Структурно-функциональные основы сознания в рамках теории интегрированной информации

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-15-00274

НазваниеСтруктурно-функциональные основы сознания в рамках теории интегрированной информации

Руководитель Пирадов Михаил Александрович, Доктор медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научный центр неврологии" , г Москва

Конкурс №11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11)

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-106 - Нейробиология

Ключевые слова сознание, нарушения сознания, вегетативное состояние, теория интегрированной информации, транскраниальная магнитная стимуляция, электроэнцефалография, мультимодальная нейровизуализация, функциональная магнитно-резонансная томография, сеть пассивного режима работы мозга

Код ГРНТИ76.29.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема сознания волнует человечество с древнейших времён. В последние годы в этой области наблюдается ошеломляющий прогресс, связанный с развитием нейробиологии, нейрофизиологических и нейровизуализационных методов исследования, которые дали возможность со всевозрастающей точностью исследовать процессы, происходящие в головном мозге. Важность понимания процессов, обеспечивающих возможность существования сознания и механизмы его нарушения, определяется также практическим аспектом. Современной клинической неврологии всё чаще приходится сталкиваться с новой категорией пациентов, «пробудившихся» через несколько дней или недель пребывания в коме и способных, как правило, к самостоятельному дыханию и поддержанию других жизненно важных функций, но не демонстрирующих осознанной реакции на внешние стимулы. Этот синдром получил название "персистирующее вегетативное состояние" (ПВС); в настоящее время в литературе всё чаще используется термин "синдром ареактивного бодрствования" (САР; Laureys, 2010). Эти пациенты, как правило, относятся к категории наиболее тяжёлых, т.к. нуждаются в пребывании в отделении реанимации и, часто, ИВЛ, по крайней мере, на ранних сроках, и в дальнейшем - в полном постороннем уходе, будучи не способными к самообслуживанию. Распространённость таких состояний составляет до 0,2 до 6,1 на 100 000 человек; такие пациенты становятся огромным моральным бременем для родственников и требуют значительных расходов со стороны системы здравоохранения (до 7 млрд. долл. в год в США). Возможности реабилитации таких пациентов на сегодняшний день очень ограничены, эффективность существующих методов крайне невысока, и проведение фундаментальных нейробиологических исследований феномена сознания даёт надежду на появление новых, эффективных методов восстановления сознания. На данный момент результатом широкомасштабных исследований когнитивных функций стал целый ряд теорий, пытающихся описать сознание, среди которых выделяют нейробиологические теории сознания, квантовые теории сознания и др., однако ни одна из них не даёт непротиворечивого описания этого феномена. Следует отдельно выделить теорию интегрированной информации (integrated information theory, G. Tononi, 2001-2014), которая закладывает основы для количественной оценки информации, которой характеризуется сознание. Несмотря на критику этой теории, она является одной из наиболее стройных математических теорий сознания, и, что особенно важно, она оказалась применимой в практическом плане. В 2013 г. Casali разработал количественный индекс сознания (perturbational complexity index, PCI), основанный на регистрации с помощью ЭЭГ и анализе ответа нейронов головного мозга на магнитный стимул, наносимый с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС; методика получила название ТМС-ЭЭГ; Rosanova, 2009, 2014). PCI представляет собой меру информации, содержащейся в объединённом ответе нейронов таламокортикальной системы на возбуждение магнитным полем. Было доказано, что этот индекс различается у добровольцев в ясном сознании, во сне, в наркозе, и у пациентов с острыми и хроническими нарушениями сознания. Таким образом, с точки зрения нейрофизиологии удалось показать жизнеспособность теории интегрированной информации. С другой стороны, огромную роль в понимании сущности хронических нарушений сознания сыграла функциональная нейровизуализация - позитронно-эмиссионнаятомография (ПЭТ), функциональная магнитно-резонансная томография МРТ (фМРТ) с использованием различных парадигм и фМРТ покоя (rest fMRI). С помощью этих методов удалось доказать, что ПВС представляет собой синдром кортико-кортикального/таламо-кортикального разобщения, при котором резко снижается метаболизм в обширной лобно-теменной зоне – нейронной сети, которая включает в себя срединные структуры – переднюю цингулярную/мезиофронтальную кору и заднюю кору клина/предклинья, и латеральную ассоциативную кору (префронтальную и задне-лобную кору), а активность структур, ответственных за дыхание, кровообращение, терморегуляцию и циклы «сон-бодрствование» остаётся относительно сохранной (S. Laureys, 2000, 2002; M. Boly, 2004). В отличие от ПВС, при состоянии минимального сознания (СМС), которое отличается несколько большей сохранностью когнитивных функций, фМРТ позволила выявить остаточную способность поврежденного мозга к формированию обширных интегративных нейронных сетей (Schiff, 2005). Особый интерес вызвало то, что у отдельных пациентов отмечалась активация коры в ответ на команды (счет значимых слов, просьба представить движения в руке или ноге), практически не отличавшаяся от реакции здоровых добровольцев (Schnakers, 2008; Cruse, 2011), вплоть до возможности установить контакт с пациентом, выявляя активацию тех или иных зон в ответ на значимые вопросы; при этом при клиническом обследовании признаков осознания выявить не удавалось. Таким образом, нейрофизиологические и нейровизуализационные методы позволяют всесторонне, объективно, с использованием математического аппарата, предоставляемого теорией интегрированной информации, оценить активность церебральных структур, отвечающих за формирование сознания. Целью работы является изучение феномена сознания в норме и у пациентов с хроническими нарушениями сознания с помощью методов функциональной визуализации, неинвазивной имуляции мозга и коннектомики в рамках теории интегрированной информации, дополнив результаты ТМС-ЭЭГ данными фМРТ покоя, впервые попытавшись, таким образом, расширить сферу применения теории. В исследование будут включены здоровые добровольцы (n=20) и пациенты с хроническими нарушениями сознания травматического и нетравматического (постгипоксического) генеза различной степени тяжести (ВС/САР, СМС-, СМС+; всего не менее 30 пациентов). У участников исследования будет проводиться клиническая оценка с использованием формализованных шкал, нейрофизиологическое (ЭЭГ высокого разрешения, видео-ЭЭГ-мониторинг, исследование ВП, ТМС-ЭЭГ с расчётом индекса PCI) и нейровизуализационное обследование (МРТ с изотропным вокселом, фМРТ покоя, диффузионно-тензорная МРТ на 3Т томографе). У пациентов планируется также проведение ритмической транскраниальной магнитной стимуляции (рТМС) структур, формирующих СППР, а именно, впервые, - g. angularis, с целью оценки влияния терапевтической стимуляции на нейронные сети покоя и возможного клинического эффекта. После завершения курса стимуляции (15 процедур) будет проводиться повторное нейрофизиологическое и нейровизуализационное исследование. При последующем наблюдении для оценки среднесрочных эффектов через 6 месяцев после курса рТМС запланирована повторная клиническая оценка и нейровизуализационное исследование. Данное клиническое исследование одобрено Локальным этическим комитетом ФГБНУ "НЦН". Работа станет одной из первых в мире попыток применения принципов математического описания сознания в рамках теории интегрированной информации к нейровизуализационным данным, полученным у достаточно большой выборки пациентов с хроническими нарушениями сознания, которые относятся к наиболее тяжёлым в медицинском плане пациентам. Результаты работы позволят дополнить модель сознания в рамках теории интегрированной информации. Также впервые будет разработан протокол применения рТМС в программе реабилитации пациентов с хроническими нарушениями сознания, что создаст предпосылки для дальнейшего изучения возможности практического применения протокола рТМС в этой сфере.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Синицын Д. О., Легостаева Л. А., Кремнева Е. И., Морозова С. Н., Пойдашева А. Г., Мочалова (Язева) Е. Г., Червякова О. Г., Рябинкина Ю. В., Супонева Н. А., Пирадов М. А. Degrees of functional connectome abnormality in disorders of consciousness Human Brain Mapping, Volume39, Issue7 July 2018 Pages 2929-2940 (год публикации - 2018)
10.1002/hbm.24050

2. Морозова С. Н., Кремнева Е. И., Сергеев Д. В., Синицын Д. О., Легостаева Л. А., Язева Е. Г., Кротенкова М. В., Рябинкина Ю. В., Супонева Н. А., Пирадов М. А. Conventional Structural Magnetic Resonance Imaging in Differentiating Chronic Disorders of Consciousness Brain Sciences, Brain Sci. 2018, 8(8), 144 (год публикации - 2018)
10.3390/brainsci8080144

3. Язева Е. Г., Легостаева Л. А, Зимин А, А., Сергеев Д. В., Домашенко М. А., Саморуков В. Ю., Юсупова Д. Г., Рябинкина Ю. В., Супонева Н. А., Пирадов М. А., Бодиен Е. Г., Джиацино Д. Т. A Russian validation study of the Coma Recovery Scale-Revised (CRS-R) Brain Injury, Volume 32, 2018 (год публикации - 2018)
10.1080/02699052.2018.1539248

4. Е. Г. Мочалова, Л. А. Легостаева, А. А. Зимин, Д. Г. Юсупова, Д. В. Сергеев, Ю. В. Рябинкина, Е. Бодин, Н. А. Супонева, М. А. Пирадов Русскоязычная версия пересмотренной шкалы восстановления после комы — стандартизированный метод оценки пациентов с хроническими нарушениями сознания Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова., Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. Спецвыпуски. 2018;118(3): 25-31 (год публикации - 2018)
10.17116/jnevro20181183225-31

5. Кремнева Е. И., Легостаева Л. А., Сергеев Д. В., Синицын Д. О., Суслин А. С., Морозова С. Н., Супонева Н. А., Кротенкова М. В., Пирадов М. А., Максимов И. Role of different diffusion MRI metrics in chronic disorders of consciousness Neuroradiology, September 2018, Volume 60, Supplement 2, S478-479 (год публикации - 2018)
10.1007/s00234-018-2057-6

6. Пойдашева А. Г., Легостаева Л. А., Мочалова Е. Г., Кремнева Е. И., Синицын Д. О., Сергеев Д. В., Супонева Н. А., Рябинкина Ю. В., Пирадов М. А. rTMS application in disorders of consciousness Clinical Neurophysiology, Volume 129, Supplement 1, Page e153 (год публикации - 2018)
10.1016/j.clinph.2018.04.389

7. Пирадов М. А. (ред.). Авторы: А. В. Кузнецов, А. В. Паевский, А. В. Червяков, А. Г. Пойдашева, Д. В. Сергеев, Д. О. Синицын, Е. Г. Язева, Е. И. Кремнева, И. С. Бакулин, Л. А. Легостаева, М. А. Пирадов, Н. А. Супонева, С. Н. Морозова, Ю. В. Рябинкина Хронические нарушения сознания Хронические нарушения сознания. Москва, Горячая линия-Телеком (год публикации - 2019)

8. Пойдашева А. Г., Бакулин И. С., Легостаева Л. А, Супонева Н. А., Пирадов М. А. Метод ТМС-ЭЭГ: возможности и перспективы Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова (год публикации - 2018)

9. Легостаева Л. А., Змейкина Э. А., Пойдашева А. Г., Сергеев Д. В., Синицын Д. О., Кремнева Е. И., Червяков А. В., Рябинкина Ю. В., Супонева Н. А., Пирадов М. А. A New Approach to the Study of Consciousness from the Theory of Integrated Information Point of View (Review) Современные технологии в медицине (год публикации - 2016)

10. Кремнева Е. И., Легостаева Л. А., Синицын Д.О., Пойдашева А. Г., Сергеев Д. В., Морозова С. Н., Супонева Н. А.., Рябинкина Ю. В., Мочалова Е. Г., Пирадов М. А. fMRI in differential diagnostics of chronic disorders of consciousness Neuroradiology, 59 (Suppl 1):S1–S115 (год публикации - 2017)
10.1007/s00234-017-1872-5

11. Кремнева Е. И., Синицын Д. О., Морозова С. Н., Легостаева Л. А., Сергеев Д. В., Мочалова Е. Г., Пойдашева А. Г., Червякова О. Г., Рябинкина Ю. В., Супонева Н. А, Пирадов М. А. Measuring functional connectome disruption in chronic disorders of consciousness Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine, 30(Suppl 1): S449 (год публикации - 2017)
10.1007/s10334-017-0634-z

12. Легостаева Л. А., Мочалова Е. Г., Пойдашева А. Г., Червяков А. В., Кремнева Е. И., Сергеев Д. В., Рябинкина Ю. В., Супонева Н. А., Пирадов М. А. Feasibility of individual diagnostic approach for patients with chronic disorders of consciousness European Journal of Neurology, 24 (Suppl. 1): 147 (год публикации - 2017)
10.1111/ene.13367

13. Мочалова Е., Легостаева Л., Пойдашева А., Кремнева Е., Червяков А., Сергеев Д., Рябинкина Ю., Супонева Н., Пирадов М. Decreased level of consciousness in thalamic hemorrhage patient European Journal of Neurology, 24 (Suppl. 1), 539-540 (год публикации - 2017)
10.1111/ene.13368

14. Кремнева Е. И., Сергеев Д. В., Змейкина Э. А., Легостаева Л. А., Пирадов М. А. Chronic disorders of consciousness: role of neuroimaging Journal of Physics: Conference Series, J. Phys.: Conf. Ser. 886 012011 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/886/1/012011

15. Легостаева Л. А., Змейкина Э. А., Кремнева Е. И., Пойдашева А. Г., Червяков А. В., Сергеев Д. В., Рябинкина Ю. В., Гнедовская Е. В., Супонева Н. А., Пирадов М. А. FMRI-navigated rTMS original protocol for disorders of consciousness treatment European Journal of Neurology, European Journal of Neurology, 23 (Suppl. 2), p. 460. Poster No P21231 (год публикации - 2016)
10.1111/ene.13093

16. Кремнева Е. И., Максимов И., Легостаева Л. А., Сергеев Д. В., Кротенкова М. В., Суслин А. С., Супонева Н. А., Пирадов М. А. Sensitivity of non-Gaussian diffusion metrics in chronic disorders of consciousness Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine, 30(Suppl 1): S430 (год публикации - 2017)
10.1007/s10334-017-0634-z

17. Пирадов М.А., Супонева Н.А., Селиверстов Ю.А., Лагода Д.Ю., Сергеев Д.В., Кремнева Е.И., Змейкина Э.А., Легостаева Л.А., Рябинкина Ю.В., Червяков А.В., Пойдашева А.Г. Возможности современных методов нейровизуализации в изучении спонтанной активности головного мозга в состоянии покоя Неврологический журнал, Неврологический журнал. 2016;21(1):4-12 (год публикации - 2016)

Публикации