Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי פורסם: 31 בינואר, 2019

טיפול במחלת פרקינסון באמצעות גירוי מוחי עמוק

תַקצִיר

מאמר זה עוסק בטיפול מתקדם בבעיה מוחית הנקראת ”מחלת פרקינסון“ ומתבטאת בתנועות גוף חריגות. אחת השיטות לשפר את תסמיני המחלה היא לשלוח אותות חשמליים אל תאים הנמצאים עמוק במוח. אבל חשוב לדעת כמה חשמל לשלוח ומָתַי, אחרת כמות החשמל עלולה להיות גדולה מדי, ולגרום לתופעות לוואי, או קטנה מכדי לשפר את התסמינים. פתרון אפשרי הוא לפתח מנגנון מָשוֹב (פידבֶּק) כדי שהמכשיר השולח את האותות יוכל להתאים אותם באופן שוטף למצב. כך יוכל המטופל לקבל את הגירוי למוח רק כשהוא באמת זקוק לו (כלומר כשהתסמינים חמורים). המדענים סבורים שאותות מהמוח יכולים לספק למכשיר כזה משוב מתאים, כי מחלת פרקינסון היא בעיה מוחית ולכן ייתכן שפעילות המוח משתנה עם חוּמרת התסמינים.

תארו לכם שאתם משחקים תופסת-מחבואים. אתם רואים חבֵרה מתחבאת מאחורי עץ, כחמישה מטרים מכם. אתם מתחילים לרוץ אל העץ כדי לתפוס אותה, אבל היא מבחינה בכם ומזנקת לכיוון השני, אל הנדנדה! איך אתם מגיבים? ממשיכים לרוץ אל העץ כפי שהתכוונתם, ומשם פונים לנדנדה? או משנים תכנית ורצים מיד אל הנדנדה? מובן שאם אתם רוצים לתפוס את חברתכם, תרוצו ישר לנדנדה!

הפעולה שלכם אולי נראית לכם מובנת מאליה, אבל בעצם עשיתם דבר משמעותי מאוד. התכנית המקורית הייתה לרוץ לעץ, אבל כשראיתם את החברה מחליפה מקום, החלפתם גם את התכנית שלכם. התאמתם את פעולת הגוף שלכם למה שראיתם את חברתכם עושה. מידע כזה נקרא אות מָשוֹב ואנחנו פועלים לפי אותות כאלה כל הזמן, גם בלי להיות מודעים לכך.

הנה עוד דוגמה לשימוש שלכם באותות משוב כדי להתאים את התנהגותכם למצב: נניח שאתם קולים מרשמלו על מדורה. אתם רוצים שהמרשמלו שלכם יהיה קלוי בצורה מושלמת, ולכן אתם מקרבים את היד לאש. פתאום אתם מרגישים שהיד שלכם לוהטת. קירבתם את היד יותר מדי! אתם מרחיקים אותה מיד, בלי לחשוב. זאת משום שהמוח שלכם קיבל מהאצבעות אות משוב עם המסר שהן התחממו מדי. בתגובה לאות הזה, שיניתם את תכניתכם בנוגע למרחק מהמדורה. קודם תכננתם לקרב את היד, אבל התכנית החדשה היא להרחיק אותה! (ראו איור 1).

איור 1 - דוגמה לאות משוב כשהיד קרובה מדי למדורה, האצבעות שולחות למוח אות (מסומן באדום), המודיע שחַם להן מדי.
  • איור 1 - דוגמה לאות משוב כשהיד קרובה מדי למדורה, האצבעות שולחות למוח אות (מסומן באדום), המודיע שחַם להן מדי.
  • כתוצאה, המוח שולח לזרוע פקודה (מסומנת בירוק) לשנות תכנית ולהתרחק מהאש.

אנחנו משתמשים באותות משוב כל הזמן כדי להתאים את ההתנהגות למצב. במצבים מסוימים, הם גם יכולים לעזור לחלקים בגוף לחזור לפעילות תקינה. מדובר במקרים שבהם מכשיר רפואי קטן עוזר לאיברים לקויים למלא את תפקידם, ואותות משוב יכולים לסמן למכשיר מתי לפעול ומתי להפסיק. המכשיר ואותות המשוב משתפים פעולה עם שאר הגוף כדי שהכול יפעל באופן תקין.

האם שמעתם את המונח ”קוצב לב“? זהו מכשיר קטן המשמש לפעמים לטיפול באנשים שפעולת הלב שלהם משובשת. אם תצמידו אוזן לחזה של אחד ההורים שלכם, תשמעו את לבם פועם. שמתם לב כמה הפעימות סדירות? הקצב הסדיר הזה חשוב מאוד. המרווחים בין פעימות הלב חייבים להיות סדירים כדי שהלב יוכל למלא את תפקידו כמשאבה השולחת דם לכל חלקי הגוף. למרבה הצער, יש אנשים שאצלם קצב הלב מהיר מדי או איטי מדי, וזה עלול לסכן אותם מאוד. אחת הדרכים לתקן את הבעיה הוא ניתוח שבו מתקינים בלב חוט מתכת זעיר הנקרא אלקטרודה, ומחברים אותו למחשב זעיר שאותו מקבעים לחזה, תחת העור (ראו איור 2A). הקוצב מסדיר את קצב הלב באמצעות אותות חשמליים (דחָפים) שהוא שולח אליו כשהקצב משתבש. אבל איך מוודאים שהדחפים יישלחו בזמן הנכון? כאן נכנסים לתמונה אותות משוב. אלקטרודה אחת מקליטה את הדופק, כמו מיקרופון, ושולחת את המידע למחשב הזעיר, המבַצע חישוב מהיר של המהירות. אם מתברר שהקצב מהיר או איטי מדי, המחשב שולח ללב אות חשמלי באמצעות האלקטרודות (ראו איור 2B). הגירוי החשמלי עוזר להסדיר את קצב הלב. אפשר להשוות זאת לדחיפה העוזרת לילד קטן על אופניים לרכב בעלייה. הגירוי החשמלי נותן ללב ”דחיפה“ כזאת כדי שיחזור לפעום כרגיל.

איור 2 - קוצב לב A.
  • איור 2 - קוצב לב A.
  • אלקטרודות זעירות מוחדרות ללב ומחוברות למחשב קטנטן שאותו מתקינים על החזה, תחת העור. B. אלקטרודה אחת מתַפקדת כמיקרופון המקליט את הדופק. מידע זה נשלח למחשב, והוא מחשב את מהירות הדופק. אם המהירות לא תקינה, המחשב שולח ללב גירוי חשמלי (דחפים) באמצעות האלקטרודה השנייה כדי להסדיר את פעולתו. Heart pacemaker = קוצב לב How does it work? = איך זה עובד? Feedback signal – אות משוב Electrical stimulation = גירוי חשמלי

לפעמים המוח הוא שצריך דחיפה כזאת. דוגמה למצב שבו פעולת המוח לא תקינה היא מחלת פָּרקינסוֹן, המשפיעה על תנועות הגוף ופוגעת בעיקר בקשישים. החולים סובלים מהאטה של התנועות, נוקשות של השרירים ו/או רעד בלתי רצוני. אחת השיטות לטפל במחלת פרקינסון היא השתלה של קוצב מוח. הרופאים מבצעים ניתוח בו מחדירים אלקטרודות קטנות לעומק המוח ומחברים אותן למחשב זעיר הממוקם בחזה (ראו איור 3A). המחשב מכיל סוללה, שמספקת חשמל גם להפעלתו וגם למשלוח אותות חשמליים לעומק המוח, דרך האלקטרודות. הגירוי החשמלי מחולל שיפור ניכר בתסמינים של חולי פרקינסון. שיטת הטיפול הזאת נקראת גירוי מוחי עמוק, ובקיצור, בראשי התיבות באנגלית, DBS (מ-Deep Brain Stimulation).

איור 3 - קוצב מוח (מכשיר DBS) A.
  • איור 3 - קוצב מוח (מכשיר DBS) A.
  • אלקטרודות זעירות מוחדרות למוח ומחוברות למחשב קטנטן שאותו מתקינים על החזה, תחת העור. B. תאי המוח מסונכרנים הרבה יותר אצל חולי פרקינסון מאשר אצל קבוצת הבַּקָרה (אנשים שאינם חולים במחלת פרקינסון). אצל החולים, ”שירת המוח“ אינה מאוזנת, בגלל סנכרוּן-הַיֶתר של הנוירונים. Amount of synchronization in the brain = רמת הסנכרון במוח Controls = בקרות PD = מחלת פרקינסון

במהלך הטיפול נשלחים פולסים (פעימות) מלבניים קצרים מאוד של חשמל אל המוח (כ-130 פולסים לשנייה, או 130 הרץ). זרם DBS זורם לסירוגין בכיוון שלילי ובכיוון חיובי, אבל צורת הפולסים ומהירות החלפת הכיוון שונים מאלה של זרם החליפין בחוטי החשמל שבביתכם.

לפי התסמינים של המטופל, מחליטים הרופאים היכן בדיוק להתקין את האלקטרודות; אצל חולי פרקינסון, ממקמים אותן בדרך כלל בקבוצה קטנה של תאי עצב הנמצאים במרכז המוח ונקראים ”גרעיני הבסיס“ (איור 3A).

גירוי מוחי עמוק היא שיטה יעילה מאוד לשלוט בתנועות החריגות של חולי פרקינסון רבים. אבל היא אינה מושלמת. אחת הבעיות היא שאין אפשרות לקבל אות משוב שיביא להפסקת הגירוי החשמלי. לכן האותות נשלחים כל הזמן, אף על פי שהתסמינים משתנים במהלך היום. לפעמים החולה סובל מרעידות חזקות, או נע באיטיות רבה, ובזמנים אחרים הוא במצב טוב. אבל אי אפשר להתאים את הגירוי לשינויים האלה, כי לא מתקבל משוב. לכן קורה שבזמנים מסוימים הגירוי חזק מדי וגורם לתופעות לוואי, ובזמנים אחרים – חלש מכדי לגרום לשיפור משמעותי. אם נחזור לרגע לדימוי של משחק התופסת-מחבואים, מצב כזה דומה לרדיפה אחרי חברים בעיניים עצומות. איך יודעים לאן לרוץ? מה הסיכוי להצליח? זאת בדיוק הבעיה בגירוי מוחי עמוק ללא משוב.

דרך אחת לשפר את השיטה, אם כן, תהיה להוסיף לה את האפשרות לקבל אות משוב. רצוי שהוא יהיה תלוי בתסמינים של המטופל, כדי שהגירוי יופעל כשהם מחמירים, וייפסק או ייחלש כשהם נפסקים. אבל פעילות המוח מורכבת יותר מפעילות הלב, ועדיין לא ברור אילו סוגים של אותות משוב יתאימו במיוחד למנגנון כזה. מדענים רבים חוקרים את השאלה הזאת ממש עכשיו! כדי לענות עליה, הם מנהלים רישום של פעילות המוח בעזרת אלקטרודות המוצמדות או מוחדרות אליו. הם מקליטים את האותות ששולח מוחם של חולי פרקינסון כשמצָבם טוב, ומשווים אותם לאותות שהוא שולח כשהם סובלים מתסמינים חמורים. בניסויים אחרים משווים בין אותות המוח של החולים לבין אלו של נבדקים בריאים (קבוצת בַּקָרה). המטרה היא לבחור לפי הממצאים אות שמסמן מתי מופיעים תסמינים חמורים, כך שהוא יוכל לשמש כמשוב ולהפעיל את מכשיר ה-DBS.

בזכות המחקרים האלה התגלו לאחרונה ממצאים חשובים. התברר שאצל חולי פרקינסון, הנוירונים מתואמים ביניהם יותר מדי, כלומר הסנכרוּן ביניהם גבוה מדי [12]. מדוע זאת בעיה? כדי להבין זאת, אפשר לדמיין את המוח כמקהלה. המנצח מסביר לחברי המקהלה (תאי המוח, או הנוירונים) מתי לשיר באותו קצב, מתי לשנות את הקצב, ומתי לשתוק. חברי המקהלה צריכים גם להקשיב זה לזה כדי לוודא שהם שרים באותה עוצמה ומגיבים לשינויי הקצב של חבריהם. כך נוצרת שירת מקהלה מאוזנת – כלומר פעילות מאוזנת של המוח. שינויי קצב או מקצב במוח קשורים לשינויים בהתנהגות. למשל, אם אתם רוצים להזיז את היד, ישתנה קצב הפעילות של הנוירונים (קצב השירה של המקהלה), והיד תזוז. אצל חולי פרקינסון יש לפעמים תנועות חריגות כי קצב הפעילות של הנוירונים חזק מכדי להשתנות בקלות. כתוצאה מכך, החולה עלול ”להיתקע“ או להתקשות בהתחלת תנועה. אם נחזור לדימוי של המקהלה, אפשר להשוות את הבעיה הזאת למצב שבו כמה מחברי המקהלה שרים באותו זמן, ואינם מקשיבים זה לזה וגם לא למנצח כשצריך לשנות את הקצב. לפעמים הם שרים בקול הולך וגובר ומפריעים לכל חברי המקהלה לפעול יחד. ”שירה לא מאוזנת“ כזאת דומה לפעילות מוחית לא מאוזנת, וייתכן שזאת הסיבה לשיבוש בתנועות של חולי פרקינסון. ככל ש”חברי המקהלה שרים“ בקול רם יותר, כך תסמיני המחלה חמורים יותר. המחשה לסנכרוּן חריג כזה תראו באיור 3B.

כעת מפתחים את הרעיון שמידת הסנכרוּן בין תאי המוח תשמש כאות משוב, ותסמן לקוצב מתי לגרות את המוח. אופן הפעולה יהיה דומה מאוד לזה של קוצב לב. האלקטרודות הקטנות במוח יקליטו את ”שירת“ המוח כמו מיקרופון, וישלחו אותה למחשב הזעיר כאוֹת משוב. הוא יחשב עד כמה הנוירונים מסונכרנים, ויתאים לכך את כמות החשמל הנשלח למוח. כאשר מטופל מרגיש רע כי תאי המוח שלו מסונכרנים מדי, המחשב ישלח אל המוח אות חשמלי באמצעות האלקטרודות הקטנות. כשהמטופל מרגיש טוב ורמת הסנכרוּן תקינה, הגירוי יופחת או אפילו יופסק (ראו איור 4). כך תתאפשר שליטה חכמה יותר במחלת פרקינסון, שתשפר את התסמינים בלי לגרום לתופעות לוואי. המדענים חוקרים את הרעיון ממש בימים אלה! עדיין נדרשות בדיקות נוספות, אבל מהניסויים המוקדמים עולה ששימוש ברמת הסנכרוּן כאות משוב אכן מקל את תסמיני המחלה [3]. זו תגלית מלהיבה מאוד, כי פירושה שבקרוב יהיה לחולי פרקינסון טיפול טוב יותר!

איור 4 - שימוש ב”שירת המוח“ כאות משוב בטיפול DBS.
  • איור 4 - שימוש ב”שירת המוח“ כאות משוב בטיפול DBS.
  • אלקטרודה אחת משמשת כמיקרופון – היא מקליטה את ”שירת המוח“ ושולחת אותה אל המחשב, והוא מחשב את רמת הסנכרוּן בין התאים. אם התאים מסונכרנים מדי, ”שירת המוח“ לא מאוזנת והמטופל אינו מרגיש טוב. במקרה כזה שולח המחשב אותות חשמל אל המוח באמצעות אלקטרודת הגירוי. כאשר ”שירת המוח" חוזרת לאיזון, המטופל מרגיש טוב ואפשר להפסיק את הגירוי החשמלי.

מילון מונחים

אוֹת מָשוֹב (Feedback signal): מידע המוחזר בתגובה על פעולה, ולפִיו אפשר לקבוע אם דרוש שינוי בהתנהגות, או בפעולות אחרות.

מחלת פָּרקִינסוֹן (Parkinson’s disease): בעיה רפואית במוח, המשפיעה על תנועות הגוף.

גירוי מוחי עמוק, או DBS (Deep Brain Stimulation): טיפול לבעיות מוחיות כגון מחלת פרקינסון, באמצעות חשמל הנשלח אל מבנים בעומק המוח.

סנכרון (Synchronization): תיאום בין מספר פעולות המתרחשות באותו זמן. במאמר זה מתואר מצב של סנכרוּן-יתר בין תאי המוח אצל חולי פרקינסון, כלומר מצב שבו הם פועלים באופן דומה מדי באותו זמן.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.


מקורות

[1] Little, S., Brown, P. 2014. The functional role of beta oscillations in Parkinson’s disease. Parkinsonism Relat. Disord. 20:S44–S48. doi: 10.1016/S1353-8020(13)70013-0

[2] de Hemptinne, C., Swann, N. C., Ostrem, J. L., Ryapolova-Webb, E. S., San Luciano, M., Galifianakis, N. B., et al. 2015. Therapeutic deep brain stimulation reduces cortical phase-amplitude coupling in Parkinson’s disease. Nat Neurosci. 18:779–786. doi: 10.1038/nn.3997

[3] Little, S., Pogosyan, A., Neal, S., Zavala, B., Zrinzo, L., Hariz, M., et al. 2013. Adaptive deep brain stimulation in advanced Parkinson disease. Ann. Neurol. 74:449–457. doi: 10.1002/ana.23951