Det, der var science fiction, er nu videnskabelig virkelighed: Med en række målrettede elektriske zaps til rygmarven gik ni lammede straks igen med hjælp fra en robot. Fem måneder senere havde halvdelen af deltagerne ikke længere brug for disse zaps for at gå.
Lyder sætningen lidt bekendt? I sig selv kan resultaterne – selv om de unægteligt er imponerende og fuldstændig livsændrende – virke som gamle nyheder. Takket være forbedringer i design af hjerneimplantater har der i det sidste årti været forbløffende fremskridt med hensyn til at genoprette mobiliteten for mennesker med lammelser. I 2018 en 29-årig mand gik i længden af en hel fodboldbane takket være et par zaps til hans rygmarv, efter flere års lammelse fra en snescooterulykke. Sidste år, rygmarvsstimulering hjalp flere mennesker med fuldstændig lammelse at slentre rundt i et travlt centrum med en rollator og kajak i glat vand.
Der er ingen tvivl om, at rygmarvsstimulering forvandlede en engang uoprettelig skade til en, der nu kan vendes. Men et truende spørgsmål står tilbage: hvorfor virker det?
A ny undersøgelse in Natur gav os lige nogle ledetråde. Ved at bygge et 3D-molekylært kort over rygmarven, efterhånden som den kommer sig efter en skade, fandt holdet en mystisk gruppe neuroner beliggende i udkanten af den. De er ejendommelige. Normalt er disse neuroner ikke nødvendige for at gå. Men i tilfælde af rygmarvsskade sprænger de efter et par elektriske stød af aktivitet og omorganiserer sig til nye neurale motorveje, der hjælper med at genoprette bevægelser.
At udpege disse neuroner er ikke kun en videnskabelig nysgerrighed. Ved at forstå, hvordan de virker, kunne vi udnytte deres elektriske kommunikation og indre molekylære funktion for at udvikle endnu mere sofistikerede behandlinger til lammelse.
"Mængden af håb, det giver mennesker med rygmarvsskade, er utroligt," sagde Dr. Marc Ruitenberg ved University of Queensland, som ikke var involveret i undersøgelsen.
Til Drs. Kee Wui Huang og Eiman Azim ved Salk Institute for Biological Sciences, som ikke var involveret i undersøgelsen, viser resultaterne, at tackling af rygmarvsskade kræver flere vinkler: forbedring af implantatteknologien - hjertet af tidligere indsats - er kun én side af historien. Parsing af neurobiologien bag recovery er den anden kritiske halvdel.
Den nye undersøgelse fremgår det, at "Molekylære kort over nervesystemet i høj opløsning begynder at give sidstnævnte."
Bridging the Gap
Jeg kan godt lide at forestille mig rygmarven som en summende mellemstatslig motorvej. Hver sektion har flere mindre regionale nervebaner, der fører til forskellige dele af kroppen. Som den vigtigste informationsgennemgang sender rygmarven signaler fra hjernen til resten af din krop. Et dårligt fald, en bilulykke eller en sportsskade kan beskadige motorvejen. I lighed med en vejspærring kan den elektriske trafik, der sender kommandoer til musklerne - og modtager sensorisk feedback - ikke længere strømme igennem.
Men hvad nu hvis vi kunstigt kunne bygge bro over disse vejkollapser med et implantat?
For omkring et halvt årti siden begyndte forskere at eksperimentere med en teknik kaldet epidural elektrisk stimulation (EES). Enheden er lavet af flere elektroder og indsat lige over den yderste membran, der indkapsler og beskytter rygmarven. Den fungerer som en kunstig bro, der går uden om det skadede sted. Nogle få stød kan aktivere neuroner i de raske dele af rygmarven og levere signaler til nærliggende nervebaner.
Selvom det er en af få behandlinger, der har opnået "bemærkelsesværdige ændringer i ydeevne", har EES stået over for flere tilbageslag, sagde Huang og Azim. Den ene var suboptimalt implantatdesign, idet de ikke kunne målrette mod dele af rygmarven, der var afgørende for gang. En anden var software drevet af algoritmer, der ikke stimulerede rygmarven på måder, der efterlignede dens naturlige elektriske impulser. Ironisk nok kan disse designs have "forstyrret sensoriske signaler, der fremmer restitution," sagde Huang og Azim.
Fra mænd til mus
For at komme ind til kernen af, hvordan EES hjælper folk med at komme sig fra lammelser, tog den nye undersøgelse en uortodoks tilgang: de testede først en enhed og et stimulationsmønster hos patienter med lammelse. Efter at have bekræftet deres forbedring genskabte holdet behandlingen hos mus med lignende skader for at fastgøre de celler, der er ansvarlige for genopretning. Paradigmet er en radikal afvigelse fra typiske forskningsprocedurer, som starter med musemodeller, før de bevæger sig ind i mennesker.
Men holdet, ledet af Dr. Grégoire Courtine, professor i neurovidenskab ved EPFL, og Jocelyne Bloch, neurokirurg ved Lausanne Universitetshospital (CHUV), har deres grunde. Begge videnskabsmænd er ikke fremmede for at bekæmpe lammelser. Leder af NeuroRestore program, har de været på forkant med udvikling af rygmarvsimplantater for at hjælpe patienter med at genvinde mobilitet.
I denne undersøgelse stimulerede de først ni personer med svær eller fuldstændig lammelse med EES som en del af en kliniske forsøg. Seks havde en fornemmelse i benene; de andre tre havde ingen. De to grupper fik indopereret forskelligt hardware, hvor den første modtog en tilpasset smertebehandling, og den anden udviklede specifikt for at stimulere gang. Ved at bruge et stimulationsmønster, der ligner normale rygmarvssignaler, forbedrede eller genvandt deltagerne straks deres evne til at gå ved hjælp af en robot til at støtte deres vægt. Med yderligere fem måneders træning lærte de gradvist at støtte deres egen vægt og kunne endda gå udendørs med hjælp.
Men hvorfor? Overraskende nok fandt holdet, at EES sammen med fysisk genoptræning reducerede den nødvendige energi til dele af rygmarven, der styrer gang. I stedet for at engagere alle neuroner i rygmarven, ser EES ud til at være skræddersyet til kun en udvalgt gruppe af neuroner - dem, der er afgørende for at hjælpe patienter med at gå igen.
Et molekylært kort over genopretning
Hvad er disse mystiske neuroner?
Holdet gravede dybere og gentog behandlingen på mus med lammelse (og ja, den inkluderede en specialfremstillet robot i musestørrelse til at hjælpe med at støtte deres kropsvægt). I lighed med mennesker genvandt musene straks deres evne til at gå med EES slået til. .
Da de kom sig, tog holdet prøver fra rygmarven og sekventerede gener i over 80,000 individuelle celler fra 24 mus for at se, hvilke gener der blev aktiveret. Placering var nøglen: Undersøgelsen kortlagde generne baseret på hver celles placering i rygmarven, som tilsammen dannede det første molekylære kort over genopretning.
Du tænker måske, at det er en gigant af en database. Heldigvis havde holdet tidligere udviklet en maskinlæringsalgoritmem, der hjælper med at analysere dataene. Kernen was at matche gen-ekspressionsprofilerne til bestemte celler i forskellige biologiske situationer. En bestemt population af celler kaldet V2a stod ud. Disse neuroner var indlejret i det område af rygmarven, der er særligt vigtigt for at gå, og selvom de ikke var nødvendige for at gå før skaden, så det ud til at stige med aktivitet efter EES.
V2a-celler er kraftfulde gatekeepere til genopretning af rygmarven. I efterfølgende tests dæmpede sænkning af deres aktivitet ved hjælp af optogenetik - en måde at kontrollere neuroner med lys - også rygmarvens restitution.
Det viser, at "visse typer af rygmarvsneuroner, der har mistet deres input fra hjernen efter en skade, kan "genopvågnes" eller genbruges for at genoprette bevægelse, hvis de får den passende kombination af stimulation og rehabilitering," sagde Huang og Azim.
V2a-celler er næppe en sølvkugle til behandling af rygmarvsskader og lammelser. Undersøgelsen fandt adskillige andre neuroner - med forskellige genetiske signaturer - der aktiveres med EES. Hvordan hjernen omgår rygmarvsskade for at genopbygge deres forbindelse er et endnu mere dybtgående mysterium. Hvorvidt de samme neuroner hjælper med at genoprette andre daglige kropslige behov - for eksempel blære- og tarmkontrol - er stadig uvist, men det næste på holdets liste at studere. Til det formål har hovedforfatteren lanceret en startup kaldet VIDEREFORSENDELSEN at starte et nyt forsøg inden for de næste to år.
Billede Credit: geralt / 23803 billeder
