/10.18786/2072-0505-2023-51-009.
  7. Калантарова М.В., Завалий Л.Б., Борисоник Е.В. и др. Цифровые технологии в когнитивной реабилитации пациентов с очаговыми поражениями головного мозга // Консультативная психология и психотерапия. 2020. Т. 28. № 3. С. 122–141. https://doi.org/10.17759/cpp.2020280308.
  8. Константинов К.В., Леонова М.Л., Мирошников Д.Б., Клименко В.М. Особенности восприятия акустического образа собственной биоэлектрической активности головного мозга. Рос. физиол. журн. им. И.М.Сеченова. 2014. Т. 100. № 6. С. 710–721.
  9. Лагода Д.Ю., Добрынина Л.А., Супонева Н.А. и др. Ритмическая транскраниальная магнитная стимуляция в терапии умеренных когнитивных расстройств при церебральной микроангиопатии // Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2021. Т. 15. № 4. С. 5–14. https://doi.org/10.54101/ACEN.2021.4.1.
  10. Нуйдель И.В., Колосов А.В., Демарева В.А., Яхно В.Г. Применение феноменологической математической модели для воспроизведения эффекта взаимодействия эндогенных и экзогенных осцилляций при нейробиоуправлении // Современные еехнологии в медицине. 2019. Т. 11. № 1. С. 103–108. https://doi.org/10.17691/stm2019.11.1.12.
  11. Пирадов М.А., Черникова Л.А., Супонева Н.А. Пластичность мозга и современные технологии нейрореабилитации // Вестник РАН. 2018. Т. 88. № 4. С. 299–312. https://doi.org/10.7868/S0869587318040023.
  12. Пойдашева А.Г., Бакулин И.С., Лагода Д.Ю. и др. Транскраниальная электрическая стимуляция постоянным током с высоким разрешением (обзор литературы) // Успехи физиол. наук. 2021. Т. 52. № 1. С. 3–15. https://doi.org/10.31857/S0301179821010070.
  13. Савчук Л.В., Полевая С.А., Парин С.Б., Бондарь А.Т., Федотчев А.И. Резонансное сканирование и анализ ЭЭГ при определении зрелости корковой ритмики у младших школьников // Биофизика. 2022. Т. 67. № 2. С. 354–361. https://doi.org/10.31857/S0006302922020181.
  14. Столбков Ю.К., Герасименко Ю.П. Нейромодуляция моторных функций с помощью неинвазивных церебеллярной и спинальной стимуляций постоянным током. Успехи физиол. наук. 2021. Т. 52. № 2. С. 21–38. https://doi.org/10.31857/S0301179821020089.
  15. Терешин А.Е., Кирьянова В.В., Константинов К.В. и др. Биоакустическая коррекция в когнитивной реабилитации пациентов с очаговыми поражениями головного мозга // Вестник восстановительной медицины. 2019. № 5(93). С. 47–56.
  16. Федотчев А.И. Эффекты фотостимуляции, управляемой ЭЭГ человека // Биофизика. 2019. Т. 64. № 2. С. 358–361. https://doi.org/10.1134/S0006302919020157.
  17. Федотчев А.И. Методы адаптивной нейростимуляции с обратной связью: особенности, достижения и перспективы развития // Рос. физиол. журн. им. И.С.Сеченова. 2023. Т. 109. № 9. С. 1–16. https://doi.org/10.31857/S0869813923090030.
  18. Федотчев А.И., Земляная А.А., Парин С.Б., Полевая С.А., Силантьева О.М. Когнитивная реабилитация пожилых людей с помощью музыкального нейроинтерфейса // Профилактическая медицина. 2020. Т. 23. № 2. С. 42–46. https://doi.org/10.17116/profmed20202302142.
  19. Федотчев А.И., Земляная А.А., Савчук Л.В., Полевая С.А. Нейроинтерфейс с двойной обратной связью от ЭЭГ в коррекции стресс-вызванных расстройств // Современные технологии в медицине. 2019 а. Т. 11. № 1. С. 150–154. https://doi.org/10.17691/stm2019.11.1.17.
  20. Федотчев А.И., Крук В.М., Семикин Г.И. Функциональная надежность специалиста: современные риски и возможности их устранения // Успехи физиол. наук. 2019 б. Т. 50. № 3. С. 1–11. https://doi.org/10.1134/S0301179819030044.
  21. Федотчев А.И., Радченко Г.С. Музыкальная терапия и музыка мозга: состояние, проблемы и перспективы исследований // Успехи физиол. наук. 2013. Т. 44. № 4. С. 34–48.
  22. Щегольков А.М., Алехнович А.В., Тимергазина Э.З., Дыбов М.Д., Массальский Р.И. Влияние биоакустической коррекции на процесс медицинской реабилитации больных с последствиями преходящих цереброваскулярных нарушений // Госпитальная медицина: наука и практика. 2022. № 5(4). С. 46–49. https://doi.org/10.34852/GM3CVKG.2022.17.46.009.
  23. Antal A., Luber B., Brem A.K. et al. Non-invasive brain stimulation and Pneuroenhancement // Clin. Neurophysiol. Pract. 2022. V. 7. P. 146–165. https://doi.org/10.1016/j.cnp.2022.05.002.
  24. Bakulin I., Zabirova A., Lagoda D. et al. Combining HF rTMS over the left DLPFC with concurrent cognitive activity for the offline modulation of working memory in healthy volunteers: A proof-of-concept study // Brain Sciences. 2020. V. 10. № 2. P. 83–88. https://doi.org/10.3390/brainsci10020083.
  25. Birba A., Ibáñez A., Sedeño L. et al. Non-Invasive Brain Stimulation: A New Strategy in Mild Cognitive Impairment? // Front. Aging Neurosci. 2017. V. 9. № 16. https://doi.org/10.3389/fnagi.2017.00016.
  26. Choi J., Kwon M., Jun S.C. A Systematic Review of Closed-Loop Feedback Techniques in Sleep Studies-Related Issues and Future Directions // Sensors (Basel). 2020. V. 20. № 10. P. E2770. https://doi.org/ 10.3390/s20102770.
  27. Debellemanière E., Pinaud C., Schneider J. et al. Optimising sounds for the driving of sleep oscillations by closed-loop auditory stimulation // J. Sleep Res. 2022. V. 31. № 6: P. e13676. https://doi.org/10.1111/jsr.13676.
  28. Draaisma L.R., Wessel M.J., Hummel F.C. Non-invasive brain stimulation to enhance cognitive rehabilitation after stroke // Neurosci. Lett. 2020. V. 719. № 133678. https://doi.org/10.1016/j.neulet.2018.06.047.
  29. Farkhondeh T.N.F., Heysieattalab S., Ramanat-han D.S., Raoufy M.R., Nazari M.A. Closed-loop Modulation of the Self-regulating Brain: A Review on Approaches, Emerging Paradigms, and Experimental Designs // Neuroscience. 2022. V. 483. P. 104–126. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2021.12.004.
  30. Fedotchev A., Parin S., Polevaya S. Resonance scanning as an efficiency enhancer for EEG-guided adaptive neurostimulation // Life. 2023. V. 13. № 620. P. 1–9. https://doi.org/10.3390/life13030620.
  31. Fedotchev A., Parin S., Polevaya S., Zemlianaia A. EEG-based musical neurointerfaces in the correction of stress-induced states // Brain Comput. Interfaces. 2022. V. 9. P. 1–6. https://doi.org/10.1080/2326263X2021.1964874.
  32. Fedotchev A.I., Radchenko G.S., Zemlyanaya A.A. On one approach to health protection: music of the brain // J. Integr. Neurosci. 2018. V. 17. № 3–4. P. 309–315. https://doi.org/10.3233/JIN-170053.
  33. Fisicaro F., Lanza G., Bella R., Pennisi M. «Self-Neuroenhancement»: The Last Frontier of Noninvasive Brain Stimulation? // J. Clin. Neurol. 2020. V. 16. № 1. P. 158–159. https://doi.org/10.3988/jcn.2020.16.1.158.
  34. Gonsalvez I., Spagnolo P., Dworetzky B., Baslet G. Neurostimulation for the treatment of functional neurological disorder: A systematic review // Epilepsy Behav. Rep. 2021. V. 16. P. 100501. https://doi.org/10.1016/j.ebr.2021.100501.
  35. Grani F., Soto-Sánchez C., Fimia A., Fernández E. Toward a personalized closed-loop stimulation of the visual cortex: Advances and challenges // Front. Cell Neurosci. 2022. V. 16. № 1034270. https://doi.org/10.3389/fncel.2022.1034270.
  36. Jangwan N.S., Ashraf G.M., Ram V. et al. Brain augmentation and neuroscience technologies: current applications, challenges, ethics and future prospects // Front. Syst. Neurosci. 2022. V. 16. № 1000495. https://doi.org/10.3389/fnsys.2022.1000495.
  37. Kan R.L.D., Zhang B.B.B., Zhang J.J.Q., Kranz G.S. Non-invasive brain stimulation for posttraumatic stress disorder: a systematic review and meta-analysis // Transl. Psychiatry. 2020. V. 10. № 1. P. 168. https://doi.org/10.1038/s41398-020-0851-5.
  38. Ketz N., Jones A.P., Bryant N.B., Clark V.P., Pilly P.K. Closed-Loop Slow-Wave tACS Improves Sleep-Dependent Long-Term Memory Generalization by Modulating Endogenous Oscillations // J. Neurosci. 2018. V. 38. № 33. P. 7314–7326. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0273-18.2018.
  39. Khanna A., Pascual-Leone A., Michel C.M., Farzan F. Microstates in resting-state EEG: current status and future directions // Neurosci. Biobehav. Rev. 2015. V. 49. P. 105–113. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2014.12.010.
  40. Koenig T., Smailovic U., Jelic V. Past, present and future EEG in the clinical workup of dementias // Psychiatry Res. Neuroimaging. 2020. V. 306. № 111182. https://doi.org/10.1016/j.pscychresns.2020.111182.
  41. Lagarrigue Y., Cappe C., Tallet J. Regular rhythmic and audio-visual stimulations enhance procedural learning of a perceptual-motor sequence in healthy adults: A pilot study // PLoS One. 2021. V. 16. № 11. P. e0259081. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0259081.
  42. Liu Y., Liu S., Tang C. et al. Transcranial alternating current stimulation combined with sound stimulation improves cognitive function in patients with Alzheimer's disease: Study protocol for a randomized controlled trial // Front. Aging Neurosci. 2023. V. 14. № 1068175. https://doi.org/10.3389/fnagi.2022.1068175.
  43. Malkani R.G., Zee P.C. Brain Stimulation for Improving Sleep and Memory // Sleep Med. Clin. 2020. V. 15. № 1. P. 101–115. https://doi.org/10.1016/j.jsmc.2019.11.002.
  44. Marazziti D., Avella M.T., Ivaldi T. et al. Neuroenhancement: State of the Art and Future Perspectives // Clin. Neuropsychiatry. 2021. V. 18. № 3. P. 137–169. https://doi.org/10.36131/cnfioritieditore20210303.
  45. Mukhina E.A., Polevaya S.A., Parin S.B., Fedotchev A.I. Cognitive rehabilitation of patients with acute cerebrovascular accident using EEG-guided adaptive neurostimulation // Opera Med. Physiol. 2021. V. 8. № 4. P. 90–96. https://doi.org/10.24412/2500-2295-2021-4-90–96.
  46. Nasr K., Haslacher D., Dayan E. et al. Breaking the boundaries of interacting with the human brain using adaptive closed-loop stimulation // Prog. Neurobiol. 2022. V. 216. P. 102311. https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2022.102311.
  47. Ngo H.V., Seibold M., Boche D.C., Mölle M., Born J. Insights on auditory closed-loop stimulation targeting sleep spindles in slow oscillation up-states // J. Neurosci. Methods. 2019. V. 316. P. 117–124. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2018.09.006.
  48. Pabst A., Proksch S., Médé B. et al. A systematic review and meta-analysis of the efficacy of intermittent theta burst stimulation (iTBS) on cognitive enhancement // Neurosci. Biobehav. Rev. 2022. V. 135. № 104587. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2022.104587.
  49. Polevaya S.A., Parin S.B., Fedotchev A.I. Current trends and prospects for development of non-invasive brain stimulation // Opera Med. Physiol. 2024. V. 11. № 1. P. 147–155. https://doi.org/10.24412/2500-2295-2024-1-147-155.
  50. Polevaya S.A., Parin S.B., Zemlyanaya A.A., Fedotchev A.I. Dynamics of EEG reactions under combination of resonance scanning and adaptive neurostimulation in patients with post-COVID syndrome // Opera Med. Physiol. 2022. V. 9. № 2. P. 103–109. https://doi.org/10.24412/2500-2295-2022-2-103-109.
  51. Qiao J., Wang Y., Wang S. Natural frequencies of neural activities and cognitions may serve as precise targets of rhythmic interventions to the aging brain // Front. Aging Neurosci. 2022. V. 14. P. 988193. https://doi.org/10.3389/fnagi.2022.988193.
  52. Rêgo G.G., Gonçalves Ó.F., Boggio P.S. Attention neuroenhancement through tDCS or neurofeedback: a randomized, single-blind, controlled trial // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 17613. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22245-6.
  53. Reiner M., Gruzelier J., Bamidis P.D. Cognitive enhancement: A system view // Int. J. Psychophysiol. 2017. V. 122. P. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2017.07.011.
  54. Ruch S., Schmidig F.J., Knüsel L., Henke K. Closed-loop modulation of local slow oscillations in human NREM sleep // Neuroimage. 2022. V. 264. P. 119682. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.119682.
  55. Schifano F., Catalani V., Sharif S. et al. Benefits and Harms of 'Smart Drugs' (Nootropics) in Healthy Individuals // Drugs. 2022. V. 82. № 6. P. 633–647. https://doi.org/10.1007/s40265-022-01701-7.
  56. Schneider J., Lewis P.A., Koester D. et al. Susceptibility to auditory closed-loop stimulation of sleep slow oscillations changes with age // Sleep. 2020. V. 43. № 12. P. zsaa111. https://doi.org/10.1093/sleep/zsaa111.
  57. Shaltout H.A., Lee S.W., Tegeler C.L. et al. Improvements in Heart Rate Variability, Baroreflex Sensitivity, and Sleep After Use of Closed-Loop Allostatic Neurotechnology by a Heterogeneous Cohort // Front. Public Health. 2018. V. 6. P. 116. https://doi.org/10.3389/fpubh.2018.00116.
  58. Sharif S., Guirguis A., Fergus S., Schifano F. The Use and Impact of Cognitive Enhancers among University Students: A Systematic Review // Brain Sci. 2021. V. 11. № 3. P. 355. https://doi.org/10.3390/brainsci11030355.
  59. Tegeler C.L., Gerdes L., Shaltout H.A. et al. Successful use of closed-loop allostatic neurotechnology for post-traumatic stress symptoms in military personnel: self-reported and autonomic improvements // Mil. Med. Res. 2017. V. 4. № 1. P. 38. https://doi.org/10.1186/s40779-017-0147-0.
  60. Tegeler C.L., Shaltout H.A., Lee S.W. et al. Pilot Trial of a Noninvasive Closed-Loop Neurotechnology for Stress-Related Symptoms in Law Enforcement: Improvements in Self-Reported Symptoms and Autonomic Function // Glob. Adv. Health. Med. 2020. V. 9. № 2164956120923288. https://doi.org/10.1177/2164956120923288.
  61. Tegeler C.L., Munger Clary H., Shaltout H.A. et al. Cereset Research Standard Operating Procedures for Insomnia: A Randomized, Controlled Clinical Trial // Glob. Adv. Integr. Med. Health. 2023. V. 12. № 27536130221147475. https://doi.org/10.1177/27536130221147475.
  62. Von Bastian C.C., Hyde E.R.A., Jiang S. Tackling cognitive decline in late adulthood: Cognitive interventions // Curr. Opin. Psychol. 2023. V. 56. № 101780. https://doi.org/10.1016/j.copsyc.2023.101780.
  63. Wei P., Li L., Lanza G., Cantone M., Gu P. Editorial: Application of noninvasive neuromodulation in cognitive rehabilitation // Front. Neurol. 2023. V. 14. № 1333474. https://doi.org/ 10.3389/fneur.2023.1333474.
  64. Wendt K., Denison T., Foster G. et al. Physio-logically informed neuromodulation // J. Neurol. Sci. 2022. V. 434. P. 120121. https://doi.org/10.1016/j.jns.2021.120121.
  65. Yang H., Luo Y., Hu Q., Tian X., Wen H. Benefits in Alzheimer's Disease of Sensory and Multisensory Stimulation // J. Alzheimers Dis. 2021. V. 82. № 2. P. 463–484. https://doi.org/10.3233/JAD-201554.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025