Силу острой и хронической боли вычислили по работе коры больших полушарий

Американские ученые нашли биомаркер для боли — то есть области мозга, активность которых связана с силой болевых ощущений. Для этого они имплантировали электроды в мозг четырем пациентам, страдающим от хронической боли, и попросили их каждый день оценивать силу боли и измерять активность коры больших полушарий. Оказалось, что работа орбитофронтальной коры помогает предсказать силу хронической боли, а работа поясной извилины — силу острой боли. Но пока алгоритм не умеет вычислять интенсивность ощущения, а только отличает сильную боль от слабой. Работа опубликована в журнале Nature Neuroscience.

От хронической боли страдает чуть ли не каждый второй человек на планете, и в большинстве случаев совершенно непонятно, как ее лечить. Одна из причин состоит в том, что не всегда можно выяснить, где она локализована. Часто хроническая боль возникает не из-за конкретного болевого стимула, а из-за поломки в системе передачи сигнала (мы рассказывали об этом в материале «Просто больно»). То есть проблема находится где-то по дороге от органа, который «болит», до мозга.

Вторая причина — в том, что хроническую боль очень сложно измерить, и поэтому сложно выяснить, помогает ли от нее то или иное средство. Врачам приходится делегировать эту задачу самим пациентам, которые оценивают силу своей боли по стандартной шкале. Но такие оценки очень субъективны, поэтому ученые ищут другие способы детектировать боль.

Можно, например, измерить активность тех или иных отделов мозга человека с помощью электроэнцефалографии или функциональной МРТ. Но эти методы помогают что-то увидеть только на отрезке в несколько минут — и нет гарантии, что именно в этот момент пациент испытает приступ хронической боли требуемой силы. Или же можно работать со здоровыми людьми и причинять им боль, например, прикладывая к коже горячие пластинки. Но тогда придется еще доказывать, что острая боль у здорового человека задействует те же участки мозга, что и у пациента, который давно страдает от боли хронической.

Поэтому Прасад Ширвалкар (Prasad Shirvalkar) и его коллеги из Калифорнийского университета в Сан-Франциско решили поставить длительный эксперимент. Они отобрали четырех пациентов с хроническими болями: двух мужчин и женщину после инсульта, которые испытывали боль в одной из сторон тела, и одну женщину после ампутации ноги, она страдала от фантомной боли. Каждый из них в течение 3–6 месяцев фиксировал свои приступы боли. В среднем боль была довольно сильной (7,8 баллов по шкале от 0 до 10) и значительно колебалась (до 2 баллов) ото дня ко дню и в зависимости от времени суток.

Кроме того, каждому участнику имплантировали электроды в области передней части поясной извилины и орбитофронтальной коры. Поясную извилину ученые уже давно связывают с ощущением боли, а орбитофронтальная кора изучена хуже, но активно взаимодействует с поясной извилиной. Электроды передавали сигнал на устройство, которое используют для глубокой стимуляции мозга, — только на этот раз оно служило, наоборот, чтобы записывать активность коры. Пациенты могли сами управлять записью и должны были включать ее на 30 секунд по три раза в день.

Сначала исследователи собрали записи мозговой активности пациентов, сделанные в клинике, и начали тренировать на них алгоритм машинного обучения. Он мог учитывать активность поясной коры и/или орбитофронтальной коры в одном или обоих полушариях (у всех пациентов, кроме одной женщины, электроды были с обеих сторон). Но ни одна комбинация этих переменных не помогла предсказать интенсивность боли, коэффициент детерминации R² был −0,2–0,1 (то есть модель фактически не имела предсказательной силы). Тогда ученые разделили боль на сильную и слабую, и с дихотомическим выбором алгоритм справился гораздо лучше: положительная прогностическая ценность (отношение числа истинно положительных ответов к числу всех положительных) составила 0,83–0,93. При этом достаточно было учесть только активность орбитофронтальной коры со стороны, противоположной повреждению (контралатеральной).

Дальше авторы работы проверили, сработает ли их алгоритм в случае острой боли. Для этого они записывали активность мозга у пациентов, когда прикладывали к их коже предметы разной температуры. Причем, если прикладывали с поврежденной стороны, то не в том месте, где сильнее всего ощущалась хроническая боль, а рядом с ним. В этом случае активности орбитофронтальной коры оказалось недостаточно — алгоритм определял сильную боль, только если получал данные от поясной извилины. Он справился с задачей только у двух пациентов из четырех и только в том случае, когда болевой стимул прикладывали к поврежденной стороне тела.

Таким образом, острая и хроническая боль оказались связаны с разными зонами коры — поясной и орбитофронтальной соответственно. Это может означать, что за два типа болевых ощущений отвечают разные механизмы. С помощью машинного обучения невозможно выяснить, как эти механизмы устроены, — но можно подтвердить, что активность в этих зонах можно использовать как биомаркер для разных типов боли.

Это не означает напрямую, что поясная и орбитофронтальная кора непосредственно участвуют в работе механизма, который создает ощущение боли. Авторы работы считают вероятным, что электрическая активность, которую считывает прибор, может быть каким-то побочным эффектом — например, проявлением возбуждения или внимания к участку тела, который «болит». Но для биомаркера это не особенно важно, если он помогает распознать и как-то измерить силу болевых ощущений. Правда, пока биомаркер работает дихотомически и отличает только сильную боль от слабой.

Кроме того, исследователям предстоит проверить свой биомаркер на большей выборке людей. Среди четырех пациентов, с которыми они работали, трое перенесли инсульт — значит, их мозг был поврежден, и некоторые его участки могли перестроиться и теперь работают не так, как прежде. А другие участки могли перестроиться в связи с хронической болью, от которой все четыре пациента страдают давно. Тем не менее, авторы работы надеются, что можно будет найти неинвазивный способ, чтобы считывать активность этих участков мозга, — и тогда можно будет измерять боль у остальных пациентов.

В то время как одни исследователи тренируются вычислять, насколько больно их пациентам, другие работают на животных — и спорят о том, бывает ли им больно вообще. В эксперименте с осьминогами (о нем в материале «Боль головоногая») ученым было достаточно характерного поведения моллюсков, которые избегали тех мест, где получили неприятный укол. В работе со шмелями (о ней в материале «Больше боли») авторы привели более сложное доказательство: их аргументом стало то, что шмели умеют терпеть.