The role of non-invasive brain stimulation in the development of modern technologies of cognitive enhancement and cognitive rehabilitation

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

This review analyzes modern technologies for cognitive enhancement and cognitive rehabilitation using non-invasive brain stimulation. Examples of successful application of actively developing methods of non-invasive brain stimulation – transcranial magnetic and electrical stimulation – are considered. as well as methods of sensory stimulation – acoustic, visual and audiovisual influences. Separately, examples of successful enhancement and restoration of cognitive functions using methods of non-invasive sensory stimulation with feedback from the electroencephalogram (EEG) are considered. The advantages of innovative technologies for cognitive rehabilitation using computer EEG transformations are shown. The possibilities and prospects for using the considered technologies as a tool in carrying out a wide range of rehabilitation procedures are analyzed. The results of the author's own research in this direction are presented.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

A. Fedotchev

Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: fedotchev@mail.ru

Институт биофизики клетки РАН 

Ресей, Pushchino, Moscow region, 142290

Әдебиет тізімі

  1. Бакулин И.С., Пойдашева А.Г., Павлов Н.А. и др. Транскраниальная электрическая стимуляция в улучшении функции руки при инсульте // Успехи физиол. наук. 2019. Т. 50. № 1. С. 90–104. https://doi.org/10.1134/S030117981901003X.
  2. Бакулин И.С., Пойдашева А.Г., Медынцев А.А. и др. Транскраниальная магнитная стимуляция в когнитивной нейронауке: методологические основы и безопасность // Российский журнал когнитивной науки. 2020. Т. 7. № 3. С. 25–44. https://doi.org/10.47010/20.3.2.
  3. Бакулин И.С., Пойдашева А.Г., Лагода Д.Ю. и др. Перспективы развития терапевтической транскраниальной магнитной стимуляции // Нервные болезни. 2021. № 4. С. 3–10. https://doi.org/10.24412/2226-0757-2021-12371.
  4. Боголепова А.Н., Левин О.С. Когнитивная реабилитация пациентов с очаговыми поражениями головного мозга // Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2020. Т. 120. № 4. С. 115–122. https://doi.org/10.17116/jnevro2020120041115.
  5. Дик О.Е., Ноздрачёв А.Д. Динамика паттернов электрической активности мозга при нарушениях его функционального состояния. Успехи физиол. наук. 2020. Т. 51. № 2. С. 68–87. https://doi.org/10.31857/S0301179820020046.
  6. Забирова А.Х., Бакулин И.С., Пойдашева А.Г., Захарова М.Н., Супонева Н.А. Когнитивные нарушения и методы их терапии у пациентов с рассеянным склерозом. Альманах клинической медицины. 2023. Т. 51. № 2. С. 110–125. https://doi.org/10.18786/2072-0505-2023-51-009.
  7. Калантарова М.В., Завалий Л.Б., Борисоник Е.В. и др. Цифровые технологии в когнитивной реабилитации пациентов с очаговыми поражениями головного мозга // Консультативная психология и психотерапия. 2020. Т. 28. № 3. С. 122–141. https://doi.org/10.17759/cpp.2020280308.
  8. Константинов К.В., Леонова М.Л., Мирошников Д.Б., Клименко В.М. Особенности восприятия акустического образа собственной биоэлектрической активности головного мозга. Рос. физиол. журн. им. И.М.Сеченова. 2014. Т. 100. № 6. С. 710–721.
  9. Лагода Д.Ю., Добрынина Л.А., Супонева Н.А. и др. Ритмическая транскраниальная магнитная стимуляция в терапии умеренных когнитивных расстройств при церебральной микроангиопатии // Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2021. Т. 15. № 4. С. 5–14. https://doi.org/10.54101/ACEN.2021.4.1.
  10. Нуйдель И.В., Колосов А.В., Демарева В.А., Яхно В.Г. Применение феноменологической математической модели для воспроизведения эффекта взаимодействия эндогенных и экзогенных осцилляций при нейробиоуправлении // Современные еехнологии в медицине. 2019. Т. 11. № 1. С. 103–108. https://doi.org/10.17691/stm2019.11.1.12.
  11. Пирадов М.А., Черникова Л.А., Супонева Н.А. Пластичность мозга и современные технологии нейрореабилитации // Вестник РАН. 2018. Т. 88. № 4. С. 299–312. https://doi.org/10.7868/S0869587318040023.
  12. Пойдашева А.Г., Бакулин И.С., Лагода Д.Ю. и др. Транскраниальная электрическая стимуляция постоянным током с высоким разрешением (обзор литературы) // Успехи физиол. наук. 2021. Т. 52. № 1. С. 3–15. https://doi.org/10.31857/S0301179821010070.
  13. Савчук Л.В., Полевая С.А., Парин С.Б., Бондарь А.Т., Федотчев А.И. Резонансное сканирование и анализ ЭЭГ при определении зрелости корковой ритмики у младших школьников // Биофизика. 2022. Т. 67. № 2. С. 354–361. https://doi.org/10.31857/S0006302922020181.
  14. Столбков Ю.К., Герасименко Ю.П. Нейромодуляция моторных функций с помощью неинвазивных церебеллярной и спинальной стимуляций постоянным током. Успехи физиол. наук. 2021. Т. 52. № 2. С. 21–38. https://doi.org/10.31857/S0301179821020089.
  15. Терешин А.Е., Кирьянова В.В., Константинов К.В. и др. Биоакустическая коррекция в когнитивной реабилитации пациентов с очаговыми поражениями головного мозга // Вестник восстановительной медицины. 2019. № 5(93). С. 47–56.
  16. Федотчев А.И. Эффекты фотостимуляции, управляемой ЭЭГ человека // Биофизика. 2019. Т. 64. № 2. С. 358–361. https://doi.org/10.1134/S0006302919020157.
  17. Федотчев А.И. Методы адаптивной нейростимуляции с обратной связью: особенности, достижения и перспективы развития // Рос. физиол. журн. им. И.С.Сеченова. 2023. Т. 109. № 9. С. 1–16. https://doi.org/10.31857/S0869813923090030.
  18. Федотчев А.И., Земляная А.А., Парин С.Б., Полевая С.А., Силантьева О.М. Когнитивная реабилитация пожилых людей с помощью музыкального нейроинтерфейса // Профилактическая медицина. 2020. Т. 23. № 2. С. 42–46. https://doi.org/10.17116/profmed20202302142.
  19. Федотчев А.И., Земляная А.А., Савчук Л.В., Полевая С.А. Нейроинтерфейс с двойной обратной связью от ЭЭГ в коррекции стресс-вызванных расстройств // Современные технологии в медицине. 2019 а. Т. 11. № 1. С. 150–154. https://doi.org/10.17691/stm2019.11.1.17.
  20. Федотчев А.И., Крук В.М., Семикин Г.И. Функциональная надежность специалиста: современные риски и возможности их устранения // Успехи физиол. наук. 2019 б. Т. 50. № 3. С. 1–11. https://doi.org/10.1134/S0301179819030044.
  21. Федотчев А.И., Радченко Г.С. Музыкальная терапия и музыка мозга: состояние, проблемы и перспективы исследований // Успехи физиол. наук. 2013. Т. 44. № 4. С. 34–48.
  22. Щегольков А.М., Алехнович А.В., Тимергазина Э.З., Дыбов М.Д., Массальский Р.И. Влияние биоакустической коррекции на процесс медицинской реабилитации больных с последствиями преходящих цереброваскулярных нарушений // Госпитальная медицина: наука и практика. 2022. № 5(4). С. 46–49. https://doi.org/10.34852/GM3CVKG.2022.17.46.009.
  23. Antal A., Luber B., Brem A.K. et al. Non-invasive brain stimulation and Pneuroenhancement // Clin. Neurophysiol. Pract. 2022. V. 7. P. 146–165. https://doi.org/10.1016/j.cnp.2022.05.002.
  24. Bakulin I., Zabirova A., Lagoda D. et al. Combining HF rTMS over the left DLPFC with concurrent cognitive activity for the offline modulation of working memory in healthy volunteers: A proof-of-concept study // Brain Sciences. 2020. V. 10. № 2. P. 83–88. https://doi.org/10.3390/brainsci10020083.
  25. Birba A., Ibáñez A., Sedeño L. et al. Non-Invasive Brain Stimulation: A New Strategy in Mild Cognitive Impairment? // Front. Aging Neurosci. 2017. V. 9. № 16. https://doi.org/10.3389/fnagi.2017.00016.
  26. Choi J., Kwon M., Jun S.C. A Systematic Review of Closed-Loop Feedback Techniques in Sleep Studies-Related Issues and Future Directions // Sensors (Basel). 2020. V. 20. № 10. P. E2770. https://doi.org/ 10.3390/s20102770.
  27. Debellemanière E., Pinaud C., Schneider J. et al. Optimising sounds for the driving of sleep oscillations by closed-loop auditory stimulation // J. Sleep Res. 2022. V. 31. № 6: P. e13676. https://doi.org/10.1111/jsr.13676.
  28. Draaisma L.R., Wessel M.J., Hummel F.C. Non-invasive brain stimulation to enhance cognitive rehabilitation after stroke // Neurosci. Lett. 2020. V. 719. № 133678. https://doi.org/10.1016/j.neulet.2018.06.047.
  29. Farkhondeh T.N.F., Heysieattalab S., Ramanat-han D.S., Raoufy M.R., Nazari M.A. Closed-loop Modulation of the Self-regulating Brain: A Review on Approaches, Emerging Paradigms, and Experimental Designs // Neuroscience. 2022. V. 483. P. 104–126. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2021.12.004.
  30. Fedotchev A., Parin S., Polevaya S. Resonance scanning as an efficiency enhancer for EEG-guided adaptive neurostimulation // Life. 2023. V. 13. № 620. P. 1–9. https://doi.org/10.3390/life13030620.
  31. Fedotchev A., Parin S., Polevaya S., Zemlianaia A. EEG-based musical neurointerfaces in the correction of stress-induced states // Brain Comput. Interfaces. 2022. V. 9. P. 1–6. https://doi.org/10.1080/2326263X2021.1964874.
  32. Fedotchev A.I., Radchenko G.S., Zemlyanaya A.A. On one approach to health protection: music of the brain // J. Integr. Neurosci. 2018. V. 17. № 3–4. P. 309–315. https://doi.org/10.3233/JIN-170053.
  33. Fisicaro F., Lanza G., Bella R., Pennisi M. «Self-Neuroenhancement»: The Last Frontier of Noninvasive Brain Stimulation? // J. Clin. Neurol. 2020. V. 16. № 1. P. 158–159. https://doi.org/10.3988/jcn.2020.16.1.158.
  34. Gonsalvez I., Spagnolo P., Dworetzky B., Baslet G. Neurostimulation for the treatment of functional neurological disorder: A systematic review // Epilepsy Behav. Rep. 2021. V. 16. P. 100501. https://doi.org/10.1016/j.ebr.2021.100501.
  35. Grani F., Soto-Sánchez C., Fimia A., Fernández E. Toward a personalized closed-loop stimulation of the visual cortex: Advances and challenges // Front. Cell Neurosci. 2022. V. 16. № 1034270. https://doi.org/10.3389/fncel.2022.1034270.
  36. Jangwan N.S., Ashraf G.M., Ram V. et al. Brain augmentation and neuroscience technologies: current applications, challenges, ethics and future prospects // Front. Syst. Neurosci. 2022. V. 16. № 1000495. https://doi.org/10.3389/fnsys.2022.1000495.
  37. Kan R.L.D., Zhang B.B.B., Zhang J.J.Q., Kranz G.S. Non-invasive brain stimulation for posttraumatic stress disorder: a systematic review and meta-analysis // Transl. Psychiatry. 2020. V. 10. № 1. P. 168. https://doi.org/10.1038/s41398-020-0851-5.
  38. Ketz N., Jones A.P., Bryant N.B., Clark V.P., Pilly P.K. Closed-Loop Slow-Wave tACS Improves Sleep-Dependent Long-Term Memory Generalization by Modulating Endogenous Oscillations // J. Neurosci. 2018. V. 38. № 33. P. 7314–7326. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0273-18.2018.
  39. Khanna A., Pascual-Leone A., Michel C.M., Farzan F. Microstates in resting-state EEG: current status and future directions // Neurosci. Biobehav. Rev. 2015. V. 49. P. 105–113. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2014.12.010.
  40. Koenig T., Smailovic U., Jelic V. Past, present and future EEG in the clinical workup of dementias // Psychiatry Res. Neuroimaging. 2020. V. 306. № 111182. https://doi.org/10.1016/j.pscychresns.2020.111182.
  41. Lagarrigue Y., Cappe C., Tallet J. Regular rhythmic and audio-visual stimulations enhance procedural learning of a perceptual-motor sequence in healthy adults: A pilot study // PLoS One. 2021. V. 16. № 11. P. e0259081. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0259081.
  42. Liu Y., Liu S., Tang C. et al. Transcranial alternating current stimulation combined with sound stimulation improves cognitive function in patients with Alzheimer's disease: Study protocol for a randomized controlled trial // Front. Aging Neurosci. 2023. V. 14. № 1068175. https://doi.org/10.3389/fnagi.2022.1068175.
  43. Malkani R.G., Zee P.C. Brain Stimulation for Improving Sleep and Memory // Sleep Med. Clin. 2020. V. 15. № 1. P. 101–115. https://doi.org/10.1016/j.jsmc.2019.11.002.
  44. Marazziti D., Avella M.T., Ivaldi T. et al. Neuroenhancement: State of the Art and Future Perspectives // Clin. Neuropsychiatry. 2021. V. 18. № 3. P. 137–169. https://doi.org/10.36131/cnfioritieditore20210303.
  45. Mukhina E.A., Polevaya S.A., Parin S.B., Fedotchev A.I. Cognitive rehabilitation of patients with acute cerebrovascular accident using EEG-guided adaptive neurostimulation // Opera Med. Physiol. 2021. V. 8. № 4. P. 90–96. https://doi.org/10.24412/2500-2295-2021-4-90–96.
  46. Nasr K., Haslacher D., Dayan E. et al. Breaking the boundaries of interacting with the human brain using adaptive closed-loop stimulation // Prog. Neurobiol. 2022. V. 216. P. 102311. https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2022.102311.
  47. Ngo H.V., Seibold M., Boche D.C., Mölle M., Born J. Insights on auditory closed-loop stimulation targeting sleep spindles in slow oscillation up-states // J. Neurosci. Methods. 2019. V. 316. P. 117–124. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2018.09.006.
  48. Pabst A., Proksch S., Médé B. et al. A systematic review and meta-analysis of the efficacy of intermittent theta burst stimulation (iTBS) on cognitive enhancement // Neurosci. Biobehav. Rev. 2022. V. 135. № 104587. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2022.104587.
  49. Polevaya S.A., Parin S.B., Fedotchev A.I. Current trends and prospects for development of non-invasive brain stimulation // Opera Med. Physiol. 2024. V. 11. № 1. P. 147–155. https://doi.org/10.24412/2500-2295-2024-1-147-155.
  50. Polevaya S.A., Parin S.B., Zemlyanaya A.A., Fedotchev A.I. Dynamics of EEG reactions under combination of resonance scanning and adaptive neurostimulation in patients with post-COVID syndrome // Opera Med. Physiol. 2022. V. 9. № 2. P. 103–109. https://doi.org/10.24412/2500-2295-2022-2-103-109.
  51. Qiao J., Wang Y., Wang S. Natural frequencies of neural activities and cognitions may serve as precise targets of rhythmic interventions to the aging brain // Front. Aging Neurosci. 2022. V. 14. P. 988193. https://doi.org/10.3389/fnagi.2022.988193.
  52. Rêgo G.G., Gonçalves Ó.F., Boggio P.S. Attention neuroenhancement through tDCS or neurofeedback: a randomized, single-blind, controlled trial // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 17613. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22245-6.
  53. Reiner M., Gruzelier J., Bamidis P.D. Cognitive enhancement: A system view // Int. J. Psychophysiol. 2017. V. 122. P. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2017.07.011.
  54. Ruch S., Schmidig F.J., Knüsel L., Henke K. Closed-loop modulation of local slow oscillations in human NREM sleep // Neuroimage. 2022. V. 264. P. 119682. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.119682.
  55. Schifano F., Catalani V., Sharif S. et al. Benefits and Harms of 'Smart Drugs' (Nootropics) in Healthy Individuals // Drugs. 2022. V. 82. № 6. P. 633–647. https://doi.org/10.1007/s40265-022-01701-7.
  56. Schneider J., Lewis P.A., Koester D. et al. Susceptibility to auditory closed-loop stimulation of sleep slow oscillations changes with age // Sleep. 2020. V. 43. № 12. P. zsaa111. https://doi.org/10.1093/sleep/zsaa111.
  57. Shaltout H.A., Lee S.W., Tegeler C.L. et al. Improvements in Heart Rate Variability, Baroreflex Sensitivity, and Sleep After Use of Closed-Loop Allostatic Neurotechnology by a Heterogeneous Cohort // Front. Public Health. 2018. V. 6. P. 116. https://doi.org/10.3389/fpubh.2018.00116.
  58. Sharif S., Guirguis A., Fergus S., Schifano F. The Use and Impact of Cognitive Enhancers among University Students: A Systematic Review // Brain Sci. 2021. V. 11. № 3. P. 355. https://doi.org/10.3390/brainsci11030355.
  59. Tegeler C.L., Gerdes L., Shaltout H.A. et al. Successful use of closed-loop allostatic neurotechnology for post-traumatic stress symptoms in military personnel: self-reported and autonomic improvements // Mil. Med. Res. 2017. V. 4. № 1. P. 38. https://doi.org/10.1186/s40779-017-0147-0.
  60. Tegeler C.L., Shaltout H.A., Lee S.W. et al. Pilot Trial of a Noninvasive Closed-Loop Neurotechnology for Stress-Related Symptoms in Law Enforcement: Improvements in Self-Reported Symptoms and Autonomic Function // Glob. Adv. Health. Med. 2020. V. 9. № 2164956120923288. https://doi.org/10.1177/2164956120923288.
  61. Tegeler C.L., Munger Clary H., Shaltout H.A. et al. Cereset Research Standard Operating Procedures for Insomnia: A Randomized, Controlled Clinical Trial // Glob. Adv. Integr. Med. Health. 2023. V. 12. № 27536130221147475. https://doi.org/10.1177/27536130221147475.
  62. Von Bastian C.C., Hyde E.R.A., Jiang S. Tackling cognitive decline in late adulthood: Cognitive interventions // Curr. Opin. Psychol. 2023. V. 56. № 101780. https://doi.org/10.1016/j.copsyc.2023.101780.
  63. Wei P., Li L., Lanza G., Cantone M., Gu P. Editorial: Application of noninvasive neuromodulation in cognitive rehabilitation // Front. Neurol. 2023. V. 14. № 1333474. https://doi.org/ 10.3389/fneur.2023.1333474.
  64. Wendt K., Denison T., Foster G. et al. Physio-logically informed neuromodulation // J. Neurol. Sci. 2022. V. 434. P. 120121. https://doi.org/10.1016/j.jns.2021.120121.
  65. Yang H., Luo Y., Hu Q., Tian X., Wen H. Benefits in Alzheimer's Disease of Sensory and Multisensory Stimulation // J. Alzheimers Dis. 2021. V. 82. № 2. P. 463–484. https://doi.org/10.3233/JAD-201554.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

© Russian Academy of Sciences, 2025