Apa yang dulunya fiksi ilmiah sekarang menjadi kenyataan ilmiah: dengan serangkaian sengatan listrik yang ditargetkan ke sumsum tulang belakang, sembilan orang lumpuh segera berjalan kembali dengan bantuan robot. Lima bulan kemudian, setengah dari peserta tidak lagi membutuhkan sengatan listrik tersebut untuk berjalan.
Apakah kalimat itu terdengar agak familiar? Sendiri, hasilnya — meski mengesankan dan benar-benar mengubah hidup — mungkin tampak seperti berita lama. Berkat perbaikan dalam desain implan otak, dekade terakhir melihat kemajuan yang menakjubkan dalam memulihkan mobilitas orang dengan kelumpuhan. Pada tahun 2018, seorang pria berusia 29 tahun berjalan panjang dari seluruh lapangan sepak bola berkat beberapa sengatan listrik ke sumsum tulang belakangnya, setelah bertahun-tahun lumpuh akibat kecelakaan mobil salju. Tahun lalu, stimulasi sumsum tulang belakang membantu beberapa orang dengan kelumpuhan total untuk berjalan-jalan di sekitar pusat kota yang sibuk dengan alat bantu jalan dan kayak di perairan yang tenang.
Tidak ada keraguan bahwa stimulasi sumsum tulang belakang mengubah cedera yang dulunya tidak dapat diperbaiki menjadi cedera yang sekarang dapat dipulihkan. Tapi pertanyaan yang membayangi tetap ada: mengapa ini berhasil?
A baru studi in Alam hanya memberi kami beberapa petunjuk. Membangun peta molekuler 3D dari sumsum tulang belakang saat pulih dari cedera, tim menemukan sekelompok neuron misterius yang terletak di pinggirannya. Mereka aneh. Biasanya, neuron ini tidak diperlukan untuk berjalan. Tetapi dalam kasus cedera tulang belakang, setelah beberapa sentakan listrik, mereka meledak dengan aktivitas, mengatur ulang menjadi jalan raya saraf baru yang membantu memulihkan gerakan.
Menentukan neuron ini bukan hanya keingintahuan ilmiah. Dengan memahami cara kerjanya, kita dapat memanfaatkan komunikasi listrik dan cara kerja molekuler bagian dalam untuk mengembangkan perawatan yang lebih canggih untuk kelumpuhan.
"Jumlah harapan yang diberikannya kepada orang-orang dengan cedera tulang belakang sangat luar biasa," tersebut Dr. Marc Ruitenberg dari University of Queensland, yang tidak terlibat dalam penelitian ini.
Kepada Drs. Kee Wui Huang dan Eiman Azim di Salk Institute for Biological Sciences, yang tidak terlibat dalam penelitian ini, hasilnya menunjukkan bahwa mengatasi cedera tulang belakang memerlukan pendekatan dari berbagai sudut: meningkatkan teknologi implan—jantung dari upaya sebelumnya—hanyalah satu sisi dari cerita. Mengurai neurobiologi pemulihan adalah bagian penting lainnya.
Studi baru menunjukkan bahwa "peta molekuler beresolusi tinggi dari sistem saraf mulai menyediakan yang terakhir."
Bridging the Gap
Saya suka membayangkan sumsum tulang belakang sebagai jalan raya antarnegara bagian yang ramai. Setiap bagian memiliki beberapa jalur saraf regional yang lebih kecil yang mengarah ke bagian tubuh yang berbeda. Sebagai jalur informasi utama, sumsum tulang belakang mengirimkan sinyal dari otak ke seluruh tubuh Anda. Jatuh parah, kecelakaan mobil, atau cedera olahraga dapat merusak jalan raya itu. Mirip dengan penghalang jalan, lalu lintas listrik yang mengirimkan perintah ke otot — dan menerima umpan balik sensorik — tidak dapat lagi mengalir.
Tapi bagaimana jika kita bisa secara artifisial menjembatani jalan yang runtuh itu dengan implan?
Kira-kira setengah dekade yang lalu, para ilmuwan mulai bereksperimen dengan teknik yang disebut stimulasi listrik epidural (EES). Perangkat ini terbuat dari beberapa elektroda dan dimasukkan tepat di atas membran terluar yang membungkus dan melindungi sumsum tulang belakang. Ini bertindak sebagai jembatan buatan yang melewati tempat yang terluka. Beberapa sentakan dapat mengaktifkan neuron di bagian sumsum tulang belakang yang sehat dan mengirimkan sinyal ke jalur saraf terdekat.
Meskipun ini adalah salah satu dari sedikit perawatan yang telah mencapai "perubahan kinerja yang luar biasa," EES telah menghadapi banyak kemunduran, kata Huang dan Azim. Salah satunya adalah desain implan yang kurang optimal, karena mereka tidak dapat menargetkan bagian sumsum tulang belakang yang penting untuk berjalan. Lainnya adalah perangkat lunak yang diberdayakan oleh algoritme yang tidak merangsang sumsum tulang belakang dengan cara menirukan denyut listrik alaminya. Ironisnya, desain tersebut mungkin telah "mengganggu sinyal sensorik yang mendorong pemulihan," kata Huang dan Azim.
Dari Pria hingga Tikus
Untuk memahami bagaimana EES membantu orang pulih dari kelumpuhan, studi baru mengambil pendekatan yang tidak ortodoks: mereka pertama kali menguji perangkat dan pola stimulasi pada pasien dengan kelumpuhan. Setelah memastikan peningkatan mereka, tim kemudian membuat ulang perawatan pada tikus dengan cedera serupa untuk memastikan sel yang bertanggung jawab untuk pemulihan. Paradigma tersebut merupakan perubahan radikal dari proses penelitian biasa, yang dimulai dengan model tikus sebelum pindah ke manusia.
Namun tim yang dipimpin oleh Drs. Grégoire Courtine, seorang profesor ilmu saraf di EPFL, dan Jocelyne Bloch, seorang ahli bedah saraf di Rumah Sakit Universitas Lausanne (CHUV), memiliki alasannya masing-masing. Kedua ilmuwan tidak asing dengan memerangi kelumpuhan. Memimpin Pemulihan Saraf program, mereka berada di garis depan rekayasa implan sumsum tulang belakang untuk membantu pasien mendapatkan kembali mobilitas.
Dalam studi ini, mereka pertama kali merangsang sembilan orang dengan kelumpuhan parah atau total dengan EES sebagai bagian dari a uji klinis. Enam memiliki sensasi di kaki mereka; tiga lainnya tidak punya. Kedua kelompok memiliki implan perangkat keras yang berbeda, dengan yang pertama menerima yang diadaptasi untuk perawatan nyeri, dan yang kedua dikembangkan khusus untuk merangsang berjalan. Menggunakan pola stimulasi yang mirip dengan sinyal sumsum tulang belakang normal, para peserta segera meningkatkan atau mendapatkan kembali kemampuan mereka untuk berjalan, dengan bantuan robot untuk menopang berat badan mereka. Dengan pelatihan lima bulan lagi, mereka secara bertahap belajar menopang berat badan mereka sendiri dan bahkan dapat berjalan di luar ruangan dengan bantuan.
Tapi kenapa? Anehnya, tim menemukan bahwa EES bersama dengan rehabilitasi fisik menurunkan energi yang dibutuhkan untuk bagian sumsum tulang belakang yang mengontrol berjalan. Alih-alih melibatkan semua neuron di sumsum tulang belakang, EES tampaknya hanya menyesuaikan sekelompok neuron tertentu—yang penting untuk membantu pasien berjalan kembali.
Peta Pemulihan Molekuler
Apa neuron misterius ini?
Menggali lebih dalam, tim mengulang perawatan pada tikus dengan kelumpuhan (dan ya, itu termasuk robot seukuran tikus yang dibuat khusus untuk membantu menopang berat badan mereka.) Mirip dengan manusia, tikus segera mendapatkan kembali kemampuannya untuk berjalan dengan EES dihidupkan .
Saat mereka pulih, tim mengambil sampel dari sumsum tulang belakang dan mengurutkan gen di lebih dari 80,000 sel individu dari 24 tikus untuk melihat gen mana yang diaktifkan. Lokasi adalah kunci: survei memetakan gen berdasarkan lokasi setiap sel di sumsum tulang belakang, yang bersama-sama membentuk peta pemulihan molekuler pertama.
Anda mungkin berpikir itu adalah raksasa database. Untungnya, tim sebelumnya telah mengembangkan algoritme pembelajaran mesinm yang membantu menganalisis data. Intinya was untuk mencocokkan profil ekspresi gen dengan sel tertentu dalam situasi biologis yang berbeda. Satu populasi sel tertentu bernama V2a berdiri keluar. Neuron-neuron ini tertanam di daerah sumsum tulang belakang yang sangat penting untuk berjalan, dan meskipun tidak diperlukan untuk berjalan sebelum cedera, tampaknya melonjak dengan aktivitas setelah EES.
Sel V2a adalah penjaga gerbang yang kuat untuk pemulihan sumsum tulang belakang. Dalam tes selanjutnya, menurunkan aktivitas mereka menggunakan optogenetics — cara mengendalikan neuron dengan cahaya — juga menghambat pemulihan sumsum tulang belakang.
Ini menunjukkan bahwa “jenis neuron saraf tulang belakang tertentu yang telah kehilangan inputnya dari otak setelah cedera dapat 'dibangunkan kembali' atau digunakan kembali untuk memulihkan gerakan jika diberi kombinasi stimulasi dan rehabilitasi yang tepat,” kata Huang dan Azim.
Sel V2a bukanlah peluru perak untuk mengobati cedera dan kelumpuhan sumsum tulang belakang. Studi ini menemukan banyak neuron lain—dengan tanda genetik beragam—yang aktif dengan EES. Bagaimana otak melewati cedera tulang belakang untuk membangun kembali koneksi mereka adalah misteri yang lebih mendalam. Apakah neuron yang sama membantu memulihkan kebutuhan tubuh sehari-hari lainnya — kontrol kandung kemih dan usus, misalnya — masih belum diketahui, tetapi berikutnya dalam daftar tim untuk dipelajari. Untuk itu, penulis utama telah meluncurkan sebuah startup bernama MAJU untuk memulai uji coba baru dalam dua tahun ke depan.
Gambar Kredit: geralt / 23803 gambar
