Cellular and Molecular Mechanisms Underlying Transcranial Magnetic Stimulation: Experimental Data for Evaluating Changes in Nervous Tissue

Full Text

Введение

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) — это метод направленного неинвазивного воздействия на электрическую активность нейронов. Суть его заключается в стимуляции нервных клеток короткими магнитными импульсами, вызывающими деполяризацию пре- и постсинаптической мембраны. В головном мозге магнитное поле индуцирует электрический ток, влияющий на электрофизиологические параметры нейронов стимулируемой области [1–3].

В настоящее время ТМС широко применяется в клинической практике с целью диагностики, лечения и реабилитации ряда неврологических и психических заболеваний. Согласно европейским рекомендациям [4], на сегодняшний день установлена эффективность данного метода в лечении клинической депрессии, резистентной к медикаментозной терапии [5–7], нейропатической боли [8–10] (уровень доказательности А), при реабилитации пациентов c двигательным постинсультным дефицитом [11, 12] (уровень доказательности В). Статистически значимая положительная динамика прослеживалась в случае болезни Паркинсона [13, 14], спастичности при рассеянном склерозе [15], мигрени [16] и др.

В исследовательской практике ТМС используется для оценки возбудимости моторной коры, динамики когнитивных процессов, функционального картирования мозга [3].

Данный метод, как правило, хорошо переносится пациентами. Соблюдение рекомендаций по безопасности минимизирует появление таких серьёзных неблагоприятных эффектов, как развитие эпилептических приступов (частота возникновения менее 1 на 60 000 сеансов) [17, 18]. Другие побочные эффекты, такие, например, как болевые ощущения в месте стимуляции, возникают чаще, но в большинстве случаев не влияют на переносимость процедуры [19].

Особая сложность изучения влияния ТМС на структуры головного мозга состоит в оценке направленности воздействия на немоторные зоны коры. В связи с этим затруднительно прогнозировать и интерпретировать результаты, полученные активацией совокупности нейронных сетей. Одновременное проведение электроэнцефалографии [20], функциональной магнитно-резонансной томографии, когнитивного тестирования и других методов [21] может решить проблемы детекции лишь частично.

Хотя клинические эффекты ТМС признаны, изменения в нервной ткани на клеточном и молекулярном уровнях при разной длительности и интенсивности стимуляции мало изучены методами клеточной нейробиологии. Проведение экспериментов на лабораторных животных осложняется несоответствием размеров катушки и стимулируемой области головного мозга. Направленное воздействие и сопоставление экспериментальных данных с клиническими результатами затруднено.

Фундаментальные исследования морфологии и функциональной активности нейронов и их клеточного окружения в ответ на воздействие магнитным полем с разными параметрами позволят существенно повысить эффективность данного метода.

Целью работы явился анализ и обобщение новых экспериментальных данных о фундаментальных механизмах действия ТМС и потенциальных возможностях данного метода в модуляции структурно-функциональных изменений в нервной ткани.

В настоящее исследование были включены экспериментальные работы преимущественно последних 5–7 лет, дающие оценку структурно-функциональным изменениям клеточных элементов нервной ткани под действием ТМС при помощи методов нейроморфологии и нейровизуализации. Поиск осуществлялся в базах данных PubMed и Google Scholar.

Общие аспекты ТМС

Подавляющее большинство исследований клеточных механизмов ТМС на лабораторных животных выполнено при стимуляции полушария или целого мозга крыс и мышей. Ввиду малых размеров грызунов фокальная стимуляция затруднительна, однако может быть достигнута либо применением миниатюрных катушек разной конструкции, в том числе с использованием ферромагнитного сердечника либо экранирующих материалов [22, 23]. В ранних работах было показано, что локальная стимуляция достижима у крыс при использовании применяемых в клинической практике 8-образных катушек. Разработка подобных катушек для крыс позволила генерировать односторонние двигательные вызванные потенциалы отдельной конечности, что указывает на возможность достаточно локального воздействия без существенного изменения конструкции катушки [22]. Другой подход в достижении локального воздействия состоит в снижении интенсивности магнитного поля [24], что, однако, встречает критику в связи с трудностями переноса получаемых в эксперименте результатов на человека.

Различия в размере мозга, интенсивности магнитной индукции и взаимодействии электрического поля с нервной тканью затрудняют трансляцию доклинических результатов, хотя компьютерное моделирование может облегчить подбор сходных условий стимуляции [25] и анализ электрических полей, возникающих в культурах клеток [26]. Кроме того, в ограничения исследований ТМС в эксперименте на животных входит в ряде случаев использование анестезии.

Вместе с тем очевидны и преимущества исследований эффектов ТМС на экспериментальных моделях: это контролируемые условия эксперимента, обеспечение однородности исследуемой выборки, использование генетических моделей заболеваний, применение всего арсенала современных методов нейровизуализации, включая in vivo микроскопию, а также возможность проведения нейроморфологических исследований для оценки off-lineэффекта (табл. 1).

 

Таблица 1. Возможности экспериментальных методов для оценки эффектов ТМС

Table 1. Summary of experimental methods to assess TMS effects

Объект, оцениваемые эффекты, уровень организации Object, assessed effects, level of organization	Культуры клеток; online, offline эффекты; клетка, межклеточные взаимодействия Cell cultures; online, offline effects; cell, intercellular interactions	Переживающие срезы, online; клетка, отдельные структуры мозга Acute slices, online; cell, individual brain structures	Животное, online, offline; структуры и системы Animal, online, offline; structures and systems	Математическая модель, online; структуры и системы Mathematical model, online; structures and systems
Основные методы исследования Key study methods	Электрофизиология, флуоресцентная визуализация, иммуноморфология, биохимия, молекулярные и биохимические методы Electrophysiology, fluorescence imaging, immunomorphology, biochemistry, molecular and biochemical methods	Электрофизиология, флуоресцентная визуализация быстрых процессов Electrophysiology, fluorescence imaging of fast processes	Электрофизиология, поведение (двигательные и когнитивные тесты), микроскопия in vivo, иммуноморфология, молекулярные и биохимические методы Electrophysiology, behavior (motor and cognitive tests), in vivo microscopy, immunomorphology, molecular and biochemical methods	Моделирование условий и анализ магнитных и электрических полей в объекте при стимуляции Simulation of conditions and analysis of magnetic and electric fields in an object during stimulation
Возбуждение и синаптическая передача Excitation and synaptic transmission	+	+	+/–
Пролиферация, дифференцировка и миграция Proliferation, differentiation, and migration	+	–	+
Межклеточные, глионейрональные взаимодействия Intercellular, glioneuronal interactions	+	+/–	+
Синаптогенез Synaptogenesis	+	–	+
Разработка новых клинических протоколов стимуляции Development of new clinical stimulation protocols	–	–	+/–	+

 

Различают ТМС однократными стимулами, парными стимулами и ритмическую ТМС (рТМС). В этом случае генерируется серия импульсов с различными параметрами частоты и интенсивности. В случае рТМС условно выделяют низкочастотную стимуляцию (0,2–1,0 Гц), которая снижает нейрональную возбудимость, и высокочастотную стимуляцию (5 Гц или более), оказывающую возбуждающий эффект [2].

При низкочастотной рТМС чаще всего используется непрерывное нанесение одиночных импульсов, тогда как при высокочастотной рТМС обычно используются серии стимулов продолжительностью 2–10 с, разделённые паузами 20–50 с.

В дополнение к этим традиционным формам рТМС существуют некоторые другие подходы, один из которых реализуется в форме θ-паттерна — стимуляция интермиттирующими θ-вспышками (intermittent theta-burst stimulation, iTBS) или постоянными θ-вспышками (continuous theta-burst stimulation, cTBS) [3]. Было показано, что iTBS увеличивает, тогда как cTBS снижает возбудимость коры головного мозга в течение 1 ч после воздействия [27, 28].

Регистрируемые эффекты ТМС делятся на две группы: онлайн — в момент стимуляции и офлайн — после её окончания.

Наиболее частым онлайн-эффектом однократных стимулов ТМС на уровне нейронов является появление всплеска потенциалов действия. Переменное магнитное поле катушки стимулятора генерирует индуцированное электрическое поле в головном мозге с последующим возникновением электрического тока [29], при этом некоторые нейроны проявляют комбинированную активность. В этом случае после начального возбуждения наблюдается длительная фаза, сочетающая периоды торможения и возбуждения [30]. Этот феномен, вероятно, вызван запаздывающей активацией соседних тормозных интернейронов. Не все нейроны даже в центре стимуляции отвечают на ТМС. Эта неоднородность в восприимчивости к магнитным импульсам может быть связана с различиями в локальной ориентации нервных клеток относительно индуцированного электрического поля. Эффект на уровне организма также варьирует в зависимости от ориентации катушки, при этом нейронные популяции рекрутируются по-разному [31, 32].

Согласно современным представлениям, эффекты ТМС чаще всего связаны с нейропротективным действием, стимуляцией нейро- и синаптогенеза, оптимизацией процессов синаптической передачи в структурах центральной нервной системы [33, 34]. Для индукции офлайн-эффекта используются паттерновые протоколы стимуляции и рТМС [35, 36].

В ответ на рТМС возбудимость нейронов изменяется из-за сдвига в ионном балансе вокруг популяции стимулируемых клеток. Деполяризация доминирует в механизме модуляции возбудимости, который напоминает индукцию синаптической пластичности. Однако гиперполяризация также играет важную роль, влияя на мембранный потенциал [37, 38].

Влияние ТМС на синаптогенез и механизмы синаптической передачи

Функциональные эффекты, вызванные рТМС, продолжаются определённое время после стимуляции [39]. При этом рТМС, помимо влияния на метаболический профиль клеток и синаптическую передачу, вызывает изменения синаптоархитектоники. Наиболее распространённая теория предполагает, что этот феномен сходен с такими механизмами синаптической пластичности, как долговременная депрессия или потенциация, индуцируемыми в результате стимуляции нейрональной активности с разной частотой [40, 41]. Согласно современным представлениям, молекулярные механизмы структурно-функциональных перестроек нейронных сетей под действием ТМС ассоциированы с NMDA-рецепторами на постсинаптической мембране. Например, благодаря феноменам, схожим с долговременной потенциацией, вызванным рТМС, запускается перестройка актинового цитоскелета, что в конечном итоге приводит к модификации дендритов [42]. При долговременной потенциации сначала быстро увеличиваются и деформируются дендритные шипики за счёт усиления полимеризации и ветвления в них актина, а на последующих этапах в область синапса привлекаются белки, ответственные за функционирование постсинаптических уплотнений и кластеризацию рецепторов [43].

Влияние ТМС на синаптогенез и процессы синаптической передачи лучше всего исследованы в моторных областях коры головного мозга и гиппокампе.

A.D. Tang и соавт. использовали двухфотонную визуализацию для отслеживания пластичности дендритных шипиков в 5-м слое моторной коры у мышей разного возраста. Исследование показало, что однократный сеанс подпороговой ТМС с применением протокола стимуляции интермиттирующими θ-вспышками для моторной коры головного мозга увеличивает скорость потери дендритных шипиков через 21 ч после воздействия вне зависимости от возраста мыши, что приводит к значимому снижению плотности данных структур через 45 ч после сеанса [44].

В то же время недавние исследования обнаружили, что 5 ежедневных сеансов высокочастотной рТМС частотой 15 Гц увеличивали плотность апикальных и базальных дендритных шипиков на пирамидных нейронах 2-го и 3-го слоев моторной коры молодых мышей при измерении через 24 ч после стимуляции [45].

Сообщалось, что рТМС культур клеток гиппокампа индуцирует кластеризацию постсинаптических AMPA-рецепторов [42]. Данные М. Lenz и соавт. свидетельствуют о том, что высокочастотная рТМС (10 Гц) in vitro влияет на синаптическую передачу преимущественно возбуждающих синапсов, расположенных на проксимальных отделах дендритах культивируемых пирамидных нейронов CA1. Стимуляция AMPA-рецепторов и ретроградная деполяризация мембраны активируют потенциалзависимые натриевые и кальциевые каналы и удаляют магниевый блок, временно блокирующий NMDA-рецепторы [46]. Это приводит к локальному увеличению концентрации кальция, быстрой деполяризации дендритов, генерации так называемой проксимальной зоны дендритной пластичности и кальцийзависимому увеличению концентрации AMPA на постсинаптической мембране дендритного шипика. Причём селективное фармакологическое ингибирование NMDA-рецепторов или α-1-субъединицы кальциевых каналов (L-VGCC) угнетает влияние рТМС на проксимальные отделы дендритов [47].

В основе дисфункции нейронных сетей предположительно лежит дисбаланс возбуждения и торможения, поэтому следует рассмотреть и влияние ТМС на ингибирующие синапсы нейрональных контуров. По результатам исследования М. Lenz и соавт. магнитная стимуляция частотой 10 Гц влияла на Са2+/кальциневрин-зависимую олигомеризацию гефирина [48] — постсинаптического каркасного белка, обеспечивающего стабилизацию и кластеризацию ионотропных рецепторов глицина и γ-аминомасляной кислоты (ГАМК-А). Основное скопление ГАМК-А-рецепторов располагается на соме и аксональных холмиках нейронов гиппокампа [49]. При долговременной потенциации возбуждающих синапсов (описанной выше) происходит гефирин-опосредованная Са2+/кальциневрин-зависимая перестройка тормозных синапсов. Эти структурные и функциональные изменения требуют активации потенциал-зависимых натриевых и кальциевых каналов L-типа, а также NMDA-рецепторов и не наблюдаются, когда фармакологически блокируются кальциневриновые протеинфосфатазы [50]. Соответственно, воздействие стимуляции 10 Гц сопровождается дестабилизацией кластеров гефирина, ГАМК-А и глициновых рецепторов и снижением активности тормозных синапсов.

В статье А. Thomson и соавт., иллюстрирующей возбуждающий эффект iTBS, в качестве модели синаптической пластичности были использованы клетки SH-SY5Y (клеточная линия нейробластомы человека), предварительно инкубированные с Fluo-4 AM — флуоресцентным индикатором уровня кальция. Выявлено увеличение флуоресцентного ответа на добавление KCl («вызванная» посредством деполяризации активация нейронов) при использовании протокола, подобного iTBS, и уменьшение его в результате воздействия протокола, подобного сTBS, по сравнению с контролем [51].

Известно, что фосфорилирование рибосомального S6 в нейронах является маркёром активации NMDA-зави-симых сигнальных путей и индуцирует синаптические и клеточные изменения, лежащие в основе пластичности. Установлено, что под воздействием высокочастотной ТМС (400 Гц) происходит активация сигнального пути mTORC1, который фосфорилирует треонин в 389-м положении белка S6, тем самым активируя киназу rpS6. Наблюдалось более чем 3-кратное увеличение фосфорилирования rpS6 через 15 мин, 2 ч и 4 ч после высокочастотной ТМС. Эти эффекты были устранены обработкой рапамицином, блокирующим активацию данного сигнального пути [52].

В эксперименте с воздействием высокочастотной (400 Гц) ТМС на мышах выявлено увеличение содержания фосфорилированного рибосомального белка S6 в островках Кальеха и паравентрикулярном ядре гипоталамуса, в вентромедиально-латеральных задних ядрах таламуса, грушевидной коре и центральном ядре миндалевидного тела [53]. В группе мышей с изменёнными сайтами фосфорилирования S6 белка после воздействия высокочастотной ТМС (100 Гц) индукция долговременной потенциации и возбуждающих постсинаптических токов не происходила [54].

В культурах клеток гиппокампа низкоинтенсивная ТМС (1,14 Тл, 1 Гц) вызывала прорастание дендритов и увеличение плотности синаптических контактов, в то время как высокоинтенсивная ТМС (1,55 Тл, 1 Гц) оказывала разрушительное воздействие, приводящее к уменьшению количества отростков и синапсов. Авторы статьи показали, что низкоинтенсивная низкочастотная ТМС (1,14 Тл, 1 Гц) может индуцировать рост дендритов и аксонов в культивируемых нейронах гиппокампа путём активации сигнального пути нейротрофического фактора мозга (BDNF)/киназы, регулируемые внеклеточными сигналами (ERK), результатом чего является увеличение экспрессии белка постсинаптической плотности (PSD95) и синаптофизина [55], а также утолщение постсинаптической мембраны [56].

По другим данным, протокол, подобный iTBS (2-секундные серии стимулов каждые 10 с, суммарное время воздействия — 180 с), стимулировал транскрипцию PSD95 и синаптофизина, тогда как низкочастотная ТМС не оказывала подобного эффекта [57].

Под воздействием низкоинтенсивной ТМС происходит ремоделирование аномальных нейронных связей в топографически более подходящее положение. Так, у мышей с нокаутом ephrin-A2A5−/− отсутствуют ключевые сигналы для аксоногенеза и, как следствие, нарушена топография зрительных путей. Двухнедельная низкоинтенсивная рТМС (10 мТ; 10 мин/день) уменьшала количество аномальных проекций в подкорковых [58] и кортикальных зрительных цепях [59].

В ходе изучения метаболического состава нейронов, предварительно подвергнутых ТМС, выявлено истощение пула аспартата, фенилаланина и изолейцина, что авторы связывают с необходимостью пополнения цикла трикарбоновых кислот. Низкочастотная ТМС вызывает увеличение синтеза и усиление спонтанного высвобождения ГАМК (с чем может быть связано снижение содержания пироглутамата и аланина). Содержание аминокислот серина и глицина также значительно снижалось после 1 Гц и 10 Гц стимуляции, что, вероятно, связано с усилением синтеза белков, таких как BDNF, c-fos и различных рецепторов нейромедиаторов [60].

Сопровождающие синаптическую пластичность клеточные и молекулярные изменения, возникающие под влиянием ТМС, проиллюстрированы весьма немногочисленными исследованиями на животных и клеточных культурах, и результаты, полученные при этом, противоречивы (табл. 2). Наиболее значимые положительные изменения синаптической пластичности были обнаружены в случае использования высокочастотной ТМС (10 Гц) в экспериментах на клеточных культурах, но нет общепринятой позиции относительно интенсивности воздействия. Низкоинтенсивная ТМС с использованием различных протоколов приводила к позитивным эффектам на культурах нейронов, но не улучшала синаптогенез на организменном уровне. Требуются дополнительные исследования для уточнения эффектов протоколов ТМС, особенно в отношении интенсивности магнитного воздействия. Анализ литературных источников последних лет показал, что фундаментальные экспериментальные исследования в целом подтверждают тезис об индукции одними протоколами ТМС процессов, сходных с долговременной депрессией, другими — с долговременной потенциацией. Однако отсроченные эффекты ТМС зачастую вариабельны и зависят не только от параметров воздействия, но и от предшествующей нейрональной активности и некоторых других факторов. Не исключено, что долгосрочные эффекты ТМС могут быть опосредованы сочетанием разных видов пластичности, включая метапластичность [61].

 

Таблица 2. Влияние ТМС на синаптогенез и механизмы синаптической передачи

Table 2. Effects of TMS on synaptogenesis and synaptic transmission mechanisms

Влияние ТМС Effects of TMS	Вид ТМС TMS type	Частота, Гц Frequency, Hz	Эффект Effect	Источник Reference
Позитивное Positive	Низкоинтенсивная Low intensity	15	Увеличивалась плотность дендритных шипиков на пирамидных нейронах Density of dendritic spines on pyramidal neurons increased	[45]
		1	Увеличивались прорастание дендритов и плотность синаптических контактов путём активации BDNF/ERK пути Dendritic sprouting and synaptic contact density increased through activation of BDNF/ERK pathway	[55, 56]
		10	Индуцировалась синаптическая потенциация преимущественно возбуждающих синапсов, расположенных на проксимальных дендритах культивируемых пирамидных нейронов CA1 Synaptic potentiation of predominantly excitatory synapses on proximal dendrites of cultured CA1 pyramidal neurons induced	[46]
		10	Индуцировалась структурная и функциональная пластичность тормозных синапсов Structural and functional plasticity of inhibitory synapses induced	[48]
		400	Активировались NMDA-зависимые пути через mTORC1-путь NMDA-dependent pathways upregulated via mTORC1 pathway	[52]
		400	Активировались NMDA-зависимые пути через увеличение S6 NMDA-dependent pathways upregulated through S6 increased	[53]
		6,67/10	Происходило ремоделирование нейронных связей Neuron connections remodelled	[58, 59]
Негативное Negative	Низкоинтенсивная Low intensity	50	Снижалась плотность дендритных шипиков через 45 ч, увеличена скорость потери через 21 ч Density of dendritic spines decreased after 45 h; loss rate increased after 21 h	[44]
	Высокоинтенсивная High intensity	1	Уменьшалось количество отростков и синапсов Number of processes and synapses decreased	[56]

 

Нейропротекторные и регенераторные эффекты ТМС

На экспериментальных моделях неврологических заболеваний в ряде экспериментов показаны антиапоптотические и восстановительные эффекты низкоинтенсивной ТМС, опосредуемые глубокими изменениями регуляторных каскадов в нейронах. Так, под действием ТМС (10 Гц по 10 мин в день в течение 14 дней) у мышей с перерезкой спинного мозга на уровне T9–T11 с помощью протеомного анализа выявляли снижение содержания ряда проапоптотических белков, например, аннексина А2, что способствовало выживаемости нейронов и ремиелинизации. Та же работа демонстрирует увеличение под влиянием ТМС с данными параметрами пролиферации прогениторных нервных клеток спинного мозга, а также повышение содержания белков NEUM, CDС42, RHOG, вызывающих усиление роста и ветвления аксонов [62].

В другом эксперименте показано, что при окклюзии среднемозговой артерии ТМС снижала гибель нейронов кровоснабжаемой области, воздействуя на белки — регуляторы апоптоза, усиливая экспрессию антиапоптотического Bcl-2 и подавляя экспрессию проапоптотического Bax [63]. На генетической модели болезни Альцгеймера показано, что высокочастотная ТМС (25 Гц) уменьшала потерю нейронов и апоптоз клеток гиппокампа за счёт активации пути PI3K/Akt/GLT-1, связанного со снижением эксайтотоксичности [64].

Вместе с тем ТМС может оказать и пагубное влияние на клетки. В экспериментах на первичной культуре нейронов было показано увеличение числа апоптотических клеток в режимах 10 и 100 Гц при непрерывной стимуляции [65].

В эксперименте на культуре первичных нейронов гиппокампа рТМС увеличивала экспрессию железосодержащих белков каталазы и аконитазы, вовлечённых в антиоксидантную защиту, и повышала выживаемость нейронов при мощности 40 и 60% от максимальной мощности стимулятора. Интересно, что высокоинтенсивная ТМС ускоряла их повреждение [66].

Таким образом, на разных экспериментальных моделях продемонстрировано подавление при помощи определённых режимов ТМС молекулярных механизмов повреждения и гибели нейронов: апоптоза, эксайтотоксичности, окислительного стресса. Непрерывная и высокоинтенсивная ТМС усугубляет повреждение клеток (табл. 3).

 

Таблица 3. Влияние ТМС на механизмы нейропротекции и регенерации

Table 3. Effects of TMS on mechanisms underlying neuroprotection and regeneration

Влияние ТМС Effects of TMS	Вид ТМС TMS type	Частота, Гц Frequency, Hz	Эффект Effect	Источник Reference
Позитивное Positive	Низкоинтенсивная Low intensity	10	Снизилось содержание ряда проапоптотических белков, увеличилось число белков, влияющих на аксоногенез, и антиоксидантных ферментов Levels of several pro-apoptotic proteins decreased, those of proteins affecting axonogenesis and antioxidant enzymes increased	[62]
		10	Усиливалась экспрессия антиапоптотического Bcl-2 и подавлялась экспрессия проапоптотического Bax Expression of anti-apoptotic Bcl-2 increased and expression of pro-apoptotic Bax suppressed	[63]
		25	Уменьшались потеря нейронов и апоптоз клеток гиппокампа Neuronal loss and apoptosis of hippocampal cells reduced	[64]
		Не указана	Увеличивалась экспрессия аконитазы и каталазы, вовлечённых в антиоксидантную защиту Expression of aconitase and catalase, which are involved in antioxidant defense, increased	[66]
Негативное Negative	Высокоинтенсивная High intensity	10/100	Увеличивалось число апоптотических клеток Number of apoptotic cells increased	[65]

 

Влияние ТМС на нейрогенез и дифференцировку нейронов

В работе Е. Ueyama и соавт. с помощью оценки включения BrdU в пролиферирующие клетки показано, что рТМС частотой 25 Гц в течение 14 дней усиливает нейрогенез в гиппокампе интактных мышей [67]. Также в исследованиях на моделях повреждения спинного мозга выявлена дифференцировка покоящихся вблизи центрального канала спинного мозга нейральных стволовых клеток в астроциты [68, 69] и олигодендроглию под влиянием ТМС [62]. Влияние ТМС на пролиферацию, дифференцировку и миграцию нейрональных предшественников в нейрогенных нишах лучше всего изучены in vivo на моделях инсульта, что связано с попыткой обоснования применения метода в целях реабилитации пациентов.

На модели ишемического повреждения мозга рТМС (10 Гц) способствовала пролиферации нейрональных предшественников в субгранулярной зоне гиппокампа экспериментальных грызунов. Уровень экспрессии BDNF, TrkB, p-AKT и антиапоптотического Bcl-2 повышался у животных, получавших ТМС, в то время как экспрессия проапоптотического Bax значительно снижалась [63]. BDNF играет решающую роль в обеспечении выживания нейронов путём специфического связывания с рецептором киназы B на тропомиозине (TrkB). Это связывание приводит к аутофосфорилированию и димеризации рецептора TrkB, запускающего активацию фосфатидилинозитол-3-киназы PI3K. Сигнальный путь PI3K/Akt является основным TrkB-опосредованным путём выживания, который и защищает от апоптоза [70]. В сходном эксперименте при аналогичной частоте стимуляции было показано значительное увеличение экспрессии miR-25 — микроРНК, играющих роль в дифференцировке и пролиферации нейральных стволовых клеток, в субвентрикулярной зоне [71]. Высокочастотная рТМС (20 Гц) также стимулирует экспрессию BDNF и экспрессию pERK1/2, что подтверждает влияние сигнального пути BDNF/ERK на усиление пролиферации нейральных стволовых клеток в гиппокампе [72, 73], причём авторы отмечают сходство выявленных изменений с действием антидепрессантов и электросудорожной терапии.

Таким образом, вероятно, что одним из механизмов действия ТМС является усиление нейрогенеза и репаративных процессов в результате стимуляции выработки BDNF, способствующего выживанию стволовых клеток и дифференцировке нейронов, а также формированию новых синапсов. Нейропротекторный эффект BDNF показан, например, на животных моделях болезни Альцгеймера [74, 75].

Однако, помимо эффектов BDNF, исследователи рассматривают и другие вовлечённые механизмы. Так, Н. Liu и соавт. выявили, что пролиферация нейральных стволовых клеток in vitro после высокочастотной рТМС связана с увеличением экспрессии микроРНК кластера miR-106b ~25 (miR-106b, miR-93, miR-25), участвующих в регуляции клеточного цикла, причём выраженность эффекта была пропорциональна количеству импульсов [76].

Помимо усиления нейрогенеза в нейрогенных нишах показано влияние ТМС на миграцию нейронов в область повреждения. Так, в эксперименте на модели геморрагического инсульта количество DCX-позитивных нейрональных предшественников в коре увеличивалось под действием рТМС (10 Гц каждые 24 ч в течение 5 дней). В эксперименте in vitro с нейросферами те же авторы выявили увеличение процентного соотношения Sox2 и Ki67+-клеток, свидетельствующее об усилении пролиферации нейральных стволовых клеток при ТМС (10 Гц каждые 24 ч в течение 72 ч) [77].

Показаны не только увеличение пролиферации, но и роль хемокиновых рецепторов во влиянии рТМС (частота 10 Гц) на миграцию нейральных стволовых клеток из субвентрикулярной зоны в перифокальную область ишемического инфаркта. Поведенческие показатели крыс в этом эксперименте также улучшались под воздействием ТМС [78].

Похожие выводы были сделаны с использованием окрашивания на Nestin/SOX2, Nestin/бета3-тубулин: рТМС увеличивала пул нейрональных предшественников в периинфарктной области коры головного мозга после перенесённого инсульта. Количество незрелых нейронов в периинфарктной области было выше у животных, получавших рТМС, а по направлению β3-тубулин+-отростков авторы сделали вывод о миграции клеток в периинфарктную область [79].

Вместе с тем, хотя в большинстве работ показано снижение неврологического дефицита под действием ТМС на моделях инсульта, остаётся открытым вопрос, способствует ли ТМС интеграции вновь образованных нервных клеток в перифокальной области инфаркта или восстановление происходит за счёт других стимулируемых ТМС механизмов — снижения гибели нейронов, реорганизации и восстановления их связей.

Данных о влиянии ТМС на дифференцировку нейронов человека немного, хотя они представляют особенный интерес в свете развития методов клеточной терапии. Например, на нейронах человека, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, in vitro было показано влияние разных протоколов ТМС на дифференцировку и созревание нейронов: так, высокочастотная ТМС способствовала дифференцировке нейрональных предшественников в глутаматергические нейроны, а iTBS усиливает синаптогенез, что свидетельствует о её влиянии на созревание нейронов [57].

Практически не изученным является аспект влияния ТМС на особенности дифференцировки трансплантированных нейральных стволовых клеток. J.J. Peng и соавт. было установлено, что животные с трансплантированными нейральными стволовыми клетками человека под действием ТМС (10 Гц) демонстрировали лучшее функциональное восстановление после ишемического инфаркта по сравнению с животными без воздействия ТМС, что авторы связывают с ранее обсуждавшейся нами активацией сигнального пути BDNF/TrkB [80].

Как следует из приведённых работ, влияние ТМС на нейрогенез как для области зубчатой извилины гиппокампа, так и для субвентрикулярной зоны неоднократно проиллюстрировано с использованием иммуногистохимических маркёров пролиферации нейрональных предшественников и дифференцировки нейронов. В большинстве статей использовали высокочастотные протоколы ТМС, чаще всего 10 и 20 Гц. Неоднократно было показано и стимулирующее влияние высокочастотной ТМС на миграцию клеток-предшественников в периинфарктные области. Следует полагать, что на нейрогенез ТМС оказывает влияние в основном благодаря активации BDNF/TrkB-пути и эффектам на уровне транскриптов генов, регулирующих клеточный цикл.

Влияние ТМС на глиальные клетки

Хотя в ряде экспериментов непосредственного влияния рТМС на культуры глиальных клеток не выявлено, при моделировании патологических условий неоднократно были показаны изменения всех типов нейроглии. Растёт число свидетельств того, что глиальные клетки могут активно участвовать в нейропротекторном эффекте ТМС [81].

Помимо непосредственного ответа глиоцитов на ТМС, остающегося дискуссионным, изменения глии в смешанных культурах или в ткани объясняются также возрастающей электрической активностью нейронов, вызывающей реакцию глиальных клеток.

Астроциты, тесно взаимодействуя с нейронами, участвуют в регуляции синаптогенеза. Добавление кондиционированной астроцитами среды или совместная их культивация с нервными клетками увеличивают количество функциональных возбуждающих синапсов, образующихся в культуре, в то время как удаление астроцитов имеет обратный эффект [82]. Одним из секретируемых астроцитарной глией факторов, связанных с регуляцией синаптогенеза, служат тромбоспондины (TSP) [83]. Например, передача сигналов TSP1/β-интегрина конролирует баланс возбуждения и торможения в спинном мозге путём усиления регуляции глицинергических рецепторов и снижения поверхностной экспрессии AMPA-рецепторов. Опосредованная астроцитами передача сигналов TSP1/α2δ-1 в полосатом теле изменяет активность возбуждающих синапсов [84].

Астроглия также контролирует количество синапсов путём фагоцитоза. Синаптическая элиминация опосредуется трансмембранным белком Megf10, экспрессируемым астроцитами [85]. Показано, что астроциты фагоцитируют синапсы через пути Megf10 и Mertk как в развивающемся, так и во взрослом мозге [86]. J. Lee и соавт. также подтвердили, что астроцитарный Megf10 опосредует элиминацию возбуждающих синапсов в области CA1 гиппокампа взрослого человека [87].

Одним из механизмов синаптической пластичности, реализующихся и при ТМС, является кластеризация AMPA-рецепторов постсинаптических терминалей возбуждающих синапсов, вероятно, являющаяся астроцитзависимой. Один из механизмов регуляции процесса кластеризации опосредован эфрином A3 астроцитарных отростков и его рецептором EPHA4, который экспрессируется дендритными шипиками [88, 89]. В подтверждение связи нейропластичности с ответом астроцитов можно упомянуть работу Н. Monai и соавт., в которой показано, что при стимуляции постоянным током реакция астроцитов влияет на долговременную потенциацию нейротрансмиссии, связана с колебаниями уровня Ca2+ и зависит от адренергических рецепторов [90].

ТМС на частоте 1 Гц в течение 10 мин повышала экспрессию белков STIM1 и ORAI3 астроцитов (белок STIM1 функционирует как детектор снижения запасов Ca2+ в эндоплазматическом ретикулуме, а ORAI3 является каналом обратного поступления Ca2+). Эта же работа продемонстрировала снижение экспрессии ряда генов воспалительного ответа в астроцитах на частотах 1 и 10 Гц [91].

В недавних исследованиях было показано, что в культуре, подвергавшейся воздействию высокочастотной ТМС, астроциты высвобождают нейротрофный фактор. Он индуцирует экспрессию нейронами ERK1/2 и c-fos, связанных с синаптической пластичностью и активацией нейроцитов. Это подтверждает двунаправленное взаимодействие астроглии и нейронов при стимуляции [92].

Магнитное поле очень низкой интенсивности (0,5 мТл) при высокочастотной ТМС индуцирует временное повышение экспрессии астроцитарного маркёра GFAP in vivo у мышей после ишемического повреждения и реперфузии, что может косвенно свидетельствовать о привлечении астроцитов в зону повреждения (непрерывное воздействие частотой 50 Гц в течение 7 дней) [93]. Подобные данные были получены и на модели поражения спинного мозга мышей. При режиме ТМС с частотой 1 Гц в течение 5 мин в день продолжительностью 14 дней происходила индукция магнитным полем экспрессии GFAP астроцитами и ERK1/2-зависимой миграции к области повреждения [94].

Аналогично, на основании выявления PDGFRb и GFAP, увеличивалась активация астроцитов и реваскуляризация в группе мышей, получавших рТМС, по сравнению с контролем, через 15 и 90 дней после пересечения спинного мозга, что свидетельствует об активации астроглии и влиянии ТМС на формирование астроцитарного рубца [62].

В ряде статей подчёркивается роль микроглии в формировании ответа нервной ткани на ТМС. Установлено, что в пирамидных нейронах CA1 в тканевых культурах, обеднённых микроглией, под влиянием ТМС (10 Гц) локальная деполяризация постсинаптической мембраны не возникала. Истощение микроглии in vivo не оказывало существенного влияния на исходную синаптическую передачу. В экспериментах с ТМС у контрольных мышей с сохранённой микроглией отмечалось возникновение спонтанных деполяризаций постсинаптических мембран (mEPSCs) возбуждающих синапсов в медиальной префронтальной коре, хотя у мышей с обеднённой микроглией подобных потенциалов не фиксировалось [95].

С. Chen и соавт. обнаружили улучшение когнитивных функций мышей на 28-е сутки после временной окклюзии средней мозговой артерии при воздействии высокочастотной ТМС (20 Гц). При этом также уменьшался объём поражения белого вещества, снижался уровень провоспалительных цитокинов, происходило переключение микроглии на М2 фенотип [96].

В ряде экспериментов оценивали пролиферацию олигодендроцитов. Данные, полученные при этом, противоречивы. G. Liu и соавт. сообщают о стимуляции пролиферативной способности олигодендроцитов [57], а также об индукции дифференцировки клеток-предшественников в олигодендроциты под воздействием высокочастотной рТМС. Исследования C.L. Cullen и соавт. данные эффекты не подтвердили [97]. Воздействие iTBS и cTBS на олигодендроциты было изучены на трансгенных мышах Plp-CreER:Tau-mGFP и Pdgfra-CreERT2. Доказано, что iTBS увеличивала количество новообразованных олигодендроцитов [98].

Информации об эффектах ТМС на глию на данный момент недостаточно, данный аспект проблемы требует дальнейшего изучения. Косвенно было показано нейропротективное влияние глиальных клеток на ишемизированных и повреждённых тканях. Установлено, что глия под воздействием ТМС моделирует противовоспалительный фон, переключая микроглию и астроциты на провоспалительный фенотип. Особенную роль занимает ТМС-индуцированное высвобождение нейротрофического фактора глиальных клеток из астроцитов, приводящее к увеличению экспрессии ERK1/2 в нейронах. Активация ERK1/2 необходима для BDNF-каскада, приводящего к увеличению плотности дендритов и пролиферации нейрональных предшественников. Однако следует отметить, что работы, посвящённые влиянию рТМС на глиальные клетки, крайне немногочисленны, что подчёркивает необходимость дополнительных исследований в этой области.

Заключение

Рассмотренные в обзоре эффекты ТМС, связанные с регенерацией и восстановлением функций нервной системы, влиянием на дифференцировку клеток и стимуляцией синаптической пластичности, создают предпосылки для применения данного метода в клеточной терапии нервно-психических заболеваний. Однако многие вопросы остаются нерешёнными. Практически не изучено влияние ТМС на дифференцировку и созревание нейрональных предшественников. Дискуссионным вопросом является существование изолированных эффектов ТМС на клетки глии.

Большое количество исследований на клеточных культурах проводятся с использованием частот, не применимых в клинике. Отдельное внимание должно быть уделено стандартизации интенсивности проведения стимуляции, так как от нее зависят глиальный и нейрональный ответы. Необходимо помнить, что результаты, полученные на клеточных культурах, не всегда коррелируют с ответом на организменном уровне.

Дальнейшие исследования механизмов ТМС будут способствовать разработке более эффективных протоколов лечения с использованием данного метода.

About the authors

Anna P. Krasilnikova

Lomonosov Moscow State University

Email: av_egorova@bk.ru
ORCID iD: 0009-0006-2258-6155

student

Россия, Moscow

Anna V. Egorova

Research Center of Neurology; Pirogov Russian National Research Medical University

Author for correspondence.
Email: av_egorova@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-7112-2556

Cand. Sci. (Med.), Assistant professor, researcher, Laboratory of neuromorphology, Brain Institute, Assistant professor, Department of histology, embryology and cytology

Россия, Moscow; Moscow

Dmitry N. Voronkov

Research Center of Neurology

Email: av_egorova@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-5222-5322

Cand. Sci. (Med.), senior researcher, Laboratory of neuromorphology, Brain Institute

Россия, Moscow

Alexandra G. Poydasheva

Research Center of Neurology

Email: av_egorova@bk.ru
ORCID iD: 0000-0003-1841-1177

Cand. Sci. (Med.), researcher, Non-invasive neuromodulation group, Institute of Neurorehabilitation and Rehabilitation Technologies

Россия, Moscow

Valeria V. Glinkina

Pirogov Russian National Research Medical University

Email: av_egorova@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-8708-6940

Dr. Sci. (Med.), Professor, Head, Department of histology, embryology and cytology

Россия, Moscow

Vladimir S. Sukhorukov

Research Center of Neurology; Pirogov Russian National Research Medical University

Email: av_egorova@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-0552-6939

Dr. Sci. (Med.), Professor, Head, Laboratory of neuromorphology, Brain Institute, Professor, Department of histology, embryology and cytology

Россия, Moscow; Moscow

References

Supplementary files