Neurologická onemocnění se často projevují třesem, potížemi s artikulací či zhoršenou pohyblivostí a potíže mají progredující charakter. Kromě celoživotní farmakologické léčby se v současnosti u některých pacientů využívají i mozkové implantáty, které stimulují určité oblasti v mozku. Podle Eduarda Bakšteina, člena týmu FEL ČVUT, který se spolu s lékaři podílí na kontinuálním výzkumu této terapeutické metody, je hluboká mozková stimulace efektivní metodou a pacientům dokáže pomoci od mnoha omezujících a život ztěžujících symptomů. Slovo neuroimplantát ve mně evokuje až sci-fi technologie s využitím umělé inteligence. Jsou tyto představy hodně vzdálené od reality? Zatím ano. Většina současných neuroimplantátů jsou vlastně velmi jednoduchá zařízení, která se podobají kardiostimulátoru. Titanové pouzdro se pacientovi voperuje do dutiny hrudní, dráty se vedou podkožím na vršek hlavy a dále skrze lebku. Do patřičné struktury v mozku se pak zavádějí elektrody, jejichž jedinou funkcí je podávat standardizovanou elektrickou stimulaci. Po několika letech se pak musí zařízení v hrudníku chirurgicky vyměnit za nové, když baterie dochází. Tyto neuroimplantáty tedy nevyužívají žádnou zpětnou vazbu a v drtivé většině ani nedokážou v mozku nic měřit. Nejde ani o plain computer interfaces, což jsou zařízení pro komunikaci z mozku do počítače. A nejsou to ani implantáty v podobě, kterou si představují sci-fi filmy či Elon Musk, i když vývoj a výzkum takových technologií ve světě samozřejmě probíhá a probíhá již velmi dlouho. Kam má tedy výzkum v oblasti neuroimplantátů ve světě nakročeno? Velký kus práce se odvedl na poli neuroprotetiky. Experimentálně se vytvářejí protézy, které dokážou snímat signály z nervů v pahýlu amputované končetiny. Také už běží výzkum, kdy se systém protézy učí chápat, jak se chce člověk pohnout, a na základě toho se snaží naučit operaci, kterou mají udělat. Proběhl také experiment, který se snažil napravovat paměťové stopy u pacientů s Alzheimerovou chorobou pomocí senzorů, elektrod a složitého počítačového modelu. Ukázalo se, že u postiženého pacienta experiment zvýšil kapacitu v mozku o 40 %. Ale jednalo se o model, který byl samostatně realizovaný, nebyl součástí implantátu a stála za ním jak silná výpočetní technika, tak i mnoho lidí, kteří počítače obsluhovali. Takže aby se implantáty dokázaly opravdu samy učit, to je ještě hudba budoucnosti. Vraťme se k terapeutickým implantátům; jak mohou pacientovi pomoci? Hodně záleží na tom, o jaký implantát se jedná. Ty, které pomáhají pacientům s Parkinsonovu nemocí, fungují jednoduše a dalo by se s nadsázkou říci, že až hrubě. Elektroda je na poměry mozku veliká, měří několik milimetrů čtverečních a tato plocha zasáhne obrovské množství neuronů. Stimulace tedy není cílená na konkrétní neurony, ale na celou podoblast cílového jádra. U Parkinsonovy choroby jsou v bazálních gangliích narušeny dráhy, které člověku umožňují modulovat pohyb, a probíhá v nich také nízkoúrovňové rozhodování. Chybí jim neurotransmiter dopamin, čímž vzniká nerovnováha, a některá jádra jsou proto aktivována příliš a jiná málo. Stimulace pomáhá tuto rovnováhu obnovit tak, že elektrickými pulzy přimějí celou konkrétní populaci neuronů, aby se chovala podobně, jako kdyby byl člověk zdravý a dopaminu měl dostatek. Může být tato metoda řešením pro všechny pacienty s Parkinsonovou chorobou? Hluboká mozková stimulace je pro toto onemocnění dnes jednou z běžných léčebných metod, ale nemůže se poskytovat úplně všem pacientům. Důvody jsou kapacitní, finanční i zdravotní. Implantace totiž může mít i nežádoucí účinky, takže se pacienti, pro které by měla metoda skutečně zlepšující efekt, musí velmi pečlivě vybírat. Momentálně na FEL ČVUT ve spolupráci s Nemocnicí Na Homolce a neurologickou klinikou 1. LF UK běží projekt s grantovou podporou Ministerstva zdravotnictví, v němž se tímto výběrem kandidátů zabýváme. Snažíme se identifikovat parametry, které rozhodují, zda bude pacient na léčbu dobře reagovat. Ale jinak u nás výzkum na toto téma funguje dlouhodobě. Já jsem spolu s britskými kolegy pracoval na detektoru třesu jakožto jednoho z významných symptomů onemocnění. Kolega Tomáš Sieger se například zabýval výzkumem, jak souvisí umístění stimulační elektrody v rámci subtalamického jádra s výskytem nežádoucích účinků či efektem terapie. A jeho druhý výzkum se zaměřoval na analýzu mikroelektronových záznamů pořízených během operace. Sledoval, zda existuje emoční odezva v signálech, tedy v aktivitě neuronů subtalamického jádra. Protože jedním z nežádoucích účinků terapie jsou právě emoční efekty. Pacienti mohou být depresivní, mají sebevražedné sklony a podobně. Na základě jakých parametrů se tedy pacienti pro hlubokou mozkovou stimulaci vybírají? O tom, pro jakého pacienta je léčba vhodná, rozhodují pouze lékaři a my z ČVUT v tom nemáme žádné slovo. Náš technický tým se primárně zabývá výzkumem algoritmů pro analýzu, interpretaci a automatické učení na datech. Každopádně parametry, které slouží pro identifikaci vhodných kandidátů, jsou psychiatrické vyšetření a neurologické vyšetření, které zkoumá poměr různých symptomů. Lékaři totiž vědí, jaký poměr určitých příznaků slibuje dobrý účinek terapie. Důležitým aspektem je i duševní kondice, pacient nesmí mít vzhledem k pokročilé fázi onemocnění sklony k demenci. V našem výzkumu se ale zabýváme i celou řadou dalších parametrů, jako jsou demografické údaje, spolu s kolegy provádíme experimenty, v nichž se zaměřujeme na řečovou funkci, protože řeč je motoricky ovládaná schopnost a u Parkinsonovy choroby je narušená. Sledujeme i pohyby a další ukazatele, ať už měřitelné, či vycházející ze standardních vyšetření. Proč vlastně mají neuroimplantáty nežádoucí účinky? To lze jen velmi těžko říci, protože se to ještě pořádně neví. V mozku většinou zjistíme, jak něco funguje, až když to přestane fungovat třeba po úrazu či v důsledku neurologických onemocnění. Teprve v ten okamžik máme možnost zjistit, do jakého souboru funkcí je daná oblast zapojena. A právě proto, že bazální ganglia nejsou zapojená jen do motorických okruhů, ale do řady dalších funkcí, může stimulace tyto funkce negativně ovlivnit a vyvolat například depresivní stavy. Operace a vložení implantátu do těla se dělá při vědomí jen s lokální anestezií. Je potřeba, aby při operaci probíhala mezi lékařem a pacientem interakce? Určitě. Lékař totiž může přímo při operaci testovat terapeutický účinek elektrody a sledovat, zda má stimulace kýžený efekt. Pacient dělá v průběhu zákroku nějaký jednoduchý úkol, například se snaží dávat prsty k sobě a od sebe a lékař se dívá, jak dobře mu to jde. Pak může rovnou pustit stimulaci do určitých míst, a pokud tato místa reagují, tak se dostal do oblastí, kam elektrody patří. Navíc i v průběhu operace se mohou objevit nežádoucí účinky, které se při celkové narkóze nedají odhalit. V té oblasti jsou velké thalamokortikální trakty, což jsou veliké svazky nervů, které vedou právě z thalamu, kde se řídí hodně základní funkce do mozkové kůry. Stimulací těchto míst člověk může mít například zrakové vjemy a toho je třeba se vyvarovat. Zmínil jste, že lékař může sledovat terapeutický účinek. Znamená to, že implantát pomáhá pacientovi okamžitě? Pokud se operace podaří, čili kandidát je dobře vybraný a elektroda správně umístěná, tak je efekt skutečně okamžitý. Vypadá to skoro až zázračně. Před operací se pacient nemůže téměř hýbat, nemůže psát, má zaťaté svaly. A ve chvíli, kdy si stimulátor spustí, tak je schopen vstát, normálně se pohybovat a prakticky na něm nejsou příznaky nemoci znát. Nutno ale podotknout, že i když jde o velmi sofistikovanou metodu, jedná se stále pouze o symptomatickou léčbu. Neléčí se příčina, ale odstraňují se příznaky. Ale takto je to u mnoha dalších neurologických a psychiatrických nemocí. U nich také léčíme jen projevy, nikoliv příčinu. Parkinsonova choroba má v čase progresi. Může na ni implantát reagovat? Pacienti chodí na pravidelné kontroly a zapisují si svůj stav a i s implantátem stále obvykle berou své předepsané léky. Cílem je nastavit optimální parametry stimulace a zároveň parametry medikace tak, aby se pacient cítil co nejdelší možnou dobu co nejlépe. A lékař samozřejmě může bezdrátově implantát přenastavovat v průběhu léčby dle aktuálního stavu daného nemocného. Momentálně je už relativně blízko klinickému nasazení i technologie, která umožní identifikaci určitých charakteristických rysů mozkové aktivity. V takto osazeném stimulátoru je zakódováno, že když se určitý typ aktivity objeví, má spustit stimulaci. Je tedy dopředu naprogramovaný na možnosti, které mohou nastat, a pokud situaci detekuje, zareaguje předem nastaveným způsobem. Na jaké další choroby se dá podobný princip implantátu konkrétně použít? Například na neurologické choroby jako dystonie či esenciální tremor, což je také třes, ale má jinou příčinu. Používá se také na léčbu symptomů obsedantně kompulzivní poruchy či extrémně závažných případů klinických depresí. Kromě toho existuje i velmi dlouhý seznam onemocnění, u nichž zatím probíhají experimenty. Zajímavé však je, že stimulací se dá regulovat a potlačovat i bolest. Ta je totiž také vjem, který mozek zaregistruje a dává odpovídající impulzy dalším oblastem. Takže stačí pravidelnými impulzy, dodanými do vhodné oblasti mozek přesvědčit o tom, že bolest neexistuje. Lze říct, že oblast potenciálních aplikací neurostimulace je velmi široká a v nepříliš vzdálené budoucnosti můžeme očekávat její nasazení pro nové – a dost možná i překvapivé – aplikace.
Eduard Bakštein Je absolventem Elektrotechnické fakulty ČVUT, oborů biomedicínské inženýrství (Ing.) a umělá inteligence a biokybernetika (Ph.D.). Ve své výzkumné práci se věnuje aplikaci metod umělé inteligence, strojového učení a datové analýzy do medicíny, konkrétně do oblasti výzkumu, diagnostiky a léčby neurologických a psychiatrických onemocnění. V současnosti pracuje jako výzkumník na katedře kybernetiky FEL ČVUT a v Národním ústavu duševního zdraví, kde vede pracovní skupinu analýzy biomedicínských dat. Tématu neurostimulace se výzkumně věnuje dlouhodobě, aktuálně zejm. ve spolupráci s Neurologickou klinikou 1. LF UK v rámci společného grantového projektu ministerstva zdravotnictví (projekt CLIMABI). Na tématu dále spolupracuje nebo spolupracoval také s výzkumníky z Kanady, Velké Británie a Nizozemska. /Kristina Kadlas Blümelová/