Oscylacje o wysokiej częstotliwości mogą pomóc w leczeniu napadów padaczkowych
Padaczka jest przewlekłym zaburzeniem neurologicznym spowodowanym nagłymi, nieprawidłowymi wyładowaniami elektrycznymi w mózgu, charakteryzującym się nawracającą chwilową utratą świadomości, drganiem mięśni lub długotrwałymi napadami. Jest to jedno z najczęstszych schorzeń neurologicznych. Chociaż leki przeciwpadaczkowe pozwalają do pewnego stopnia kontrolować napady, pierwotna aktywność padaczkowa może nadal powodować szkody, upośledzając pamięć u dorosłych lub rozwój poznawczy u dzieci. Ponadto leki powodują działania niepożądane, a niektórzy pacjenci wciąż doświadczają napadów pomimo ich przyjmowania. „Chirurgiczne leczenie padaczki może być skuteczne, jeśli chorobowo zmieniona tkanka mózgowa zostanie precyzyjnie zlokalizowana i usunięta w całości”, mówi Maeike Zijlmans(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynatorka finansowanego przez UE projektu Epilepsy_Core. Wnioski z projektu przyczyniły się do poprawy wyników leczenia chirurgicznego, umożliwiając precyzyjną identyfikację tkanki epileptycznej na podstawie aktywności elektrycznej rejestrowanej w trakcie operacji. „Udoskonaliliśmy wykorzystanie stosunkowo starej metody elektrokortykografii śródoperacyjnej, poprawiając zarówno samo rejestrowanie, jak i analizę aktywności elektrycznej mózgu”, wyjaśnia Zijlmans z Uniwersyteckiego Centrum Medycznego w Utrechcie(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (UMC Utrecht), będącego gospodarzem projektu.
Docieranie do informacji zawartych w sygnałach elektrycznych mózgu
Inspiracją dla projektu Epilepsy_Core, finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), było opracowanie sposobu na wykorzystanie sygnałów elektrycznych mózgu w celu uzyskania informacji o źródle aktywności epileptycznej. „Podczas gdy elektroencefalografia(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (EEG) umożliwia badanie aktywności mózgu za pomocą elektrod umieszczonych na skórze głowy, sygnały elektryczne mogą być również rejestrowane bezpośrednio z tkanki mózgowej. Chociaż rejestrację można by prowadzić podczas napadu, nie jest łatwo zlokalizować chorą tkankę. Natomiast zastosowanie śródoperacyjnych metod wykrywania mogłoby bezpośrednio ukierunkować działania neurochirurga”, zauważa Zijlmans. Oczywistym jest jednak, że reagowanie na nieprzewidywalne i nagłe napady nie jest realną strategią postępowania chirurgicznego, dlatego zespół wykorzystał kluczowe odkrycie. Istnieje możliwość wykrycia tak zwanych „padaczkowych wyładowań międzynapadowych”, powiązanych z miejscem, w którym występuje tkanka epileptyczna. Chociaż wyładowania te występują poza tkanką epileptyczną, odkryto, że przy analizie częstotliwości inwazyjnego EEG powyżej 80 Hz [a nawet 250 Hz] – czyli wyższych niż normalnie – sygnały te pomagają precyzyjnie zlokalizować obszar padaczkowy(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Jednak amplitudy(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oscylacji o wysokiej częstotliwości są niewielkie i występują losowo, dlatego zespół projektu Epilepsy_Core musiał ulepszyć ich rejestrowanie i analizę. „Ponieważ aktywność padaczkowa mózgu obejmuje bardzo niewielki obszar, łatwo ją przeoczyć, gdy jest rejestrowana przy użyciu typowych siatek elektrod o niskiej gęstości, z elektrodami rozmieszczonymi w odległości 1 cm od siebie. Przetestowaliśmy więc siatki elektrod o wysokiej gęstości z czterokrotnie większą liczbą elektrod, zbierając około 25% więcej informacji o wysokiej częstotliwości”, wyjaśnia Zijlmans. Elastyczne siatki elektrod zostały zaprojektowane specjalnie w celu rejestrowania aktywności w wąskich przestrzeniach chirurgicznych w mózgu – głównie w celu sprawdzenia, czy cała tkanka epileptyczna została usunięta. „Równie obiecujące jest odkrycie, że stymulacja elektryczna może wywoływać oscylacje wysokiej częstotliwości, eliminując konieczność czekania na ich spontaniczne wystąpienie. Jednak bezpośrednie wdrożenie śródoperacyjne będzie dla nas sporym wyzwaniem”, dodaje Zijlmans.
Coraz bliżej chirurgicznego leczenia padaczki
Kolejnym krokiem w kierunku chirurgicznego leczenia padaczki była analiza szeregu cech sygnałów, co przyniosło dalsze obiecujące odkrycia. Na przykład entropia widmowa pasma wysokich częstotliwości (nieprzewidywalność przy wyższych częstotliwościach) jest łatwa do obliczenia, zaś wysokie zmiany entropii widmowej wskazują na aktywność epileptyczną. Wykorzystanie uczenia maszynowego do analizy tych cech sygnału elektrokortykograficznego może posłużyć jako metoda potwierdzenia, czy pacjent jest wolny od napadów po operacji. „Nasze badania przyczyniają się również do poszerzenia ogólnej wiedzy na temat padaczki – ujawniają na przykład, w jaki sposób aktywność padaczkowa negatywnie wpływa na funkcjonowanie poznawcze, niezależnie od napadów, wyraźnie łącząc aktywność padaczkową z markerami stanu zapalnego w zajętej tkance”, dodaje Zijlmans. Dążąc do opracowania produktu klinicznego, zespół będzie w dalszym ciągu badał sygnały przy użyciu bardziej zaawansowanych technik uczenia maszynowego i kontynuował prace nad rozwojem elastycznych siatek elektrod i metod stymulacji.
