Компьютеризированный тренинг улучшает функционал мозга людей с синдромом Дауна

Реферат научной статьи Anagnostopoulou A., Styliadis C., Kartsidis P., Romanopoulou E., Zilidou V., Karali C., Karagianni M., Klados M., Paraskevopoulos E., Bamidis P. D. Computerized physical and cognitive training improves the functional architecture of the brain in adults with Down syndrome: A network science EEG study1

Недостаточность синаптической пластичности и сниженная функциональная способность к перестройке наряду с морфогенетическими модификациями являются одними из основных причин нарушения работы мозга при синдроме Дауна [1, 2]. Мозговая активность, по данным электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ), представлена паттерном, схожим с таковым при болезни Альцгеймера. Согласно исследованиям функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), мозг людей с синдром Дауна имеет упрощенную функциональную организацию [3] с низкой производительностью и гибкостью [4], что ставит под вопрос его функциональную пластичность при этом синдроме. Тем не менее компенсаторные явления в мозге человека с синдромом Дауна возможны.

В настоящее время наблюдается смена парадигмы вмешательства и переход к нефармацевтическим протоколам, которые включают физические и поведенческие тренинги, направленные на нейропротекцию и стимуляцию нейропластичности.

Подобные протоколы вмешательства нередко применяют в клинике нейродегенеративных заболеваний к лицам пожилого возраста и в исследованиях нормального старения. В обзорной статье 2021 года [5] приводится метаанализ 41-го исследования стратегий вмешательства с целью повышения уровня физического и когнитивного здоровья и психосоциального функционирования испытуемых с разной степенью когнитивных нарушений. Из рассматриваемых вариантов наиболее эффективными оказались протоколы вмешательства, которые сочетают физические и когнитивные упражнения в параллельном или последовательном режиме, в то время как эффективность exergaming2 (фитнес-игра) не подтвердилась. Причем сочетание физической нагрузки (как правило, это упражнения на статическое и динамическое равновесие, координацию и растяжку) с когнитивным тренингом наиболее эффективно в отношении когнитивных функций.

Выводы о низкой эффективности exergaming, или тренингов с использованием виртуальной реальности, неоднозначны, так как результативность этих форм работы зависит от ряда условий: экспериментальной и контрольной групп (диагноз, стаж заболевания, возраст и пр.), протокола вмешательства, дизайна исследования и обработки данных. В клинике нейродегенеративных заболеваний, в том числе легких когнитивных расстройств, использование виртуальной реальности [11] эффективно в отношении когнитивной производительности и гибкости. Вероятно, в этом случае реорганизация функциональных сетей головного мозга идет с опорой на частично сохранные звенья когнитивного/поведенческого опыта, что также предполагает организацию виртуальной среды с учетом исходного поведенческого опыта испытуемых, как было представлено в реферируемом исследовании. Виртуальная реальность обращается к пространственной памяти, стимулируя целостное восприятие пространственных признаков. Кроме того, восприятие, движение или навигация в 3D-пространстве тесно связаны с пространственной памятью и вниманием (визуальное отслеживание объекта, направления относительно заданных ориентиров), а также их функциональной интеграцией на уровне мозговых структур – гиппокампа и энториальной коры – базовых компонентов функциональной системы произвольного планирования [12].

В исследованиях последних лет эффективность воздействия нередко анализируют, прибегая к инструментарию раздела дискретной математики – теории графов, что позволяет отобразить структурно-функциональные изменения мозга после обучающего или коррекционного воздействия. То есть изучают, изменились ли функциональные связи в мозге после обучения, и если да, то каким образом и какова тенденция данных изменений. Также важно оценить стандартными психометрическими и соматометрическими тестами результаты до и после, а затем соотнести их с нейрофизиологическими и структурно-функциональными изменениями в мозге испытуемых.

Результаты

По результатам исследования авторы отмечают значимые улучшения показателей физических способностей в тестах «Arm Curl Test», «Timed Up and Go» (стандартные тесты, используемые в реабилитационной практике) и когнитивных способностей в тестах «Воспроизведение числовых рядов», «Лабиринты», «Прогрессивные матрицы Равена». По остальным тестам результаты значимо не изменились.

Статистическое сравнение матриц PTE3 по данным ЭЭГ до и после вмешательства показало реорганизацию корковых связей в мозге испытуемых (p < 0,05). Кортикальная реорганизация характеризовалась усилением связей в

1. левом полушарии от затылочной (клин и язычная извилина) и височной долей (веретенообразная извилина) к лобной доле (верхняя и средняя извилины) и от лобной доли к теменной (верхняя долька, предклин и постцентральная извилина);

2. в правом полушарии от затылочной (клин, язычная и средняя извилины) и височной (веретенообразная и нижняя извилины) долей до лобной доли (верхняя, средняя и поясная извилины);

и между:

1. левой веретенообразной извилиной и нижней височной извилиной, а также правой лобной долей (верхняя, средняя и нижняя извилины);

2. правой средней затылочной долей, субгиральной, парагиппокампальной и веретенообразной извилинами и левой лобной долей (верхняя, средняя, прецентральная извилины);

3. левой нижней височной долей и правой передней поясной корой;

4. правой лобной долей (средняя и нижняя извилины) и левой постцентральной и средней лобной извилинами.

В отношении основных систем в состоянии покоя (RSN)4 была отмечена повышенная связность в дорсальной системе внимания (DAN), между зрительной системой распознавания (VIS) и фронто-теменной системой (FPN), VIS и сетью пассивного режима (DMN), VIS и вентральной системой внимания (VAN), VAN и FPN, FPN и DMN, FPN и соматосенсорной системой (SMN), FPN и DAN, DAN и DMN, а также DAN и SMN.

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33688615/

Обсуждение

Авторы экспериментально показали, что 10-недельный обучающий цикл, направленный на развитие когнитивных и физических способностей взрослых с синдромом Дауна, способствует развитию нейропластичности и приводит к кортикальной реорганизации, что регистрируется на ЭЭГ и определяется мерами графа. Было показано, что

1. краткосрочные тренировки могут изменить физические и когнитивные показатели взрослых с синдромом Дауна;

2. их мозг способен к адаптивной нейропластичности и реорганизации в ответ на новые стимулы и вызовы;

3. адаптивная нейропластичность может привести к более гибкой и эффективной функциональной сети.

Полученное в результате физической тренировки (ФТ) значительное улучшение показателей (силы и выносливости плечевого пояса, подвижности, статического и динамического равновесия) авторы обосновывают многофункциональной направленностью, в отличие от более ранних протоколов вмешательства [13, 14], сфокусированных либо на соматическом потенциале взрослых с синдромом Дауна, либо на определенном виде тренировки – работе с сопротивлением, аэробной тренировке.

Результаты исследования показали, что взрослые с синдромом Дауна способны пройти компьютеризированную программу когнитивного тренинга (КТ), который направлен на несколько когнитивных сфер, и в итоге освоить ее с улучшением общих когнитивных способностей: уровня общего интеллекта, навыков планирования и организации, показателей кратковременной памяти и концентрации внимания.

В процессе тренинга у испытуемых была вызвана адаптивная и репарационная пластичность, что привело к реорганизации коры в результате длительной стимуляции – комбинированного тренинга (ФТ + КТ), а также усилило внутри- и межполушарные связи. Кортикальным сетям при синдроме Дауна свойственны упрощенная организация с гиперсинхронизацией между областями мозга [3, 4, 6] и, соответственно, дефицит функциональной гибкости. Зарегистрированные в обсуждаемом исследовании сдвиги в связности указывают на реорганизацию сети в результате адаптивной или репарационной пластичности. Если учесть атипичное функциональное предпочтение – правополушарное при синдроме Дауна, то усиление информационного потока в левом полушарии можно считать результатом адаптивной нейропластичности [7], а усиление межполушарной связанности слева направо может быть следствием запуска репарационной нейропластичности, так как ранее данный паттерн был подтвержден у молодых людей с синдромом Дауна [8].

Исходя из анализа метрики графов, можно считать признаком переходного состояния функциональную реорганизацию от подобной случайной к функциональной архитектуре с менее хаотичными характеристиками, повышенной гибкостью и устойчивостью, с улучшенными возможностями к функциональной интеграции и сегрегации.

Данное исследование, несмотря на многосторонний анализ данных по сравнению с предыдущими, прозрачную и логичную представленность результатов, имеет ряд ограничений. Во-первых, малый размер экспериментальной выборки, отсутствие контрольных групп с синдромом Дауна и типичным развитием, что потенциально могло бы изменить интерпретацию результатов. Хотя исследование является первым, которое показало положительный эффект комбинированного тренинга (ФТ + КТ) у взрослых с синдромом Дауна, остается неясным вклад каждого вида тренинга в когнитивные способности и мозговые функции при этом синдроме. 

Схожие протоколы вмешательства, ранее применяемые в различных исследованиях (неврологических и психических расстройств), например [5, 9], практически всегда приводили к положительному эффекту от комбинированных тренингов, но вопрос вклада каждого отдельного вида тренинга, последовательности нагрузок и длительности воздействия пока остается открытым. Бо́льшая часть исследований отмечает вклад физических тренировок в когнитивное развитие или реабилитацию, то есть в сочетании с выверенным протоколом физических тренировок показатели когнитивных функций растут сильнее, чем при изолированных когнитивных занятиях. Со структурной точки зрения пластичность мозга подразумевает способность нейронов изменять синаптические связи [10], с поведенческой – осваивать новые когнитивные, поведенческие операции. Физические упражнения влияют на пластичность мозга и могут остановить, замедлить или обратить вспять патофизиологические процессы в случае легких когнитивных расстройств [11] и, вероятно, снизить структурно-функциональный дефицит в случае более серьезных нарушений. По поводу продолжительности необходимого для положительных сдвигов воздействия имеется относительное согласие. Речь, как правило, идет о сроке в полгода – год, который позволяет пройти основные этапы тренинга, адаптироваться к нагрузке, закрепить навык, а на структурно-функциональном уровне мозга реорганизовать и образовать новые связи.

Материалы и методы исследования

Экспериментальная выборка состояла из 12 человек с синдромом Дауна (возраст: 29 ± 11, 6 женщин). Процедура обучения проходила в Лаборатории активной и здоровой жизни в Салониках и на территории Греческой ассоциации синдрома Дауна. 

Когнитивный тренинг (КТ)

Для развития долговременной памяти использовалось программное обеспечение BrainHQ – интерактивная онлайн-среда на греческом языке. 30-минутный КT проводился 2 раза в неделю, включал 29 упражнений 6-ти категорий с настраиваемыми уровнями сложности и аудиовизуальными стимулами. КT был направлен на развитие памяти, внимания, скорости когнитивной обработки, навигации и навыков общения. На каждом занятии участников побуждали выполнять как можно больше заданий, по крайней мере они должны были выполнить хотя бы одно задание из каждой категории.

Физический тренинг (ФT)

ФТ был адаптирован к потребностям и возможностям людей с синдромом Дауна. Были использованы устройства с датчиками движения (например, Kinect). Режим занятий был таким же, как и при КТ. Чтобы опыт тренировок был приятным, физические упражнения, как правило, сочетались с играми. Занятия включали в себя аэробные тренировки (велосипед, пешие прогулки на месте), упражнения на гибкость (стретчинг), силовые (сопротивление, работа с весом) и на равновесие (статические, динамические). В начале и конце занятий проводились разминка и заминка в течение 5 минут. Аэробные упражнения выполнялись с использованием виртуальной среды карт Google, участники исследовали города и ландшафты. Верное выполнение силовых упражнений и упражнений на гибкость подкреплялось приятными изображениями. Упражнения на баланс с горизонтальным и вертикальным перемещением включали игры.

Психометрические и соматометрические оценки

Психометрическая шкала состояла из тестов на память, внимание (концентрацию) (WISC-III: Digits Span) [15], вербальные и невербальные умственные способности [16], скорость обработки информации (WISC-III: Digits Span и Picture Arrangement), решение задач, зрительно-пространственные способности, организационные навыки (WISC-III: Block Design, Picture Arrangement, Mazes), социальный интеллект (WISC-III: Picture Arrangement) и распознавание эмоций (чтение мыслей по глазам [17, 18] и его вариации – чтение мыслей по лицу или распознавание эмоций по видео).

Соматометрическая шкала представляла собой краткую батарею тестов на физическую эффективность (Short Physical Performance Battery) [19]: «10-meter walk» – на скорость ходьбы, функциональную мобильность и вестибулярную функцию [20]; «back scratch» – на общую подвижность плеч [21]; «sit and reach» – на гибкость [22]; «arm curl» – на силу и выносливость верхней части тела [21]; «four square step» – на динамическую стабильность и координацию [23]; «stork balance» – на статическое равновесие (для обеих ног) [24]; «timed up and go» – на динамическое равновесие [25], а также измерение индекса массы тела. Эта батарея тестов предназначена для оценки подвижности, гибкости (в определенных областях), динамической устойчивости, силы, статического и динамического равновесия.

Литература

1. Brain plasticity and disease: A matter of inhibition / L. Baroncelli et al. // Neural Plasticity/ 2011. Vol. 2011. Article ID 286073.

2. Dierssen M., Herault Y., Estivill X. Aneuploidy: from a physiological mechanism of variance to Down syndrome // Physiological Reviews. 2009. Vol. 89, № 3. P. 887–920.

3. Abnormal brain synchrony in Down syndrome / J. S. Anderson et al. // NeuroImage: Clinical. 2013. Vol. 2. P. 703–715.

4. Building an adaptive brain across development: targets for neurorehabilitation must begin in infancy / J. O. Edgin et al. // Frontiers in Behavioral Neuroscience. 2015. Vol. 9. P. 232.

5. Combined physical and cognitive training for older adults with and without cognitive impairment: A systematic review and network meta-analysis of randomized controlled trials / H. Gavelin et al. // Ageing Research Reviews. 2021. Vol. 66. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1568163720303676

6. Resting-state functional connectivity in individuals with Down syndrome and Williams syndrome compared with typically developing controls / J. N. Vega et al. // Brain Connectivity. 2015. Vol. 5, № 8. P. 461–475.

7. Elliott D., Weeks D. J., Chua R. Anomalous cerebral lateralization and Down syndrome // Brain and Cognition. 1994. Vol. 26, № 2. P. 191–195.

8. Inter-hemispheric functional coupling of eyes-closed resting EEG rhythms in adolescents with Down syndrome / C. Babiloni et al. // Clinical Neurophysiology. 2009. Vol. 120, № 9. P. 1619–1627.

9. Foster P. P. Role of physical and mental training in brain network configuration // Front. Aging Neurosci., Sec. Neurocognitive Aging and Behavior. 2015. Vol. 7, № 117. URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnagi.2015.00117/full

10. Ashford J. W., Jarvik L. Alzheimer’s disease: does neuron plasticity predispose to axonal neurofibrillary degeneration? // N. Engl. J. Med. 1985. Vol. 313, № 6. P. 388–389.

11. Foster P. P., Rosenblatt K. P., Kuljis R. O. Exercise-induced cognitive plasticity, implications for mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease // Front. Neurol., Sec. Ageing. 2011. Vol. 2, № 28. URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fneur.2011.00028/full

12. Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex / T. Hafting et al. // Nature. 2005. Vol. 436, № 7052. P. 801–806.

13. Hardee J. P., Fetters L. The effect of exercise intervention on daily life activities and social participation in individuals with Down syndrome: a systematic review // Research in Developmental Disabilities. 2017. Vol. 62. P. 81–103.

14. Physical therapy in Down syndrome: systematic review and meta-analysis / L. Ruiz-González et al. // Journal of Intellectual Disability Research. 2019. Vol. 63, № 8. P. 1041–1067.

15. Woolger C. Wechsler intelligence scale for children-(WISC-III) // In W. I. Dorfman, M. Hersen (Ed.) In Understanding Psychological Assessment. Springer US, 2001. Р. 219–233. 

16. John J., Raven J. Raven progressive matrices // In R. S. McCallum (Ed.) Handbook of Nonverbal Assessment. Boston, MA : Springer, 2003. doi: 10.1007/978-1-4615-0153-4_11

17. Another advanced test of theory of mind: evidence from very high functioning adults with autism or Asperger syndrome / S. Baron-Cohen et al. // Journal of Child Psychology and Psychiatry, and Allied Disciplines. 1997. Vol. 38, № 7. P. 813–822.

18. The “reading the Mind in the eyes” Test revised version: a study with normal adults, and adults with Asperger syndrome or high-functioning autism / S. Baron-Cohen et al. // Journal of Child Psychology and Psychiatry, and Allied Disciplines. 2001. Vol. 42, № 2. P. 241–251.

19. A short physical performance battery assessing lower extremity function: Association with self-reported disability and prediction of mortality and nursing home admission / J. M. Guralnik et al. // Journal of Gerontology. 1994. Vol. 49, № 2. M85–M94.

20. Bohannon R. W. Comfortable and maximum walking speed of adults aged 20–79 years: reference values and determinants // Age and Ageing. 1997. Vol. 26, № 1. P. 15–19.

21. Jones C. J., Rikli R. E. Measuring functional fitness in older adults // The Journal of Active Ageing. 2002. Vol. 1, № 1. P. 24–30.

22. Wells K. F., Dillon E. K. The sit and reach – a test of back and leg flexibility // Research Quarterly American Association for Health Physical Education and Recreation. 1952. Vol. 23, № 1. P. 115–118.

23. The reliability and validity of the four square step test for people with balance deficits secondary to a vestibular disorder / S. L. Whitney et al. // Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 2007. Vol. 88, № 1. P. 99–104.

24. Johnson B. L., Nelson J. K. Practical measurements for evaluation in physical education. Minneapolis, MN : Burgess Publishing, 1979. 410 р.

25. Shumway-Cook A., Brauer S., Woollacott M. Predicting the probability for falls in community-dwelling older adults using the Timed Up and Go Test // Physical Therapy. 2000. Vol. 80, № 9. Р. 896–903.