Dotychczasowe badania nad właściwościami sieci epileptycznych pokrywały na ogół okres nie dłuższy niż kilka minut, obejmując swoim zapisem jedynie wycinek zachodzących zależności. Dlatego twórcy opisywanego badania pokusili się o przeprowadzenie dłuższych obserwacji. Przy pomocy inwazyjnego pomiaru EEG podjęli próbę uzyskania wielodniowego zapisu aktywności neuronalnej od 17 pacjentów cierpiących na lekooporną epilepsję.

Napady padaczkowe

Padaczka lub inaczej epilepsja należy do przypadłości stosunkowo często spotykanych w gabinecie neurologa. Według szacunkowych danych dotyczy 1% społeczeństwa. Charakterystycznym objawem, wymienianym na jednym tchu z nazwą choroby, jest występowanie niesprowokowanych czynnikami zewnętrznymi napadów. Dla postronnego obserwatora mogą się one przejawiać drgawkami (tymi najbardziej „filmowymi” - czyli toniczno-klonicznymi; ale też mniej spektakularnymi, np. rytmicznymi skurczami lub ruchami jednej kończyny), przybierają również inne formy, trudniej lub nawet wcale niedostrzegalne dla otoczenia. Chory może skarżyć się na fale nieprzyjemnego zapachu, omamy wzrokowe czy epizody utraty świadomości przypominające coś, co w języku potocznym określamy czasem „urwaniem kontaktu”.

Napady padaczkowe są zaledwie manifestacją tego, co dzieje się w tym czasie w mózgu chorego. W uproszczonym modelu pewien obszar zaczyna emitować serię impulsów elektrycznych, te zaś następnie mogą rozprzestrzenić się po całym mózgu, prowadząc do uogólnionego (przebiegającego z utratą świadomości) napadu. Przyczyny bywają różne, od obniżonego progu pobudliwości neuronów (oznacza to, że bodziec, który w normalnych warunkach byłby zbyt słabym, aby wywołać odpowiedź komórki, z powodu niższego progu jest w stanie spowodować wyładowania) i zaburzeń w transporcie jonów, do uszkodzeń organicznych na skutek na przykład chorób naczyniowych lub procesu rozrostowego. Dość sporą grupę wśród nich stanowią niestety nadal przypadki, w których nie potrafimy dokładnie rozpoznać czynnika sprawczego; te zwą się zbiorczo padaczkami idiopatycznymi.

Wyjaśnienie fenomenu padaczki wciąż jest więc aktualnym problemem medycznym oraz badawczym. Przytoczony już wyżej prosty model ogniska impulsotwórczego dobrze sprawdza się w planowaniu leczenia zabiegowego. Metody chirurgiczne na wagę złota są w przypadku padaczek niedających się kontrolować przy pomocy farmakologii. A te stanowią udział nawet do 30% pacjentów. Wyodrębniwszy obszar odpowiadający za powstawanie nieprawidłowych impulsów, można spróbować zniszczyć jego połączenia z resztą komórek, uniemożliwiając tym samym rozprzestrzenienie się pobudzeń. I choć jest to metoda skuteczna, trwają poszukiwania mniej nieodwracalnych sposobów leczenia.

Padaczka jako choroba sieci neuronalnych

Tak proste przedstawienie procesu nie satysfakcjonuje naukowców, którzy klucza do skuteczniejsze terapii upatrują w dokładniejszym zrozumieniu mechanizmów powstawania nieprawidłowych pobudzeń oraz ich dalszego rozprzestrzeniania się. Kiedy więc schemat „ogniska impulsacji” przestał wystarczać dla opisu rozchodzenia się patologicznych zjawisk elektrycznych w mózgu, uwagę zainteresowanych przykuły sieci neuronalne. Do dziś, to właśnie model funkcjonalnej sieci używany jest w próbach scharakteryzowania nieprawidłowych procesów, zachodzących w pracy komórek nerwowych osób chorujących na padaczkę.

Pojęcie funkcjonalnej sieci epileptycznej zrodziło się ze współudziału dwóch aspektów sieci: przestrzennego (rozmieszczenie węzłów oraz anatomicznych połączeń - „aksonalnych kabli” - między nimi) i czasowego (synchronizacja pobudzeń pomiędzy poszczególnymi obszarami sieci).

W analizach sieci duże znaczenie ma pojęcie centralności. Stanowi ona miarę, za pomocą której możemy określić, jak ważny jest dany węzeł lub połączenie.

Badanie

Posiłkując się przedoperacyjnym, inwazyjnym badaniem EEG (określenie „inwazyjne EEG” oznacza, że elektrody dokonujące pomiaru wprowadzone zostały do wnętrza czaszki) od 17 pacjentów zakwalifikowanych do zabiegu chirurgicznego, naukowcy podjęli próbę określenia hierarchii ważności poszczególnych regionów tworzących sieć epileptyczną. Wpierw podzielili dostępne badaniu węzły na trzy kategorie: znajdujące się w obszarze odpowiedzialnym za generowanie wywołujących napad impulsów, mieszczące się w niewielkiej odległości od tych obszarów, oraz pozostałe. Następnie mierzyli ważność węzłów przy pomocy dwóch odrębnych wskaźników centralności. Jeden z nich skupia się na sumarycznej sile połączeń z innymi węzłami. Drugi ocenia ważność węzła poprzez liczbę dróg przebiegających przez niego. Jeśli brzmi to enigmatycznie, spieszę z ilustracją. Gdyby zespół ekspertów miał ustalić, które miasto jest najistotniejsze dla transportu w pewnym kraju, część z tych poważnych panów w garniturach mogłaby dokonać oceny poprzez porównanie liczby pojazdów, które doń spieszą. Druga zaś część mogłaby za najważniejsze miasto uznać raczej to, przez które przebiega największa liczba dróg,łączących pozostałe aglomeracje.

Sieci neuronalne nie posiadają sztywnej hierarchii ważności ośrodków

Wyniki uzyskane zarówno przy użyciu pierwszego, jak i drugiego wskaźnika ważności, wskazują na dużą zmienność osobniczą przy określaniu najważniejszych węzłów. Każdą sieć należy więc traktować bardzo indywidualnie, co może utrudniać wyciąganie ogólnych wniosków. Jednak u wszystkich uczestniczących w badaniu pacjentów, obserwuje się to samo zjawisko: nie istnieje jeden nadrzędny obszar sieci epileptycznej. Ośrodki wymieniały się rolą najważniejszego, w cyklach, które przypominały badaczom rytmy dobowe. Czas trwania pojedynczej „kadencji” każdej z trzech kategorii węzłów, wynosił od 100 sekund do nawet ponad doby, przy czym częstsze były krócej trwające zmiany.

W czasie badania u pacjentów miały miejsce łącznie 83 napady, jednak naukowcy nie zaobserwowali różnic w „podziale władzy” pomiędzy węzłami należącymi do każdej z trzech kategorii w trakcie oraz poza napadem. Można więc powiedzieć, że praca sieci nie zmieniała się w czasie napadów. Lub, od innej strony: że wystąpienie napadu padaczkowego nie jest pochodną jakiegoś konkretnego wzoru pobudzeń sieci. Dodatkowo miejsce generujące nieprawidłowe impulsy nie koniecznie pełnić musi rolę centralnego punktu epileptycznej sieci neuronalnej, nawet w momencie samego napadu.

W świetle zdobytych informacji zespół badawczy postuluje włączenie dwóch dodatkowych kryteriów oceny sieci neuronalnych: oceny zmienności w pełnieniu funkcji najważniejszego ośrodka sieci pomiędzy regionami, oraz czasu utrzymywania przez dany region statusu najważniejszego.

Zdobyta wiedza może przyczynić się do dalszego zrozumienia procesów zachodzących w mózgu chorych. To z kolei, jak mają nadzieję badacze (a my razem z nimi), stanie się impulsem do rozwoju jeszcze lepszych metod diagnostycznych oraz leczniczych.

Na podstawie:

Geier, C., Lehnertz, K. (2017). Long-term variability of importance of brain regions in evolving epileptic brain networks. Chaos 27, doi: 10.1063/1.4979796

Bibliografia:

Allen, E.A., Damaraju, E., Plis, S., Erhardt, E.B., Eichele, T., Calhoun, V.D. (2012). Tracking Whole-Brain Connectivity Dynamics in the Resting State. Cerebral Cortex 24(3), 663-676, doi: 10.1093/cercor/bhs352

Laufs, H. (2012). Functional imaging of seizures and epilepsy: Evolution from zones to networks. Current opinion in neurology 25(2), 194-200, doi: 10.1097/WCO.0b013e3283515db9

Niedzielska, K., Czapiński, P., (2012). Padaczka. W: Gajewski, P. (red.) Interna Szczeklika (2053-2057). Kraków: Medycyna praktyczna

Wendling, F., Chauvel, P., Biraben, A., Bartolomei, F. (2010). From intracerebral EEG signals to brain connectivity: identification of epileptogenic networks in partial epilepsy. Frontiers in Systems Neuroscience 4, article nr 154, doi: 10.3389/fnsys.2010.00154