Kar je bilo znanstvena fantastika, je zdaj znanstvena resničnost: z nizom ciljno usmerjenih električnih vklopov v hrbtenjačo je devet paraliziranih ljudi nemudoma spet shodilo s pomočjo robota. Pet mesecev kasneje polovica udeležencev teh zapsov ni več potrebovala za hojo.
Ali stavek zveni nekoliko znano? Rezultati sami po sebi – čeprav so nedvomno impresivni in popolnoma spreminjajo življenje – se morda zdijo stara novica. Zahvaljujoč izboljšavam zasnove možganskih vsadkov je bilo v zadnjem desetletju dosežen osupljiv napredek pri ponovni vzpostavitvi mobilnosti ljudi s paralizo. V letu 2018 29-letni moški prehodil dolžino celotnega nogometnega igrišča, zahvaljujoč nekaj udarcem po njegovi hrbtenjači, po letih paralize zaradi nesreče z motornimi sanmi. Lansko leto stimulacija hrbtenjače pomagal več ljudem s popolno paralizo se sprehajati po živahnem središču mesta s sprehajalcem in kajakom v gladkih vodah.
Nobenega dvoma ni, da je stimulacija hrbtenjače spremenila nekoč nepopravljivo poškodbo v takšno, ki jo je zdaj mogoče odpraviti. Vendar ostaja grozeče vprašanje: zakaj deluje?
A Nova študija in Narava samo nam je dal nekaj namigov. Pri izdelavi 3D molekularnega zemljevida hrbtenjače med okrevanjem po poškodbi je ekipa odkrila skrivnostno skupino nevronov, ugnezdenih na njenem obrobju. So nenavadni. Običajno ti nevroni niso potrebni za hojo. Toda v primerih poškodbe hrbtenjače po nekaj električnih sunkih začnejo delovati in se reorganizirajo v nove nevronske ceste, ki pomagajo obnoviti gibanje.
Natančno določanje teh nevronov ni le znanstvena radovednost. Če bi razumeli, kako delujejo, bi lahko izkoristili njihovo električno komunikacijo in notranje molekularno delovanje ter razvili še bolj sofisticirana zdravljenja paralize.
"Količina upanja, ki ga daje ljudem s poškodbo hrbtenjače, je neverjetna," je dejal Marc Ruitenberg z Univerze v Queenslandu, ki ni bil vključen v študijo.
Dr. Kee Wui Huang in Eiman Azim z Inštituta za biološke znanosti Salk, ki nista sodelovala pri študiji, rezultati kažejo, da je za reševanje poškodbe hrbtenjače treba upoštevati več zornih kotov: izboljšanje tehnologije vsadkov – srce prejšnjih prizadevanj – je le ena stran zgodbe. Razčlenjevanje nevrobiologije okrevanja je druga kritična polovica.
Nova študija To kaže "molekularni zemljevidi živčnega sistema z visoko ločljivostjo začenjajo zagotavljati slednje."
Premostitev vrzeli
Rad si predstavljam hrbtenjačo kot brnečo meddržavno avtocesto. Vsak del ima več manjših regionalnih živčnih poti, ki vodijo do različnih delov telesa. Kot glavni informacijski kanal hrbtenjača prenaša signale iz možganov v preostali del telesa. Hud padec, prometna nesreča ali športna poškodba lahko poškodujejo to avtocesto. Podobno kot cestna zapora tudi električni promet, ki pošilja ukaze mišicam – in prejema senzorične povratne informacije – ne more več teči skozi.
Kaj pa, če bi te udore cest lahko umetno premostili z vsadkom?
Pred približno pol desetletja so znanstveniki začeli eksperimentirati s tehniko, imenovano epiduralna električna stimulacija (EES). Naprava je izdelana iz več elektrod in je vstavljena tik nad skrajno zunanjo membrano, ki oklepa in ščiti hrbtenjačo. Deluje kot umetni most, ki obide poškodovano mesto. Nekaj sunkov lahko aktivira nevrone v zdravih delih hrbtenjače in odda signale do bližnjih živčnih poti.
Medtem ko je to eno redkih zdravljenj, ki je doseglo "izjemne spremembe v delovanju", se je EES soočil s številnimi neuspehi, sta povedala Huang in Azim. Ena je bila neoptimalna zasnova vsadkov, saj niso mogli ciljati na dele hrbtenjače, ki so bistveni za hojo. Druga je bila programska oprema, ki jo poganjajo algoritmi, ki niso stimulirali hrbtenjače na načine, ki bi posnemali njene naravne električne impulze. Ironično je, da so ti modeli morda "motili senzorične signale, ki spodbujajo okrevanje," sta povedala Huang in Azim.
Od moških do miši
Da bi razumeli, kako EES pomaga ljudem pri okrevanju od paralize, so v novi študiji uporabili neobičajen pristop: najprej so testirali napravo in vzorec stimulacije pri bolnikih s paralizo. Po potrditvi njihovega izboljšanja je ekipa nato poustvarila zdravljenje pri miših s podobnimi poškodbami, da bi ugotovila celice, odgovorne za okrevanje. Paradigma je radikalen odmik od običajnih raziskovalnih postopkov, ki se začnejo z mišjimi modeli, preden se preselijo v ljudi.
Toda ekipa pod vodstvom dr. Grégoire Courtine, profesor nevroznanosti na EPFL, in Jocelyne Bloch, nevrokirurginja v univerzitetni bolnišnici Lausanne (CHUV), imata svoje razloge. Obema znanstvenikoma boj proti paralizi ni tujec. Vodenje NeuroRestore programa, so bili v ospredju inženiringa hrbtenjačnih vsadkov, ki bolnikom pomagajo ponovno pridobiti mobilnost.
V tej študiji so najprej stimulirali devet ljudi s hudo ali popolno paralizo z EES kot del a klinično preskušanje. Šest jih je čutilo v nogah; ostali trije niso imeli nobenega. Dve skupini sta imeli vsajeno različno strojno opremo, pri čemer je prva prejela tisto, prilagojeno za zdravljenje bolečin, druga pa razvito posebej za spodbujanje hoje. Z uporabo vzorca stimulacije, podobnega običajnim signalom hrbtenjače, so udeleženci takoj izboljšali ali ponovno pridobili svojo sposobnost hoje s pomočjo robota, ki podpira njihovo težo. Z nadaljnjimi petimi meseci usposabljanja so se postopoma naučili podpirati lastno težo in s pomočjo lahko celo hodijo na prostem.
Ampak zakaj? Presenetljivo je skupina ugotovila, da je EES skupaj s fizično rehabilitacijo zmanjšal energijo, potrebno za dele hrbtenjače, ki nadzorujejo hojo. Namesto da bi vključil vse nevrone v hrbtenjači, se zdi, da je EES prilagojen le izbrani skupini nevronov – tistih, ki so ključnega pomena za pomoč pacientom pri ponovni shodi.
Molekularni zemljevid okrevanja
Kaj so ti skrivnostni nevroni?
Ko se je poglobila, je ekipa ponovno izvedla zdravljenje pri miših s paralizo (in da, vključevalo je po meri izdelanega robota v velikosti miške, ki je pomagal vzdrževati njihovo telesno težo.) Podobno kot ljudje so miši takoj ponovno pridobile sposobnost hoje z vklopljenim EES .
Ko so si opomogli, je ekipa vzela vzorce iz hrbtenjače in sekvencirala gene v več kot 80,000 posameznih celicah 24 miši, da bi ugotovila, kateri geni so bili aktivirani. Lokacija je bila ključna: raziskava je preslikala gene na podlagi lokacije vsake celice v hrbtenjači, kar je skupaj tvorilo prvi molekularni zemljevid okrevanja.
Morda mislite, da gre za velikansko zbirko podatkov. Na srečo je ekipa predhodno razvila algoritem strojnega učenjam, ki pomaga analizirati podatke. Bistvo was za uskladitev profilov izražanja genov z določenimi celicami v različnih bioloških situacijah. Ena posebna populacija celic se imenuje V2a je stal ven. Ti nevroni so bili vdelani v predel hrbtenjače, ki je še posebej pomemben za hojo, in čeprav pred poškodbo niso bili potrebni za hojo, se je zdelo, da so po EES povečali aktivnost.
Celice V2a so močni vratarji pri okrevanju hrbtenjače. V naslednjih testih je znižanje njihove aktivnosti z optogenetiko – načinom nadzora nevronov s svetlobo – prav tako zaviralo okrevanje hrbtenjače.
Kaže, da se lahko "nekatere vrste nevronov hrbtenjače, ki so po poškodbi izgubili svoje vnose iz možganov, 'ponovno prebudijo' ali spremenijo namen za obnovitev gibanja, če dobijo ustrezno kombinacijo stimulacije in rehabilitacije," sta povedala Huang in Azim.
Celice V2a so komaj srebrna palica za zdravljenje poškodb hrbtenjače in paralize. Študija je odkrila številne druge nevrone – z različnimi genetskimi podpisi – ki se aktivirajo z EES. Kako možgani obidejo poškodbo hrbtenjače, da bi obnovili svojo povezavo, je še globlja skrivnost. Ali isti nevroni pomagajo pri obnavljanju drugih vsakdanjih telesnih potreb - na primer nadzor mehurja in črevesja - še vedno ni znano, vendar je naslednji na seznamu ekipe za študij. V ta namen je glavni avtor zagnal startup, imenovan NAPREJ za začetek novega sojenja v naslednjih dveh letih.
Kreditno slike: geralt / 23803 slik
