Changes in Resting fMRI Networks in Patients with Severe Traumatic Brain Injury During Therapeutic Rhythmic Transcranial Magnetic Stimulation (Case Report)

   Severe traumatic brain injury (TBI) accompanied by impaired consciousness manifesting as prolonged postcoma unawareness (PCU) is one of the current medical and social problems causing high morbidity and mortality worldwide. Difficult recovery of such patients necessitates the development of additional neurorehabilitation approaches, including neuromodulation methods, as well as the search for objective markers of treatment efficacy.
   Aim of the study: to evaluate the effect of therapeutic rhythmic transcranial magnetic stimulation (rTMS) on fMRI resting state networks (RSN) in PCU after severe TBI.
   Materials and Methods. We analyzed individual fMRI RSN in three patients with PCU before and after a course of rTMS performed at different timepoints after severe TBI and with different efficacy of treatment. We assessed the topography and quantitative characteristics of the networks (DMN, sensorimotor, control functions, left and right fronto-parietal, auditory, and speech) known to be most significant for recovery of consciousness.
   Results. We found a trend toward normalization of RSN topography as well as an increase in the integral index of network intensity in two of three patients with a distinct increase in consciousness after a course of rTMS.
   Conclusion. Using case observations, we have demonstrated the therapeutic efficacy of rTMS and feasibility of using fMRI RSN as a reliable diagnostic approach in PCU following severe TBI.

1. Потапов А. А. Черепно-мозговая травма: проблемы и перспективы / А. А. Потапов [и др.] // Вопросы нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко. – 2009. – (2): 3-8.

2. Bäckström D., Larsen R., Steinvall I., Fredrikson M., Gedeborg R., Sjöberg F. Deaths caused by injury among people of working age (18–64) are decreasing, while those among older people (64+) are increasing. European journal of trauma and emergency surgery. 2018; 44 (4): 589–596. DOI: 10.1007/s00068-017-0827-1.

3. Зайцев О. С. Психопатология тяжелой черепно-мозговой травмы: второе, дополненное издание / О. С. Зайцев. – Москва: Медпресс-Информ, 2014. – 334 c. ISBN 978-5-98322-792-7.

4. Пирадов М. А. Структурно–функциональные основы хронических нарушений сознания / М. А. Пирадов [и др.] // Анналы клин. и эксперим. неврологии. – 2018. – 12 (5): 6–15. DOI: 10.25692/ACEN.2018.5.1.

5. Доброхотова Т. А. Восстановление сознания после длительной комы у больных с тяжелой черепно-мозговой травмой / Т. А. Доброхотова [и др.] // Невропатологии и психиатрии им. Корсакова. – 1985. – 85 (5): 720–726. ISSN 1997-7298 (Print), ISSN 2309-4729 (Online).

6. Neuroscience and Neuropathology. London, UK. Academic Press. 2008: 423. ISBN-13: 978-0123741684 ISBN-10: 0123741688.

7. Giacino J. T., Katz D. I., Schiff N. D., Whyte J., Ashman E. J., Ashwal S., Barbano R., Hammond F. M., Laureys S., Ling G. S. F., Nakase-Richardson R., Seel R. T., Yablon S., Getchiuss T. S. D., Gronseth G. S., Armstrong, M. J. Practice Guideline Update Recommendations Summary: Disorders of Consciousness: report of the Guideline Development, Dissemination, and Implementation Subcommittee of the American Academy of Neurology; the American Congress of Rehabilitation Medicine; and the National Institute on Disability, Independent Living, and Rehabilitation Research. Archives of physical medicine and rehabilitation. 2018; 99 (9): 1699–1709. DOI: 10.1016/j.apmr.2018.07.001.

8. Александрова Е. В. Посттравматические бессознательные состояния: фундаментальные и клинические аспекты / Е. В. Александрова, В. Д. Тенедиева, А. А. Потапов. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015. – 392. ISBN 978-5-9704-3397-3.

9. Мочалова Е. Г. Русскоязычная версия пересмотренной шкалы восстановления после комы — стандартизированный метод оценки пациентов с хроническими нарушениями сознания / Е. Г. Мочалова [и др.] // Журнал неврологии и психиатрии им. С. С. Корсакова.– Спецвыпуски. – 2018. – 118 (3): 25–31. DOI: 10.17116/jnevro20181183225-31.

10. Wilson L., Boase K., Nelson L. D., Temkin N. R., Giacino J. T., Markowitz A. J., Maas A., Menon D. K., Teasdale G., Manley G. T. A Manual for the Glasgow Outcome Scale-Extended Interview. Journal of Neurotrauma. 2021; 38. DOI: 10.1089/neu.2020.7527.

11. Kondziella D, Bender A, Diserens K., van Erp W., Estraneo A., Formisano R., Laureys S., Naccache L., Ozturk S., Rohaut B., Sitt J. D., Stender J., Tiainen M., Rossetti A. O, Gosseries O., Chatelle C. European Academy of Neurology guideline on the diagnosis of coma and other disorders of consciousness. European Journal of Neurology. 2020. 27: 741–756. DOI: 10.1111/ene.14151.

12. Sabbagh M., Sadowsky C., Tousi B., Agronin M. E., Alva G., Armon C., Bernick C., Keegan A. P., Karantzoulis S., Baror E., Ploznik M., Pascual-Leone A. Effects of a combined transcranial magnetic stimulation (TMS) and cognitive training intervention in patients with Alzheimer’s disease. Alzheimer’s & Dementia. 2020; 16 (4): 641–650. DOI: 10.1016/j.jalz.2019.08.197.

13. Копачка М. М. В поисках эффективного алгоритма ритмической транскраниальной магнитной стимуляции в нейрореабилитации после тяжелой черепно-мозговой травмы / М. М. Копачка // «Вопросы нейрохирургии» им. Н. Н. Бурденко». – 2019. – 83 (6): 111–119. DOI: 10.17116/neiro201983061111.

14. Никитин С. С. Магнитная стимуляция в диагностике и лечении болезней нервной системы / С. С. Никитин, А. Л. Куренков. – М.: САШКО, 2003. – 738 c.

15. Lefaucheur J. P., André-Obadia N., Antal A., Ayache S. S., Baeken C., Benninger D. H., Cantello R. M., Cincotta M., Carvalho M., De Ridder D., Devanne H., Di Lazzaro V., Filipović S. R., Hummel F. C., Jääskeläinen S. K., Kimiskidis V. K., Koch G., Langguth B., Nyffeler T., Oliviero A., Padberg F., Poulet E., Rossi S., Rossini P. M., Rothwell J. C., Schönfeldt-Lecuona C., Siebner H. R., Slotema C. W., Stagg C. J., Valls-Sole J., Ziemann U., Paulus W., Garcia-Larrea L. Evidence-based guidelines on the therapeutic use of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS). Clinical Neurophysiology. 2014; 125 (11): 2150–2206. DOI: 10.1016/j.clinph.2014.05.021.

16. Ragazzoni A., Cincotta M., Giovannelli F., Cruse D., Young G. B., Miniussi C., Rossi S. Clinical neurophysiology of prolonged disorders of consciousness: from diagnostic stimulation to therapeutic neuro-modulation. Clinical Neurophysiology. 2017; 128 (9): 1629–1646. DOI: 10.1016/j.clinph.2017.06.037.

17. Шарова Е. В. Церебральные реакции здорового человека на ритмическую транскраниальную магнитную стимуляцию разной интенсивности / Е. В. Шарова [и др.] // Физиология человека. – 2010. – 36 (6): 32–40. УДК 612.821.6.

18. Neville I. S., Hayashi C. Y., El Hajj S. A., Zaninotto A. L. C., Sabino J. P., Sousa L. M., Nagumo M. M., Brunoni A. R., Shieh B F. S., Amorim R. L. O., Teixeira M. J., Paiva W. S. Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) for the cognitive rehabilitation of traumatic brain injury (TBI) victims: study protocol for a randomized controlled trial. Trials. 2015; 16 (1): 1–7. DOI: 10.1186/s13063-015-0944-2.

19. Kopachka M., Sharova Е., Alexandrova Е., Troshina Е., Zaitsev О., Marina Chelyapina М., Oknina L. Therapeutic possibilities of transcranial magnetic stimulation in patients after traumatic brain injury (updated report). Clinical Neurophysiology. 2019; 130 (7): e115. DOI: 10.1016/j.clinph.2019.04.604.

20. Мачинская Р. И. Управляющие системы мозга / Р. И. Мачинская // Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова. – 2015. – 65 (1): 33–33. DOI: 10.7868/S0044467715010086.

21. Ярец М. Ю. Анализ структурно-функциональной организации задачи счета в контексте исследования управляющих функций / М. Ю. Яреци [и др.] // Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова. – 2018. – 68 (2): 176–189. DOI: 10.7868/S0044467718020041.

22. Анохин К. В. Когнитом: в поисках фундаментальной нейронаучной теории сознания / К. В. Анохин // Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова. – 2021. – 71 (1): 39–71. DOI: 10.31857/S0044467721010032.

23. Smith S. M., Fox P. T., Miller K. L., Glahn D. C., Fox P. M., Mackay C. E., Filippini N., Watkins K. E., Toro R., Laird A. R., Beckmann C. F. Correspondence of the brain’s functional architecture during activation and rest. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009; 106: 13040–13045. DOI: 10.1073/pnas.0905267106.

24. Мартынова О. В. Корреляция функциональной связанности областей мозга, активных в состоянии покоя, с поведенческими и психологическими показателями / О. В. Мартынова [и др.] // Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова. – 2016. – 66 (5): 541–555. DOI: 10.7868/S0044467716050063.

25. Rosazza C., Minati L. Resting-state brain networks: literature review and clinical applications. Neurological sciences. 2011; 32 (5): 773–785. DOI: 10.1007/s10072-011-0636-y.

26. Gilbert N., Bernier R. A., Calhoun V. D., Brenner E., Grossner E., Rajtmajer S. M., Hillary F. G. Diminished neural network dynamics after moderate and severe traumatic brain injury. PloS one. 2018; 13 (6): e0197419. DOI: 10.1371/journal.pone.0197419.

27. Caeyenberghs K., Leemans A., Leunissen I., Michiels K., Swinnen S. P. Topological correlations of structural and functional networks in patients with traumatic brain injury. Frontiers in Human Neuroscience. 2013; 7: 726. DOI: 10.3389/fnhum.2013.00726.

28. Sharp D. J., Scott G., Leech R. Network dysfunction after traumatic brain injury. Nature Reviews Neurology. 2014; 10 (3): 156–166. DOI: 10.1038/nrneurol.2014.15.

29. Aubinet C., Larroque S. K., Heine L., Martial C., Majerus S., Laureys S., Di Perri C. Clinical subcategorization of minimally conscious state according to resting functional connectivity. Human brain mapping. 2018; 39 (11): 4519–4532. DOI: 10.1002/hbm.24303.

30. Зигмантович А. С. Функциональные вейвлет-связи в состоянии покоя, отражающие восстановление сознания у пациентов с тяжелой черепно-мозговой травмой / А. С. Зигмантович [и др.] // Физиология человека. – 2021. – 47 (2): 22–31. DOI: 10.31857/S0131164621020144.

31. Гаврон А. А. Групповой и индивидуальный фМРТ анализ основных сетей покоя здоровых испытуемых / А. А. Гаврон [и др.] // Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова. – 2019. – 69 (2): 150–163. DOI: 10.1134/S0044467719020072.

32. Шарова Е. В. Визуализация сетей покоя (resting state) фМРТ у пациентов с тяжелой черепно-мозговой травмой / Е. В. Шарова [и др.] // Медицинская визуализация. – 2020. – 24 (1): 68–84. DOI: 10.24835/1607-0763-2020-1-68-84.

33. Доброхотова Т. А. Обратимые посткоматозные бессознательные состояния / Т. А. Доброхотова [и др.] // Социальная и клиническая психиатрия. – 1996. – 6 (2): 26–36.

34. McPeak L. A. Physiatric history and examination in: Physical Medicine and Rehabilitation, Braddom, R. (ed.). WB Saunders Company. 1996; 3–42.

35. Demertzi A., Tagliazucchi E., Dehaene S., Deco G., Barttfeld P., Raimondo F., Martial C., Fernández-Espejo D., Rohaut B., Voss H. U., Schiff N. D., Owen A. M., Laureys S., Naccache L., Sitt J. D. Human consciousness is supported by dynamic complex patterns of brain signal coordination. Science advances. 2019; 5 (2): eaat7603. DOI: 10.1126/sciadv.aat7603.

36. Thibaut A., Bruno M. A., Chatelle C., Gosseries O., Vanhaudenhuyse A., Demertzi A., Schnakers C., Thonnard M., Charland-Verville V., Bernard C., Bahri M., Phillips C., Boly M., Hustinx R., Laureys S. Metabolic activity in external and internal awareness networks in severely brain-damaged patients. Journal of rehabilitation medicine. 2012; 44 (6): 487–494. DOI: 10.2340/16501977-0940.

37. Bruno M. A., Majerus S., Boly M., Vanhaudenhuyse A., Schnakers C., Gosseries O., Boveroux P., Kirsch M., Demertzi A., Bernard C., Hustinx R., Moonen G., Laureys, S. Functional neuroanatomy underlying the clinical subcategorization of minimally conscious state patients. Journal of neurology. 2012; 259 (6): 1087–1098. DOI: 10.1007/s00415-011-6303-7.

38. Sharova E. V., Mukhina T. S., Boldyreva G. N., Zhavoronkova L. A., Chelyapina M. V., Smirnov A. S., Alexandrova E. V., Pronin I. N. FMRI analysis of the motor network functional connections at rest and with motor load in healthy people and patients with STBI. J Neurol Stroke. 2018; 8 (2): 91–92. DOI: 10.15406/jnsk.2018.08.00287.

39. Edlow B. L., Claassen J., Schiff N. D., Greer D. M. Recovery from disorders of consciousness: mechanisms, prognosis and emerging therapies. Nature Reviews Neurology. 2021; 17 (3): 135–156. DOI: 10.1038/s41582-020-00428-x.

40. Шарова Е. В. Прогностическая значимость электрической активности мозга (ЭЭГ и ВП) при затяжных посттравматических бессознательных состояниях / Е. В. Шарова [и др.] // Доктор Ру: Научно-практический журнал. – 2008. – 4: 30–37.

41. Leon-Carrion J., Leon-Dominguez U., Pollonini L., Wu M. H., Frye R. E., Dominguez-Morales M. R., Zouridakis G. Synchronization between the anterior and posterior cortex determines consciousness level in patients with traumatic brain injury (TBI). Brain Res. 2012; 1476 (2): 22–30. DOI: 10.1016/j.brainres.2012.03.055.

42. Malagurski B. Neural signatures of consciousness abolition and recovery from coma. Neuroscience. Université Paul Sabatier — Toulouse III. 2018: 184. NNT: 2018TOU30039; HAL open science. Neural signatures of conciousness abolition and recovery from coma (archives-ouvertes.fr).

43. Захарова Н. Е. Прогностическое значение МРТ-классификации уровней и локализации травматического повреждения мозга в зависимости от сроков обследования пациентов / Н. Е. Захарова [и др.] // «Вопросы нейрохирургии» им. Н. Н. Бурденко». – 2019. – 83 (4): 45–55. DOI: 10.17116/neiro20198304146.

44. Потапов А. А. Клинические и магнитно-резонансные томографические предикторы длительности комы, объема интенсивной терапии и исходов при черепно-мозговой травме / А. А. Потапов [и др.] // «Вопросы нейрохирургии» им. Н. Н. Бурденко». – 2020. – 84 (4): 5–16. DOI: 10.17116/neiro2020840415.