Det som var science fiction är nu vetenskaplig verklighet: med en serie riktade elektriska drag till ryggmärgen gick nio förlamade personer omedelbart igen med hjälp av en robot. Fem månader senare behövde hälften av deltagarna inte längre dessa zaps för att gå.
Låter meningen lite bekant? I sig själva kan resultaten – även om de onekligen är imponerande och helt livsförändrande – verka som gamla nyheter. Tack vare förbättringar i design av hjärnimplantat har det senaste decenniet sett häpnadsväckande framsteg när det gäller att återställa rörligheten för personer med förlamning. 2018, en 29-årig man gick på längden av en hel fotbollsplan tack vare några drag till ryggmärgen, efter år av förlamning från en skoterolycka. Förra året, ryggmärgsstimulering hjälpte flera personer med fullständig förlamning att strosa runt i ett livligt centrumområde med rullator och kajak i jämna vatten.
Det råder ingen tvekan om att ryggmärgsstimulering förvandlade en en gång irreparabel skada till en som nu kan vändas. Men en hotande fråga kvarstår: varför fungerar det?
A ny studie in Natur gav oss bara några ledtrådar. Genom att bygga en molekylär 3D-karta över ryggmärgen när den återhämtar sig från skada, hittade teamet en mystisk grupp neuroner inbäddade i dess utkanter. De är märkliga. Normalt behövs inte dessa neuroner för att gå. Men i fall av ryggmärgsskada spricker de efter några elektriska stötar av aktivitet och omorganiseras till nya neurala motorvägar som hjälper till att återställa rörelser.
Att fastställa dessa neuroner är inte bara en vetenskaplig nyfikenhet. Genom att förstå hur de fungerar kunde vi utnyttja deras elektriska kommunikation och inre molekylära funktioner för att utveckla ännu mer sofistikerade behandlingar för förlamning.
"Mängden hopp som det ger människor med ryggmärgsskada är otroligt," sade Dr Marc Ruitenberg vid University of Queensland, som inte var involverad i studien.
Till Drs. Kee Wui Huang och Eiman Azim vid Salk Institute for Biological Sciences, som inte var inblandade i studien, visar resultaten att hantering av ryggmärgsskada kräver att man anammar flera vinklar: att förbättra implantattekniken – hjärtat i tidigare ansträngningar – är bara en sida av berättelsen. Att analysera neurobiologin för återhämtning är den andra kritiska hälften.
Den nya studien visar att "Högupplösta molekylära kartor över nervsystemet börjar ge det senare."
Att överbrygga klyftan
Jag gillar att föreställa mig ryggmärgen som en surrande mellanstatlig motorväg. Varje sektion har flera mindre regionala nervbanor som leder till olika delar av kroppen. Som den huvudsakliga informationen genomgående sänder ryggmärgen signaler från hjärnan till resten av din kropp. Ett dåligt fall, en bilolycka eller en sportskada kan skada den motorvägen. I likhet med en vägspärr kan den elektriska trafiken som skickar kommandon till musklerna – och tar emot sensorisk feedback – inte längre flöda igenom.
Men tänk om vi på konstgjord väg kunde överbrygga dessa vägkollapser med ett implantat?
För ungefär ett halvt decennium sedan började forskare experimentera med en teknik som kallas epidural elektrisk stimulering (EES). Enheten är gjord av flera elektroder och sätts in precis ovanför det yttersta membranet som kapslar in och skyddar ryggmärgen. Den fungerar som en konstgjord bro som går förbi den skadade platsen. Några stötar kan aktivera nervceller i de friska delarna av ryggmärgen och leverera signaler till närliggande nervbanor.
Även om det är en av få behandlingar som har uppnått "anmärkningsvärda förändringar i prestanda", har EES mött flera motgångar, säger Huang och Azim. En var suboptimal implantatdesign, eftersom de inte kunde rikta in sig på delar av ryggmärgen som var nödvändiga för promenader. En annan var programvara som drivs av algoritmer som inte stimulerade ryggmärgen på ett sätt som efterliknade dess naturliga elektriska pulser. Ironiskt nog kan dessa konstruktioner ha "stört sensoriska signaler som främjar återhämtning", sa Huang och Azim.
Från män till möss
För att komma till kärnan i hur EES hjälper människor att återhämta sig från förlamning, tog den nya studien ett oortodoxt tillvägagångssätt: de testade först en enhet och ett stimuleringsmönster hos patienter med förlamning. Efter att ha bekräftat deras förbättring, återskapade teamet sedan behandlingen på möss med liknande skador för att spika fast de celler som är ansvariga för återhämtning. Paradigmet är ett radikalt avsteg från typiska forskningsförfaranden, som börjar med mössmodeller innan de flyttar in i människor.
Men laget, ledd av Drs. Grégoire Courtine, neurovetenskapsprofessor vid EPFL, och Jocelyne Bloch, neurokirurg vid Lausanne University Hospital (CHUV), har sina skäl. Båda forskarna är inte främmande för att bekämpa förlamning. Leder NeuroRestore program har de legat i framkant när det gäller att konstruera ryggmärgsimplantat för att hjälpa patienter att återfå rörlighet.
I denna studie stimulerade de först nio personer med svår eller fullständig förlamning med EES som en del av en klinisk prövning. Sex hade någon känsla i benen; de andra tre hade ingen. De två grupperna fick olika hårdvara implanterad, där den första fick en anpassad för smärtbehandling och den andra utvecklade speciellt för att stimulera promenader. Med hjälp av ett stimuleringsmönster som liknar normala ryggmärgssignaler förbättrades eller återfick deltagarna omedelbart sin förmåga att gå, med hjälp av en robot för att stödja sin vikt. Efter ytterligare fem månaders träning lärde de sig gradvis att stödja sin egen vikt och kunde till och med gå utomhus med hjälp.
Men varför? Överraskande nog fann teamet att EES tillsammans med fysisk rehab minskade energin som behövs för delar av ryggmärgen som styr promenader. Istället för att engagera alla neuroner i ryggmärgen, verkar EES skräddarsy till bara en utvald grupp av neuroner - de som är avgörande för att hjälpa patienter att gå igen.
En molekylär karta över återhämtning
Vad är dessa mystiska neuroner?
Teamet grävde djupare och körde om behandlingen på möss med förlamning (och ja, den inkluderade en skräddarsydd robot i musstorlek för att hjälpa till att stödja deras kroppsvikt.) I likhet med människor återfick mössen omedelbart sin förmåga att gå med EES påslagen. .
När de återhämtade sig tog teamet prover från ryggmärgen och sekvenserade gener i över 80,000 24 individuella celler från XNUMX möss för att se vilka gener som aktiverades. Platsen var nyckeln: undersökningen kartlade generna baserat på varje cells placering i ryggmärgen, som tillsammans bildade den första molekylära kartan över återhämtning.
Du kanske tror att det är en gigantisk databas. Lyckligtvis hade teamet tidigare utvecklat en maskininlärningsalgoritmm som hjälper till att analysera data. Kruxet was för att matcha genuttrycksprofilerna till vissa celler i olika biologiska situationer. En speciell population av celler kallas V2a stod sig ut. Dessa neuroner var inbäddade i den region av ryggmärgen som är särskilt viktig för promenader, och även om de inte behövdes för att gå före skadan, verkade de öka med aktivitet efter EES.
V2a-celler är kraftfulla portvakter för återhämtning av ryggmärgen. I efterföljande tester dämpade sänkning av deras aktivitet med optogenetik - ett sätt att kontrollera neuroner med ljus - också ryggmärgens återhämtning.
Det visar att "vissa typer av ryggmärgsneuroner som har förlorat sina input från hjärnan efter skada kan "väckas igen" eller återställas för att återställa rörelse om de ges den lämpliga kombinationen av stimulering och rehabilitering, säger Huang och Azim.
V2a-celler är knappast en silverkula för att behandla ryggmärgsskador och förlamning. Studien fann många andra neuroner - med olika genetiska signaturer - som aktiveras med EES. Hur hjärnan kringgår ryggmärgsskada för att återuppbygga sin anslutning är ett ännu djupare mysterium. Huruvida samma neuroner hjälper till med att återställa andra vardagliga kroppsliga behov – blåsa och tarmkontroll, till exempel – är fortfarande okänt, men nästa på lagets lista att studera. För det ändamålet har huvudförfattaren lanserat en startup som heter FRAMÅT att starta en ny rättegång under de kommande två åren.
Image Credit: geralt / 23803 bilder
