Αυτό που ήταν επιστημονική φαντασία είναι πλέον επιστημονική πραγματικότητα: με μια σειρά από στοχευμένα ηλεκτρικά χτυπήματα στο νωτιαίο μυελό, εννέα παράλυτοι περπάτησαν αμέσως ξανά με τη βοήθεια ενός ρομπότ. Πέντε μήνες αργότερα, οι μισοί από τους συμμετέχοντες δεν χρειάζονταν πλέον αυτά τα ζάπ για να περπατήσουν.
Ακούγεται λίγο οικεία η πρόταση; Από μόνα τους, τα αποτελέσματα -αν και αναμφισβήτητα εντυπωσιακά και εντελώς αλλάζουν τη ζωή- μπορεί να φαίνονται σαν παλιά νέα. Χάρη στις βελτιώσεις στα σχέδια των εμφυτευμάτων εγκεφάλου, την τελευταία δεκαετία σημειώθηκε εκπληκτική πρόοδος στην αποκατάσταση της κινητικότητας σε άτομα με παράλυση. Το 2018 ένας 29χρονος περπάτησε σε όλο το μήκος ενός ολόκληρου γηπέδου ποδοσφαίρου χάρη σε μερικά χτυπήματα στον νωτιαίο μυελό του, μετά από χρόνια παράλυσης από ατύχημα με snowmobile. Πέρυσι, διέγερση νωτιαίου μυελού βοήθησε αρκετά άτομα με πλήρη παράλυση για να περπατήσετε σε μια πολυσύχναστη περιοχή στο κέντρο της πόλης με περιπατητή και καγιάκ σε ομαλά νερά.
Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η διέγερση του νωτιαίου μυελού μετέτρεψε έναν κάποτε ανεπανόρθωτο τραυματισμό σε έναν που τώρα μπορεί να αντιστραφεί. Αλλά ένα διαφαινόμενο ερώτημα παραμένει: γιατί λειτουργεί;
A νέα μελέτη in Φύση απλά μας έδωσε κάποιες ενδείξεις. Κατασκευάζοντας έναν τρισδιάστατο μοριακό χάρτη του νωτιαίου μυελού καθώς αναρρώνει από τραυματισμό, η ομάδα βρήκε μια μυστηριώδη ομάδα νευρώνων φωλιασμένη στα περίχωρά του. Είναι περίεργοι. Κανονικά, αυτοί οι νευρώνες δεν απαιτούνται για το περπάτημα. Αλλά σε περιπτώσεις τραυματισμού του νωτιαίου μυελού, μετά από μερικά ηλεκτρικά τραντάγματα ξεσπούν με δραστηριότητα, αναδιοργανώνοντας σε νέους νευρικούς αυτοκινητόδρομους που βοηθούν στην αποκατάσταση των κινήσεων.
Ο εντοπισμός αυτών των νευρώνων δεν είναι απλώς μια επιστημονική περιέργεια. Κατανοώντας πώς λειτουργούν, θα μπορούσαμε να αξιοποιήσουμε την ηλεκτρική τους επικοινωνία και την εσωτερική μοριακή λειτουργία τους για να αναπτύξουμε ακόμη πιο εξελιγμένες θεραπείες για την παράλυση.
«Το ποσό της ελπίδας που δίνει σε άτομα με τραυματισμό του νωτιαίου μυελού είναι απίστευτο.» είπε Ο Δρ Marc Ruitenberg στο Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Στους Δρ. Οι Kee Wui Huang και Eiman Azim στο Salk Institute for Biological Sciences, οι οποίοι δεν συμμετείχαν στη μελέτη, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αντιμετώπιση του τραυματισμού του νωτιαίου μυελού απαιτεί την υιοθέτηση πολλαπλών γωνιών: η βελτίωση της τεχνολογίας εμφυτευμάτων - η καρδιά των προηγούμενων προσπαθειών - είναι μόνο η μία πλευρά της ιστορίας. Η ανάλυση της νευροβιολογίας της ανάκαμψης είναι το άλλο κρίσιμο μισό.
Η νέα μελέτη δείχνει ότι «Μοριακοί χάρτες υψηλής ανάλυσης του νευρικού συστήματος αρχίζουν να παρέχουν το τελευταίο».
Η γεφύρωση του χάσματος
Μου αρέσει να φαντάζομαι τον νωτιαίο μυελό ως έναν πολυσύχναστο διακρατικό αυτοκινητόδρομο. Κάθε τμήμα έχει πολλαπλές μικρότερες περιφερειακές νευρικές οδούς που οδηγούν σε διαφορετικά τμήματα του σώματος. Ως η κύρια πληροφορία μέσω της γραμμής, ο νωτιαίος μυελός μεταδίδει σήματα από τον εγκέφαλο στο υπόλοιπο σώμα σας. Μια κακή πτώση, ένα αυτοκινητιστικό ατύχημα ή ένας αθλητικός τραυματισμός μπορεί να βλάψει αυτόν τον αυτοκινητόδρομο. Παρόμοια με ένα οδόφραγμα, η ηλεκτρική κίνηση που στέλνει εντολές στους μύες - και λαμβάνει αισθητηριακή ανάδραση - δεν μπορεί πλέον να περάσει.
Τι θα γινόταν όμως αν μπορούσαμε να γεφυρώνουμε τεχνητά αυτές τις καταρρεύσεις του δρόμου με ένα εμφύτευμα;
Πριν από περίπου μισή δεκαετία, οι επιστήμονες άρχισαν να πειραματίζονται με μια τεχνική που ονομάζεται επισκληρίδιος ηλεκτρική διέγερση (EES). Η συσκευή είναι κατασκευασμένη από πολλαπλά ηλεκτρόδια και εισάγεται ακριβώς πάνω από την εξώτατη μεμβράνη που ενθυλακώνει και προστατεύει τον νωτιαίο μυελό. Λειτουργεί ως τεχνητή γέφυρα που παρακάμπτει το τραυματισμένο σημείο. Μερικά χτυπήματα μπορούν να ενεργοποιήσουν νευρώνες στα υγιή μέρη του νωτιαίου μυελού και να μεταδώσουν σήματα σε κοντινές νευρικές οδούς.
Αν και είναι μία από τις λίγες θεραπείες που έχουν επιτύχει «αξιοσημείωτες αλλαγές στην απόδοση», το EES έχει αντιμετωπίσει πολλαπλές αποτυχίες, είπαν οι Huang και Azim. Το ένα ήταν ο υποβέλτιστος σχεδιασμός εμφυτευμάτων, καθώς δεν μπορούσαν να στοχεύσουν μέρη του νωτιαίου μυελού απαραίτητα για το περπάτημα. Ένα άλλο ήταν λογισμικό που τροφοδοτείται από αλγόριθμους που δεν διέγειραν τον νωτιαίο μυελό με τρόπους που μιμούνταν τους φυσικούς ηλεκτρικούς παλμούς του. Κατά ειρωνικό τρόπο, αυτά τα σχέδια μπορεί να έχουν «διατάραξη των αισθητηριακών σημάτων που προάγουν την ανάκαμψη», είπαν οι Huang και Azim.
Από τους άντρες στα ποντίκια
Για να βρεθεί στο επίκεντρο του πώς το EES βοηθά τους ανθρώπους να αναρρώσουν από παράλυση, η νέα μελέτη υιοθέτησε μια ανορθόδοξη προσέγγιση: πρώτα δοκίμασαν μια συσκευή και ένα μοτίβο διέγερσης σε ασθενείς με παράλυση. Αφού επιβεβαίωσε τη βελτίωσή τους, η ομάδα στη συνέχεια δημιούργησε ξανά τη θεραπεία σε ποντίκια με παρόμοια τραύματα για να καρφώσει τα κύτταρα που είναι υπεύθυνα για την ανάρρωση. Το παράδειγμα είναι μια ριζική απόκλιση από τις τυπικές ερευνητικές διαδικασίες, οι οποίες ξεκινούν με μοντέλα ποντικών πριν μεταβούν στους ανθρώπους.
Όμως η ομάδα, με επικεφαλής τον Dr. Ο Grégoire Courtine, καθηγητής νευροεπιστήμης στο EPFL, και η Jocelyne Bloch, νευροχειρουργός στο Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο της Λωζάνης (CHUV), έχουν τους λόγους τους. Και οι δύο επιστήμονες δεν είναι ξένοι στην καταπολέμηση της παράλυσης. Οδηγώντας το NeuroRestore Πρόγραμμα, ήταν στην πρώτη γραμμή της μηχανικής εμφυτευμάτων νωτιαίου μυελού για να βοηθήσουν τους ασθενείς να ανακτήσουν την κινητικότητα.
Σε αυτή τη μελέτη, διέγερσαν αρχικά εννέα άτομα με σοβαρή ή πλήρη παράλυση με EES ως μέρος του α κλινική δοκιμή. Έξι είχαν κάποια αίσθηση στα πόδια τους. οι άλλοι τρεις δεν είχαν κανένα. Στις δύο ομάδες εμφυτεύτηκε διαφορετικό υλικό, με την πρώτη να λαμβάνει ένα προσαρμοσμένο για θεραπεία πόνου και τη δεύτερη να αναπτύσσεται ειδικά για την τόνωση του περπατήματος. Χρησιμοποιώντας ένα μοτίβο διέγερσης παρόμοιο με τα φυσιολογικά σήματα του νωτιαίου μυελού, οι συμμετέχοντες βελτίωσαν αμέσως ή ανέκτησαν την ικανότητά τους να περπατούν, με τη βοήθεια ενός ρομπότ για να υποστηρίξει το βάρος τους. Με πέντε ακόμη μήνες προπόνησης, έμαθαν σταδιακά να στηρίζουν το βάρος τους και μπορούσαν ακόμη και να περπατούν σε εξωτερικούς χώρους με βοήθεια.
Μα γιατί? Παραδόξως, η ομάδα διαπίστωσε ότι το EES μαζί με τη φυσική αποκατάσταση μείωσαν την ενέργεια που απαιτείται για μέρη του νωτιαίου μυελού που ελέγχουν το περπάτημα. Αντί να εμπλέκει όλους τους νευρώνες του νωτιαίου μυελού, το EES φαίνεται να προσαρμόζεται μόνο σε μια επιλεγμένη ομάδα νευρώνων—αυτούς που είναι κρίσιμοι για να βοηθήσουν τους ασθενείς να περπατήσουν ξανά.
Ένας μοριακός χάρτης ανάκτησης
Τι είναι αυτοί οι μυστηριώδεις νευρώνες;
Σκάβοντας βαθύτερα, η ομάδα επανέλαβε τη θεραπεία σε ποντίκια με παράλυση (και ναι, περιλάμβανε ένα εξατομικευμένο ρομπότ μεγέθους ποντικιού για να υποστηρίξει το σωματικό τους βάρος.) Παρόμοια με τους ανθρώπους, τα ποντίκια ανέκτησαν αμέσως την ικανότητά τους να περπατούν με ενεργοποιημένο το EES .
Καθώς ανάρρωσαν, η ομάδα πήρε δείγματα από το νωτιαίο μυελό και έδειξε την αλληλουχία των γονιδίων σε περισσότερα από 80,000 μεμονωμένα κύτταρα από 24 ποντίκια για να δει ποια γονίδια ενεργοποιήθηκαν. Η τοποθεσία ήταν το κλειδί: η έρευνα χαρτογράφησε τα γονίδια με βάση τη θέση κάθε κυττάρου στο νωτιαίο μυελό, τα οποία μαζί σχημάτισαν τον πρώτο μοριακό χάρτη ανάκτησης.
Ίσως νομίζετε ότι είναι ένα μεγαθήριο μιας βάσης δεδομένων. Ευτυχώς, η ομάδα είχε αναπτύξει προηγουμένως έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησηςm που βοηθά στην ανάλυση των δεδομένων. Η ουσία waνα αντιστοιχίσει τα προφίλ γονιδιακής έκφρασης με ορισμένα κύτταρα σε διαφορετικές βιολογικές καταστάσεις. Ένας συγκεκριμένος πληθυσμός κυττάρων που ονομάζεται Ο V2a στάθηκε έξω. Αυτοί οι νευρώνες ήταν ενσωματωμένοι στην περιοχή του νωτιαίου μυελού που είναι ιδιαίτερα σημαντική για το περπάτημα, και παρόλο που δεν ήταν απαραίτητοι για το περπάτημα πριν από τον τραυματισμό, φαινόταν να αυξάνονται με δραστηριότητα μετά από EES.
Τα κύτταρα V2a είναι ισχυροί φύλακες στην ανάκτηση του νωτιαίου μυελού. Σε επόμενες δοκιμές, η μείωση της δραστηριότητάς τους χρησιμοποιώντας οπτογενετική - έναν τρόπο ελέγχου των νευρώνων με φως - περιόρισε επίσης την ανάκτηση του νωτιαίου μυελού.
Δείχνει ότι «ορισμένοι τύποι νευρώνων του νωτιαίου μυελού που έχουν χάσει τις εισροές τους από τον εγκέφαλο μετά από τραυματισμό μπορούν να «ξαναφυπνιστούν» ή να επαναχρησιμοποιηθούν για να αποκαταστήσουν την κίνηση εάν τους δοθεί ο κατάλληλος συνδυασμός διέγερσης και αποκατάστασης», είπαν οι Huang και Azim.
Τα κύτταρα V2a δεν είναι σχεδόν ασημένια σφαίρα για τη θεραπεία τραυματισμών και παράλυσης του νωτιαίου μυελού. Η μελέτη βρήκε πολλούς άλλους νευρώνες - με ποικίλες γενετικές υπογραφές - που ενεργοποιούνται με το EES. Το πώς ο εγκέφαλος παρακάμπτει τον τραυματισμό του νωτιαίου μυελού για να ξαναχτίσει τη σύνδεσή του είναι ένα ακόμη πιο βαθύ μυστήριο. Το εάν οι ίδιοι νευρώνες βοηθούν στην αποκατάσταση άλλων καθημερινών σωματικών αναγκών -για παράδειγμα, στον έλεγχο της ουροδόχου κύστης και του εντέρου- είναι ακόμα άγνωστο, αλλά στη λίστα της ομάδας προς μελέτη. Για το σκοπό αυτό, ο κύριος συγγραφέας έχει ξεκινήσει μια εκκίνηση που ονομάζεται ΠΡΟΣ ΤΑ ΕΜΠΡΟΣ για να ξεκινήσει νέα δοκιμή τα επόμενα δύο χρόνια.
Image Credit: geralt / 23803 εικόνες
