Wat sciencefiction was, is nu wetenschappelijke realiteit: met een reeks gerichte elektrische zaps naar het ruggenmerg liepen negen verlamde mensen meteen weer met hulp van een robot. Vijf maanden later had de helft van de deelnemers die zaps niet meer nodig om te lopen.
Klinkt de zin je een beetje bekend in de oren? Op zichzelf lijken de resultaten - hoewel onmiskenbaar indrukwekkend en volkomen levensveranderend - misschien oud nieuws. Dankzij verbeteringen in het ontwerp van hersenimplantaten is er het afgelopen decennium een verbazingwekkende vooruitgang geboekt bij het herstellen van de mobiliteit van mensen met verlamming. In 2018, een 29-jarige man liep de lengte van een heel voetbalveld dankzij een paar stoten in zijn ruggenmerg, na jaren van verlamming door een sneeuwscooterongeval. Vorig jaar, ruggenmergstimulatie heeft meerdere mensen geholpen met volledige verlamming om door een drukke binnenstad te slenteren met een rollator en kajak in zacht water.
Het lijdt geen twijfel dat stimulatie van het ruggenmerg een ooit onherstelbare verwonding heeft veranderd in een die nu kan worden teruggedraaid. Maar een dreigende vraag blijft: waarom werkt het?
A nieuwe studie in NATUUR gaf ons net wat aanwijzingen. Het team bouwde een moleculaire 3D-kaart van het ruggenmerg terwijl het herstelt van een verwonding en vond een mysterieuze groep neuronen aan de rand ervan. Ze zijn eigenaardig. Normaal gesproken zijn deze neuronen niet nodig om te lopen. Maar in het geval van een dwarslaesie barsten ze na een paar elektrische schokken van activiteit en reorganiseren ze zich in nieuwe neurale snelwegen die bewegingen helpen herstellen.
Het lokaliseren van deze neuronen is niet alleen een wetenschappelijke curiositeit. Door te begrijpen hoe ze werken, kunnen we gebruikmaken van hun elektrische communicatie en innerlijke moleculaire werking om nog geavanceerdere behandelingen voor verlamming te ontwikkelen.
"De hoeveelheid hoop die het geeft aan mensen met een dwarslaesie is ongelooflijk," zei Dr. Marc Ruitenberg van de Universiteit van Queensland, die niet bij het onderzoek betrokken was.
Naar drs. Kee Wui Huang en Eiman Azim van het Salk Institute for Biological Sciences, die niet betrokken waren bij het onderzoek, laten de resultaten zien dat het aanpakken van dwarslaesie meerdere invalshoeken vereist: het verbeteren van de implantaattechnologie - het hart van eerdere inspanningen - is slechts één kant van het verhaal. Het analyseren van de neurobiologie van herstel is de andere kritische helft.
De nieuwe studie laat zien dat "moleculaire kaarten van het zenuwstelsel met hoge resolutie beginnen dit laatste te bieden."
Bridging the Gap
Ik stel me het ruggenmerg graag voor als een zoemende snelweg. Elke sectie heeft meerdere kleinere regionale zenuwbanen die naar verschillende delen van het lichaam leiden. Als belangrijkste informatielijn stuurt het ruggenmerg signalen van de hersenen naar de rest van uw lichaam. Een zware val, een auto-ongeluk of een sportblessure kan die snelweg beschadigen. Net als bij een wegversperring kan het elektrische verkeer dat commando's naar de spieren stuurt - en sensorische feedback ontvangt - niet langer doorstromen.
Maar wat als we die instortingen kunstmatig zouden kunnen overbruggen met een implantaat?
Ongeveer een half decennium geleden begonnen wetenschappers te experimenteren met een techniek die epidurale elektrische stimulatie (EES) wordt genoemd. Het apparaat is gemaakt van meerdere elektroden en wordt net boven het buitenste membraan ingebracht dat het ruggenmerg omhult en beschermt. Het fungeert als een kunstmatige brug die de gewonde plek omzeilt. Een paar schokken kunnen neuronen in de gezonde delen van het ruggenmerg activeren en signalen afgeven aan nabijgelegen zenuwbanen.
Hoewel het een van de weinige behandelingen is die "opmerkelijke prestatieveranderingen" heeft bereikt, heeft EES te maken gehad met meerdere tegenslagen, aldus Huang en Azim. Een daarvan was een suboptimaal implantaatontwerp, in die zin dat ze zich niet konden richten op delen van het ruggenmerg die essentieel zijn om te lopen. Een andere was software aangedreven door algoritmen die het ruggenmerg niet stimuleerde op een manier die zijn natuurlijke elektrische pulsen nabootste. Ironisch genoeg hebben die ontwerpen mogelijk "verstoorde sensorische signalen die het herstel bevorderen", zeiden Huang en Azim.
Van mannen tot muizen
Om erachter te komen hoe EES mensen helpt te herstellen van verlamming, koos de nieuwe studie voor een onorthodoxe benadering: ze testten eerst een apparaat en stimulatiepatroon bij patiënten met verlamming. Na bevestiging van hun verbetering, hercreëerde het team de behandeling bij muizen met vergelijkbare verwondingen om de cellen vast te spijkeren die verantwoordelijk zijn voor herstel. Het paradigma is een radicale afwijking van de typische onderzoeksprocedures, die beginnen met muizenmodellen voordat ze overgaan op mensen.
Maar het team, onder leiding van Drs. Grégoire Courtine, hoogleraar neurowetenschappen aan EPFL, en Jocelyne Bloch, neurochirurg aan het Lausanne University Hospital (CHUV), hebben hun redenen. Beide wetenschappers zijn geen onbekende in het bestrijden van verlamming. het leiden van de NeuroHerstel programma, hebben ze een voortrekkersrol gespeeld bij het ontwikkelen van ruggenmergimplantaten om patiënten te helpen hun mobiliteit terug te krijgen.
In deze studie stimuleerden ze eerst negen mensen met ernstige of volledige verlamming met EES als onderdeel van een klinische trial. Zes hadden wat gevoel in hun benen; de andere drie hadden er geen. De twee groepen hadden verschillende hardware geïmplanteerd, de eerste kreeg er een die was aangepast voor pijnbehandeling en de tweede ontwikkelde specifiek om het lopen te stimuleren. Met behulp van een stimulatiepatroon dat vergelijkbaar is met normale ruggenmergsignalen, verbeterden of herkregen de deelnemers onmiddellijk hun vermogen om te lopen, met de hulp van een robot om hun gewicht te ondersteunen. Met nog vijf maanden training leerden ze geleidelijk aan om hun eigen gewicht te dragen en konden ze zelfs met hulp buiten lopen.
Maar waarom? Verrassend genoeg ontdekte het team dat EES samen met fysieke revalidatie de energie verminderde die nodig is voor delen van het ruggenmerg die het lopen beheersen. In plaats van alle neuronen in het ruggenmerg te betrekken, lijkt EES zich aan te passen aan slechts een selecte groep neuronen - die essentieel zijn om patiënten te helpen weer te lopen.
Een moleculaire kaart van herstel
Wat zijn deze mysterieuze neuronen?
Het team graafde dieper en voerde de behandeling opnieuw uit bij muizen met verlamming (en ja, het bevatte een op maat gemaakte robot ter grootte van een muis om hun lichaamsgewicht te ondersteunen.) Net als bij mensen, hervonden de muizen onmiddellijk hun vermogen om te lopen met EES ingeschakeld .
Terwijl ze herstelden, nam het team monsters van het ruggenmerg en sequeneerde genen in meer dan 80,000 individuele cellen van 24 muizen om te zien welke genen werden geactiveerd. Locatie was de sleutel: het onderzoek bracht de genen in kaart op basis van de locatie van elke cel in het ruggenmerg, die samen de eerste moleculaire kaart van herstel vormden.
Je zou kunnen denken dat het een kolos van een database is. Gelukkig had het team eerder een machine learning-algoritme ontwikkeldm die helpt bij het analyseren van de gegevens. De crux was om de genexpressieprofielen af te stemmen op bepaalde cellen in verschillende biologische situaties. Een bepaalde populatie cellen Dit betekent dat we onszelf en onze geliefden praktisch vergiftigen. V2a stond uit. Deze neuronen waren ingebed in het gebied van het ruggenmerg dat vooral belangrijk is om te lopen, en hoewel ze niet nodig waren om te lopen vóór een blessure, leken ze na EES met activiteit te stijgen.
V2a-cellen zijn krachtige poortwachters voor herstel van het ruggenmerg. In daaropvolgende tests dempte het verlagen van hun activiteit met behulp van optogenetica - een manier om neuronen met licht te controleren - ook het herstel van het ruggenmerg.
Het laat zien dat "bepaalde soorten neuronen van het ruggenmerg die hun input van de hersenen hebben verloren na een verwonding, kunnen worden 'opnieuw gewekt' of opnieuw kunnen worden gebruikt om beweging te herstellen als ze de juiste combinatie van stimulatie en revalidatie krijgen", aldus Huang en Azim.
V2a-cellen zijn nauwelijks een wondermiddel voor de behandeling van ruggenmergletsel en verlamming. De studie vond tal van andere neuronen - met diverse genetische handtekeningen - die geactiveerd worden met EES. Hoe de hersenen dwarslaesie omzeilen om hun verbinding te herstellen, is een nog dieper mysterie. Of dezelfde neuronen helpen bij het herstellen van andere dagelijkse lichamelijke behoeften - bijvoorbeeld blaas- en darmcontrole - is nog onbekend, maar de volgende op de lijst van het team om te bestuderen. Daartoe heeft de hoofdauteur een startup gelanceerd genaamd VOORWAARTS om binnen twee jaar een nieuwe proef te starten.
Krediet van het beeld: geralt / 23803 beelden
