Det som var science fiction er nå vitenskapelig virkelighet: med en serie målrettede elektriske zaps til ryggmargen, gikk ni lammede mennesker umiddelbart igjen med hjelp fra en robot. Fem måneder senere trengte ikke lenger halvparten av deltakerne disse zappene for å gå.
Høres setningen litt kjent ut? I seg selv kan resultatene – selv om de unektelig er imponerende og fullstendig livsforandrende – virke som gamle nyheter. Takket være forbedringer i hjerneimplantatdesign, har det siste tiåret sett forbløffende fremskritt med å gjenopprette mobiliteten til personer med lammelser. I 2018, en 29 år gammel mann gikk på lengden av en hel fotballbane takket være noen få zaps til ryggmargen, etter år med lammelser fra en snøscooterulykke. I fjor, ryggmargsstimulering hjulpet flere personer med fullstendig lammelse for å rusle rundt i et travelt sentrumsområde med rullator og kajakk i jevnt vann.
Det er ingen tvil om at ryggmargsstimulering forvandlet en en gang uopprettelig skade til en som nå kan reverseres. Men et truende spørsmål gjenstår: hvorfor fungerer det?
A ny studie in Natur ga oss bare noen ledetråder. Laget et 3D-molekylært kart over ryggmargen mens den kommer seg etter skade, fant teamet en mystisk gruppe nevroner plassert i utkanten av den. De er særegne. Normalt er disse nevronene ikke nødvendige for å gå. Men i tilfeller av ryggmargsskade, etter noen få elektriske støt sprakk de av aktivitet, og omorganiseres til nye nevrale motorveier som hjelper til med å gjenopprette bevegelser.
Å finne disse nevronene er ikke bare en vitenskapelig nysgjerrighet. Ved å forstå hvordan de fungerer, kunne vi utnytte deres elektriske kommunikasjon og indre molekylære virkemåter for å utvikle enda mer sofistikerte behandlinger for lammelser.
"Mengden håp det gir mennesker med ryggmargsskade er utrolig," sa Dr. Marc Ruitenberg ved University of Queensland, som ikke var involvert i studien.
Til Drs. Kee Wui Huang og Eiman Azim ved Salk Institute for Biological Sciences, som ikke var involvert i studien, viser resultatene at takling av ryggmargsskade krever å omfavne flere vinkler: å forbedre implantatteknologien – hjertet av tidligere innsats – er bare én side av historien. Å analysere nevrobiologien til utvinning er den andre kritiske halvdelen.
Den nye studien viser at "Høyoppløselige molekylære kart over nervesystemet begynner å gi sistnevnte."
Bridging the Gap
Jeg liker å forestille meg ryggmargen som en summende mellomstatlig motorvei. Hver seksjon har flere mindre regionale nervebaner som fører til forskjellige deler av kroppen. Som hovedinformasjonen overfører ryggmargen signaler fra hjernen til resten av kroppen din. Et dårlig fall, en bilulykke eller en sportsskade kan skade den motorveien. I likhet med en veisperring kan den elektriske trafikken som sender kommandoer til musklene – og mottar sensorisk tilbakemelding – ikke lenger flyte gjennom.
Men hva om vi kunstig kunne bygge bro over disse veikollapsene med et implantat?
For omtrent et halvt tiår siden begynte forskere å eksperimentere med en teknikk kalt epidural elektrisk stimulering (EES). Enheten er laget av flere elektroder og satt inn like over den ytterste membranen som kapsler inn og beskytter ryggmargen. Den fungerer som en kunstig bro som omgår det skadede stedet. Noen få støt kan aktivere nevroner i de friske delene av ryggmargen og levere signaler til nærliggende nervebaner.
Selv om det er en av få behandlinger som har oppnådd "bemerkelsesverdige endringer i ytelse", har EES møtt flere tilbakeslag, sa Huang og Azim. Den ene var sub-optimal implantatdesign, ved at de ikke kunne målrette mot deler av ryggmargen som var avgjørende for å gå. En annen var programvare drevet av algoritmer som ikke stimulerte ryggmargen på måter som etterlignet dens naturlige elektriske pulser. Ironisk nok kan disse designene ha "forstyrret sensoriske signaler som fremmer utvinning," sa Huang og Azim.
Fra menn til mus
For å komme til kjernen av hvordan EES hjelper folk å komme seg etter lammelser, tok den nye studien en uortodoks tilnærming: de testet først en enhet og et stimuleringsmønster hos pasienter med lammelser. Etter å ha bekreftet forbedringen deres, gjenskapte teamet behandlingen på mus med lignende skader for å spikre ned cellene som er ansvarlige for utvinning. Paradigmet er en radikal avvik fra typiske forskningsprosesser, som starter med musemodeller før de flytter inn i mennesker.
Men teamet, ledet av Drs. Grégoire Courtine, professor i nevrovitenskap ved EPFL, og Jocelyne Bloch, nevrokirurg ved Lausanne universitetssykehus (CHUV), har sine grunner. Begge forskerne er ikke fremmede for å bekjempe lammelser. Leder av NeuroRestore program, har de vært i forkant av utvikling av ryggmargsimplantater for å hjelpe pasienter med å gjenvinne mobilitet.
I denne studien stimulerte de først ni personer med alvorlig eller fullstendig lammelse med EES som en del av en klinisk studie. Seks hadde en følelse i bena; de tre andre hadde ingen. De to gruppene fikk implantert forskjellig maskinvare, den første fikk en tilpasset smertebehandling, og den andre utviklet spesielt for å stimulere gange. Ved å bruke et stimuleringsmønster som ligner på vanlige ryggmargssignaler, forbedret eller gjenvant deltakerne umiddelbart sin evne til å gå, ved hjelp av en robot for å støtte vekten. Med fem måneder til med trening lærte de seg gradvis å støtte sin egen vekt og kunne til og med gå utendørs med hjelp.
Men hvorfor? Overraskende nok fant teamet at EES sammen med fysisk rehabilitering reduserte energien som trengs for deler av ryggmargen som kontrollerer gange. I stedet for å engasjere alle nevroner i ryggmargen, ser det ut til at EES skreddersys til bare en utvalgt gruppe nevroner - de som er avgjørende for å hjelpe pasienter med å gå igjen.
Et molekylært kart over utvinning
Hva er disse mystiske nevronene?
Ved å grave dypere, gjenopptok teamet behandlingen på mus med lammelse (og ja, den inkluderte en spesiallaget robot på størrelse med mus for å hjelpe til med å støtte kroppsvekten deres.) I likhet med mennesker, gjenvant musene umiddelbart sin evne til å gå med EES slått på .
Da de ble friske, tok teamet prøver fra ryggmargen og sekvenserte gener i over 80,000 24 individuelle celler fra XNUMX mus for å se hvilke gener som ble aktivert. Plassering var nøkkelen: undersøkelsen kartla genene basert på hver celles plassering i ryggmargen, som til sammen dannet det første molekylære kartet over utvinning.
Du tenker kanskje at det er en storhet av en database. Heldigvis hadde teamet tidligere utviklet en maskinlæringsalgoritmem som hjelper til med å analysere dataene. Kruxet was å matche genekspresjonsprofilene til visse celler i forskjellige biologiske situasjoner. En spesiell populasjon av celler som heter V2a sto ute. Disse nevronene var innebygd i området av ryggmargen som er spesielt viktig for å gå, og selv om de ikke var nødvendig for å gå før skade, så det ut til å øke med aktivitet etter EES.
V2a-celler er kraftige portvakter til ryggmargsgjenoppretting. I påfølgende tester, reduserte aktiviteten deres ved å bruke optogenetikk - en måte å kontrollere nevroner med lys - også dempet ryggmargsgjenoppretting.
Det viser at "visse typer ryggmargsneuroner som har mistet input fra hjernen etter skade, kan "vekkes opp igjen" eller gjenopprettes for å gjenopprette bevegelse hvis de får den passende kombinasjonen av stimulering og rehabilitering, sa Huang og Azim.
V2a-celler er neppe en sølvkule for behandling av ryggmargsskader og lammelser. Studien fant mange andre nevroner - med forskjellige genetiske signaturer - som aktiveres med EES. Hvordan hjernen omgår ryggmargsskade for å gjenoppbygge forbindelsen deres er et enda dypere mysterium. Hvorvidt de samme nevronene hjelper med å gjenopprette andre daglige kroppslige behov - for eksempel blære- og tarmkontroll - er fortsatt ukjent, men neste på lagets liste for å studere. For det formål har hovedforfatteren lansert en oppstart kalt VIDERE å starte en ny rettssak i løpet av de neste to årene.
Bilde Credit: geralt / 23803 bilder
