สิ่งที่เป็นนิยายวิทยาศาสตร์กลายเป็นความจริงทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน: ด้วยชุดของกระแสไฟฟ้าที่กำหนดเป้าหมายไปที่ไขสันหลัง คนเป็นอัมพาต XNUMX คนเดินได้อีกครั้งทันทีด้วยความช่วยเหลือจากหุ่นยนต์ ห้าเดือนต่อมา ครึ่งหนึ่งของผู้เข้าร่วมไม่จำเป็นต้องใช้กล้ามเนื้อเหล่านั้นในการเดินอีกต่อไป
ประโยคฟังดูคุ้นเคยหรือไม่? ด้วยตัวของมันเอง ผลลัพธ์—ในขณะที่น่าประทับใจอย่างปฏิเสธไม่ได้และเปลี่ยนแปลงชีวิตอย่างสิ้นเชิง—อาจดูเหมือนเป็นข่าวเก่า ต้องขอบคุณการปรับปรุงในการออกแบบการปลูกถ่ายสมอง ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมามีความก้าวหน้าอย่างน่าทึ่งในการฟื้นฟูความคล่องตัวให้กับผู้ที่เป็นอัมพาต ในปี 2018 ชายวัย 29 ปี เดินตามความยาว ของทั้งสนามฟุตบอล ต้องขอบคุณกระดูกไขสันหลังที่มีเลือดออกเล็กน้อย หลังจากเป็นอัมพาตมานานหลายปีจากอุบัติเหตุรถเคลื่อนบนหิมะ ปีที่แล้ว กระตุ้นไขสันหลัง ช่วยคนหลายคน เป็นอัมพาตอย่างสมบูรณ์เพื่อเดินเล่นรอบ ๆ ย่านใจกลางเมืองที่พลุกพล่านพร้อมวอล์คเกอร์และเรือคายัคในน้ำเรียบ
ไม่ต้องสงสัยเลยว่าการกระตุ้นไขสันหลังเปลี่ยนอาการบาดเจ็บที่ครั้งหนึ่งแก้ไขไม่ได้ให้เป็นอาการบาดเจ็บที่สามารถย้อนกลับได้ แต่คำถามยังคงปรากฏอยู่: ทำไมมันถึงใช้งานได้?
A การศึกษาใหม่ in ธรรมชาติ เพิ่งให้เบาะแสแก่เรา การสร้างแผนที่โมเลกุล 3 มิติของไขสันหลังในขณะที่มันฟื้นตัวจากอาการบาดเจ็บ ทีมงานพบกลุ่มเซลล์ประสาทลึกลับที่อยู่บริเวณรอบนอกของมัน พวกมันแปลกประหลาด โดยปกติแล้ว เซลล์ประสาทเหล่านี้ไม่จำเป็นสำหรับการเดิน แต่ในกรณีของการบาดเจ็บไขสันหลัง หลังจากกระแทกด้วยไฟฟ้าไม่กี่ครั้ง ไขสันหลังจะระเบิดพร้อมกับกิจกรรมต่างๆ จัดระเบียบใหม่เป็นเส้นทางประสาทใหม่ที่ช่วยฟื้นฟูการเคลื่อนไหว
การระบุเซลล์ประสาทเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงความอยากรู้อยากเห็นทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น เมื่อเข้าใจวิธีการทำงานของพวกมัน เราสามารถใช้การสื่อสารทางไฟฟ้าและการทำงานของโมเลกุลภายในเพื่อพัฒนาวิธีการรักษาอัมพาตที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น
“ความหวังมากมายที่มอบให้กับผู้ที่มีอาการบาดเจ็บที่ไขสันหลังนั้นเหลือเชื่อมาก” กล่าวว่า Dr. Marc Ruitenberg จากมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์ ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษาวิจัยนี้
ถึง ดร. Kee Wui Huang และ Eiman Azim จาก Salk Institute for Biological Sciences ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษานี้ ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าการจัดการกับอาการบาดเจ็บที่ไขสันหลังนั้นต้องใช้หลายมุมด้วยกัน: การปรับปรุงเทคโนโลยีรากเทียมซึ่งเป็นหัวใจของความพยายามก่อนหน้านี้เป็นเพียงด้านเดียว ของเรื่องราว การวิเคราะห์ทางชีววิทยาของการฟื้นฟูเป็นอีกครึ่งที่สำคัญ
การศึกษาใหม่ แสดงให้เห็นว่า "แผนที่โมเลกุลความละเอียดสูงของระบบประสาทกำลังเริ่มให้สิ่งหลัง"
Bridging Gap
ฉันชอบวาดภาพไขสันหลังเป็นทางหลวงระหว่างรัฐที่พลุกพล่าน แต่ละส่วนมีทางเดินประสาทส่วนภูมิภาคที่เล็กกว่าหลายเส้นที่นำไปสู่ส่วนต่างๆ ของร่างกาย ไขสันหลังจะส่งสัญญาณจากสมองไปยังส่วนอื่นๆ ของร่างกายของคุณ การหกล้ม อุบัติเหตุทางรถยนต์ หรือการบาดเจ็บจากการเล่นกีฬาอาจทำให้ทางหลวงสายนั้นเสียหายได้ เช่นเดียวกับสิ่งกีดขวางบนถนน การจราจรทางไฟฟ้าที่ส่งคำสั่งไปยังกล้ามเนื้อ—และรับการตอบสนองทางประสาทสัมผัส—ไม่สามารถไหลผ่านได้อีกต่อไป
แต่ถ้าเราสามารถเชื่อมถนนที่พังถล่มลงมาด้วยรากเทียมได้ล่ะ?
ประมาณครึ่งทศวรรษที่แล้ว นักวิทยาศาสตร์เริ่มทดลองด้วยเทคนิคที่เรียกว่าการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าแก้ปวด (EES) อุปกรณ์นี้ทำจากอิเล็กโทรดหลายอันและเสียบไว้เหนือเมมเบรนชั้นนอกสุดที่ห่อหุ้มและปกป้องไขสันหลัง มันทำหน้าที่เป็นสะพานเทียมที่ข้ามจุดที่ได้รับบาดเจ็บ การกระแทกเล็กน้อยสามารถกระตุ้นเซลล์ประสาทในส่วนที่แข็งแรงของไขสันหลังและส่งสัญญาณไปยังเส้นประสาทในบริเวณใกล้เคียง
Huang และ Azim กล่าวว่า แม้ว่านี่จะเป็นหนึ่งในไม่กี่การรักษาที่ได้รับ "การเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพที่น่าทึ่ง" แต่ EES กลับประสบกับความพ่ายแพ้หลายครั้ง หนึ่งคือการออกแบบรากเทียมที่ไม่เหมาะสม โดยที่พวกเขาไม่สามารถกำหนดเป้าหมายส่วนของไขสันหลังที่จำเป็นต่อการเดินได้ อีกอันหนึ่งคือซอฟต์แวร์ที่ขับเคลื่อนโดยอัลกอริธึมที่ไม่ได้กระตุ้นไขสันหลังในลักษณะที่เลียนแบบคลื่นไฟฟ้าตามธรรมชาติของมัน แดกดันการออกแบบเหล่านั้นอาจมี "สัญญาณทางประสาทสัมผัสที่รบกวนซึ่งส่งเสริมการฟื้นตัว" Huang และ Azim กล่าว
จากผู้ชายถึงหนู
เพื่อเข้าถึงหัวใจของวิธีการที่ EES ช่วยให้ผู้คนฟื้นตัวจากอาการอัมพาต การศึกษาครั้งใหม่นี้ใช้วิธีการนอกรีต: พวกเขาได้ทดสอบอุปกรณ์และรูปแบบการกระตุ้นในผู้ป่วยที่เป็นอัมพาตเป็นครั้งแรก หลังจากยืนยันการปรับปรุงแล้ว ทีมงานจึงสร้างการรักษาขึ้นใหม่ในหนูที่มีอาการบาดเจ็บคล้ายกันเพื่อตอกย้ำเซลล์ที่รับผิดชอบในการฟื้นตัว กระบวนทัศน์นี้แตกต่างจากการดำเนินการวิจัยทั่วไปอย่างสิ้นเชิง ซึ่งเริ่มต้นด้วยแบบจำลองหนูก่อนที่จะย้ายเข้าสู่มนุษย์
แต่ทีมนำโดยดร. Grégoire Courtine ศาสตราจารย์ด้านประสาทวิทยาที่ EPFL และ Jocelyne Bloch ศัลยแพทย์ระบบประสาทที่โรงพยาบาลมหาวิทยาลัยโลซานน์ (CHUV) มีเหตุผลของพวกเขา นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองไม่ใช่คนแปลกหน้าในการต่อสู้กับโรคอัมพาต นำหน้า นิวโรรีสโตร์ พวกเขาอยู่ในระดับแนวหน้าของการปลูกถ่ายไขสันหลังทางวิศวกรรมเพื่อช่วยให้ผู้ป่วยสามารถเคลื่อนไหวได้อีกครั้ง
ในการศึกษานี้ ขั้นแรกได้กระตุ้นผู้ป่วย XNUMX รายที่เป็นอัมพาตขั้นรุนแรงหรือสมบูรณ์ด้วย EES โดยเป็นส่วนหนึ่งของa การทดลองทางคลินิก. หกมีความรู้สึกบางอย่างที่ขา อีกสามคนไม่มีเลย ทั้งสองกลุ่มมีการฝังฮาร์ดแวร์ที่แตกต่างกัน โดยกลุ่มแรกได้รับการดัดแปลงสำหรับการรักษาความเจ็บปวด และกลุ่มที่สองได้รับการพัฒนา เพื่อกระตุ้นการเดินโดยเฉพาะ. การใช้รูปแบบการกระตุ้นที่คล้ายกับสัญญาณไขสันหลังปกติ ผู้เข้าร่วมสามารถปรับปรุงหรือฟื้นความสามารถในการเดินได้ทันที โดยมีหุ่นยนต์ช่วยพยุงน้ำหนัก ด้วยการฝึกอีก XNUMX เดือน พวกเขาค่อยๆ เรียนรู้ที่จะพยุงน้ำหนักของตัวเอง และยังสามารถเดินกลางแจ้งได้ด้วยความช่วยเหลือ
แต่ทำไม? น่าแปลกที่ทีมงานพบว่า EES ร่วมกับการทำกายภาพบำบัดลดพลังงานที่จำเป็นสำหรับส่วนต่างๆ ของไขสันหลังที่ควบคุมการเดิน แทนที่จะใช้เซลล์ประสาททั้งหมดในไขสันหลัง ดูเหมือนว่า EES จะปรับให้เข้ากับเซลล์ประสาทบางกลุ่มเท่านั้น ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการช่วยให้ผู้ป่วยเดินได้อีกครั้ง
แผนที่โมเลกุลของการกู้คืน
เซลล์ประสาทลึกลับเหล่านี้คืออะไร?
เมื่อเจาะลึกลงไป ทีมงานได้ทบทวนการรักษาในหนูที่เป็นอัมพาต (และใช่ หุ่นยนต์ขนาดเท่าหนูที่สร้างขึ้นเองเพื่อช่วยพยุงน้ำหนักตัวของหนู) คล้ายกับมนุษย์ หนูสามารถกลับมาเดินได้ทันทีเมื่อเปิด EES .
เมื่อพวกเขาฟื้นตัว ทีมได้เก็บตัวอย่างจากไขสันหลังและจัดลำดับยีนในเซลล์มากกว่า 80,000 เซลล์จากหนู 24 ตัว เพื่อดูว่ายีนใดถูกกระตุ้น ตำแหน่งคือกุญแจสำคัญ: การสำรวจทำแผนที่ยีนโดยพิจารณาจากตำแหน่งของเซลล์แต่ละเซลล์ในไขสันหลัง ซึ่งรวมกันเป็นแผนที่โมเลกุลแรกของการฟื้นตัว
คุณอาจกำลังคิดว่ามันเป็นกลุ่มใหญ่ของฐานข้อมูล โชคดีที่ทีมได้พัฒนาอัลกอริธึมการเรียนรู้ด้วยเครื่องมาก่อนm ที่ช่วยวิเคราะห์ข้อมูล ประเด็นสำคัญ waเพื่อจับคู่โปรไฟล์การแสดงออกของยีนกับเซลล์บางเซลล์ในสถานการณ์ทางชีววิทยาที่แตกต่างกัน ประชากรเซลล์หนึ่งกลุ่ม ที่เรียกว่า V2a ยืนอยู่ ออก. เซลล์ประสาทเหล่านี้ถูกฝังอยู่ในบริเวณไขสันหลังซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเดิน และแม้ว่าเซลล์ประสาทเหล่านี้จะไม่จำเป็นสำหรับการเดินก่อนที่จะเกิดการบาดเจ็บ แต่ดูเหมือนว่าจะเพิ่มขึ้นพร้อมกับกิจกรรมหลังจาก EES
เซลล์ V2a เป็นผู้เฝ้าประตูที่มีประสิทธิภาพในการฟื้นตัวของไขสันหลัง ในการทดสอบครั้งต่อๆ ไป การลดกิจกรรมลงโดยใช้ออปโตเจเนติกส์ ซึ่งเป็นวิธีการควบคุมเซลล์ประสาทด้วยแสง ยังทำให้การฟื้นตัวของไขสันหลังลดลงด้วย
Huang และ Azim กล่าวว่า "เซลล์ประสาทไขสันหลังบางประเภทที่สูญเสียการรับข้อมูลจากสมองหลังจากได้รับบาดเจ็บสามารถ 'ปลุกใหม่' หรือนำมาใช้ใหม่เพื่อฟื้นฟูการเคลื่อนไหวได้ หากได้รับการกระตุ้นและฟื้นฟูร่วมกันอย่างเหมาะสม" Huang และ Azim กล่าว
เซลล์ V2a แทบจะเป็นกระสุนเงินสำหรับรักษาอาการบาดเจ็บไขสันหลังและอัมพาต การศึกษาพบเซลล์ประสาทอื่น ๆ จำนวนมากซึ่งมีลายเซ็นทางพันธุกรรมที่หลากหลายซึ่งเปิดใช้งานด้วย EES วิธีที่สมองผ่านอาการบาดเจ็บที่ไขสันหลังเพื่อสร้างการเชื่อมต่อใหม่นั้นเป็นปริศนาที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น ไม่ว่าเซลล์ประสาทตัวเดียวกันจะช่วยฟื้นฟูความต้องการทางร่างกายในชีวิตประจำวันอื่นๆ เช่น การควบคุมกระเพาะปัสสาวะและลำไส้หรือไม่ก็ตาม ยังไม่ทราบแน่ชัด แต่จะอยู่ในรายชื่อของทีมที่จะศึกษาต่อไป ด้วยเหตุนี้ผู้เขียนหลักจึงเปิดตัวการเริ่มต้นที่เรียกว่า ต่อไปข้างหน้า เพื่อเริ่มการพิจารณาคดีใหม่ในอีกสองปีข้างหน้า
เครดิตภาพ: geralt / 23803 ภาพ
