To, co było science fiction, jest teraz rzeczywistością naukową: dzięki serii ukierunkowanych impulsów elektrycznych do rdzenia kręgowego dziewięć sparaliżowanych osób natychmiast ponownie zaczęło chodzić z pomocą robota. Pięć miesięcy później połowa uczestników nie potrzebowała już tych zapów, aby chodzić.
Czy zdanie brzmi trochę znajomo? Same w sobie wyniki – choć niezaprzeczalnie imponujące i całkowicie zmieniające życie – mogą wydawać się starymi wiadomościami. Dzięki ulepszeniom w projektach implantów mózgowych w ostatniej dekadzie nastąpił zdumiewający postęp w przywracaniu mobilności osobom z porażeniem. W 2018 roku 29-letni mężczyzna przeszedł całą długość całego boiska piłkarskiego dzięki kilku uderzeniom w rdzeń kręgowy, po latach paraliżu spowodowanego wypadkiem na skuterze śnieżnym. W zeszłym roku stymulacja rdzenia kręgowego pomogło kilku osobom z całkowitym paraliżem, aby spacerować po ruchliwym centrum miasta z piechurem i kajakiem po gładkich wodach.
Nie ma wątpliwości, że stymulacja rdzenia kręgowego przekształciła niegdyś nieodwracalny uraz w taki, który można teraz odwrócić. Pozostaje jednak pytanie: dlaczego to działa?
A Nowe badania in Natura właśnie dał nam kilka wskazówek. Budując trójwymiarową mapę molekularną rdzenia kręgowego w trakcie rekonwalescencji po urazie, zespół odkrył tajemniczą grupę neuronów zagnieżdżoną na jego obrzeżach. Są osobliwe. Zwykle te neurony nie są potrzebne do chodzenia. Ale w przypadku urazu rdzenia kręgowego, po kilku wstrząsach elektrycznych, wybuchają aktywnością, reorganizując się w nowe autostrady nerwowe, które pomagają przywrócić ruch.
Wskazywanie tych neuronów to nie tylko ciekawostka naukowa. Rozumiejąc, jak działają, moglibyśmy wykorzystać ich komunikację elektryczną i wewnętrzne działanie molekularne, aby opracować jeszcze bardziej wyrafinowane metody leczenia paraliżu.
„Ilość nadziei, jaką daje to ludziom z urazem rdzenia kręgowego, jest niesamowita” powiedziany Dr Marc Ruitenberg z University of Queensland, który nie brał udziału w badaniu.
Do dr. Kee Wui Huang i Eiman Azim z Salk Institute for Biological Sciences, którzy nie brali udziału w badaniu, wyniki pokazują, że walka z urazem rdzenia kręgowego wymaga uwzględnienia wielu kątów: ulepszenie technologii implantów – sedno wcześniejszych wysiłków – to tylko jedna strona historii. Analizowanie neurobiologii zdrowienia to druga krytyczna połowa.
Nowe badanie pokazuje, że „Mapy molekularne układu nerwowego o wysokiej rozdzielczości zaczynają zapewniać to drugie”.
Pokonywanie barier
Lubię wyobrażać sobie rdzeń kręgowy jako tętniącą życiem autostradę międzystanową. Każda sekcja ma wiele mniejszych regionalnych ścieżek nerwowych, które prowadzą do różnych części ciała. Jako główny kanał informacyjny, rdzeń kręgowy przesyła sygnały z mózgu do reszty ciała. Niefortunny upadek, wypadek samochodowy lub kontuzja sportowa mogą uszkodzić tę autostradę. Podobnie jak blokada drogowa, ruch elektryczny wysyłający polecenia do mięśni – i odbierający informacje zwrotne sensoryczne – nie może już przez nie przepływać.
Ale co by było, gdybyśmy mogli sztucznie zniwelować te zapadnięcia się dróg za pomocą implantu?
Mniej więcej pół dekady temu naukowcy rozpoczęli eksperymenty z techniką zwaną zewnątrzoponową stymulacją elektryczną (EES). Urządzenie składa się z wielu elektrod i jest umieszczane tuż nad najbardziej zewnętrzną membraną, która otacza i chroni rdzeń kręgowy. Działa jak sztuczny most, który omija zranione miejsce. Kilka wstrząsów może aktywować neurony w zdrowych częściach rdzenia kręgowego i dostarczyć sygnały do pobliskich ścieżek nerwowych.
Chociaż jest to jeden z niewielu zabiegów, który przyniósł „niezwykłe zmiany w wydajności”, EES napotkał wiele niepowodzeń, powiedzieli Huang i Azim. Jednym z nich był nieoptymalny projekt implantu, ponieważ nie mogli oni celować w części rdzenia kręgowego niezbędne do chodzenia. Innym było oprogramowanie oparte na algorytmach, które nie stymulowały rdzenia kręgowego w sposób naśladujący jego naturalne impulsy elektryczne. Jak na ironię, te projekty mogły „zakłócić sygnały sensoryczne, które sprzyjają regeneracji” – powiedzieli Huang i Azim.
Od ludzi do myszy
Aby dotrzeć do sedna tego, jak EES pomaga ludziom wyzdrowieć z paraliżu, w nowym badaniu przyjęto niekonwencjonalne podejście: najpierw przetestowano urządzenie i schemat stymulacji u pacjentów z porażeniem. Po potwierdzeniu poprawy zespół odtworzył następnie leczenie myszy z podobnymi urazami, aby ustalić komórki odpowiedzialne za powrót do zdrowia. Paradygmat jest radykalnym odejściem od typowych postępowań badawczych, które rozpoczynają się od modeli mysich, zanim przejdą na ludzi.
Ale zespół kierowany przez dr. Grégoire Courtine, profesor neurobiologii na EPFL i Jocelyne Bloch, neurochirurg ze Szpitala Uniwersyteckiego w Lozannie (CHUV), mają swoje powody. Obaj naukowcy nie są obcy w walce z paraliżem. Prowadzący NeuroRestore programu, byli na czele inżynierii implantów rdzenia kręgowego, aby pomóc pacjentom odzyskać mobilność.
W tym badaniu najpierw stymulowali dziewięć osób z ciężkim lub całkowitym paraliżem za pomocą EES w ramach a Badanie kliniczne. Sześć miało czucie w nogach; pozostałe trzy nie miały żadnego. Dwie grupy miały wszczepiony inny sprzęt, przy czym pierwsza otrzymała przystosowany do leczenia bólu, a druga rozwinęła się specjalnie do stymulacji chodzenia. Stosując wzór stymulacji podobny do normalnych sygnałów z rdzenia kręgowego, uczestnicy natychmiast poprawili lub odzyskali zdolność chodzenia, z pomocą robota, który utrzymywał ich wagę. Po kolejnych pięciu miesiącach treningu stopniowo nauczyły się utrzymywać własną wagę i mogły nawet chodzić na zewnątrz z pomocą.
Ale dlaczego? Co zaskakujące, zespół odkrył, że EES wraz z rehabilitacją fizyczną zmniejszyły energię potrzebną do części rdzenia kręgowego, które kontrolują chodzenie. Zamiast angażować wszystkie neurony w rdzeniu kręgowym, EES wydaje się dostosowywać tylko do wybranej grupy neuronów – tych, które mają kluczowe znaczenie dla pomocy pacjentom w ponownym chodzeniu.
Molekularna mapa regeneracji
Czym są te tajemnicze neurony?
Kopiąc głębiej, zespół ponownie przeprowadził leczenie myszy z paraliżem (i tak, obejmował wykonanego na zamówienie robota wielkości myszy, który pomagał utrzymać masę ciała). Podobnie jak ludzie, myszy natychmiast odzyskały zdolność chodzenia z włączonym EES .
Po wyzdrowieniu zespół pobrał próbki z rdzenia kręgowego i zsekwencjonował geny w ponad 80,000 24 pojedynczych komórek od XNUMX myszy, aby zobaczyć, które geny zostały aktywowane. Lokalizacja była kluczowa: badanie zmapowało geny na podstawie lokalizacji każdej komórki w rdzeniu kręgowym, które razem utworzyły pierwszą molekularną mapę regeneracji.
Możesz pomyśleć, że to gigantyczna baza danych. Na szczęście zespół wcześniej opracował algorytm uczenia maszynowegom, który pomaga analizować dane. Sedno was, aby dopasować profile ekspresji genów do określonych komórek w różnych sytuacjach biologicznych. Jedna konkretna populacja komórek nazywa V2a stanął na zewnątrz. Te neurony były osadzone w obszarze rdzenia kręgowego, który jest szczególnie ważny dla chodzenia i chociaż nie były potrzebne do chodzenia przed urazem, wydawały się wzrastać wraz z aktywnością po EES.
Komórki V2a są potężnymi strażnikami odbudowy rdzenia kręgowego. W kolejnych testach obniżenie ich aktywności za pomocą optogenetyki – sposobu kontrolowania neuronów za pomocą światła – również osłabiło regenerację rdzenia kręgowego.
Pokazuje, że „niektóre typy neuronów rdzenia kręgowego, które utraciły swoje bodźce z mózgu po urazie, mogą zostać„ przebudzone ”lub zmienione przeznaczenie w celu przywrócenia ruchu, jeśli otrzymają odpowiednią kombinację stymulacji i rehabilitacji” – powiedzieli Huang i Azim.
Komórki V2a raczej nie są srebrną kulą w leczeniu urazów rdzenia kręgowego i paraliżu. Badanie wykazało wiele innych neuronów – z różnymi sygnaturami genetycznymi – które aktywują się za pomocą EES. To, w jaki sposób mózg omija uszkodzenia rdzenia kręgowego, aby odbudować ich połączenie, jest jeszcze głębszą tajemnicą. Nadal nie wiadomo, czy te same neurony pomagają w przywracaniu innych codziennych potrzeb organizmu – na przykład kontroli pęcherza i jelit – ale zespół jest następny na liście do zbadania. W tym celu główny autor uruchomił startup o nazwie NAPRZÓD rozpocząć nowy proces w ciągu najbliższych dwóch lat.
Kredytowych Image: joanna / 23803 zdjęć
