Те, що було науковою фантастикою, тепер стає науковою реальністю: завдяки серії цілеспрямованих електричних ударів по спинному мозку дев’ять паралізованих людей негайно знову стали ходити за допомогою робота. Через п’ять місяців половині учасників більше не потрібні були ті застібки, щоб ходити.
Це речення звучить трохи знайомо? Самі по собі результати — хоч вони, безсумнівно, вражають і повністю змінюють життя — можуть здаватися старою новиною. Завдяки вдосконаленню конструкцій мозкових імплантатів за останнє десятиліття відбувся дивовижний прогрес у відновленні рухливості людей з паралічем. У 2018 році чоловік 29 років пройшов довжину цілого футбольного поля завдяки кільком ударам його спинного мозку після багатьох років паралічу від аварії на снігоході. Минулого року стимуляція спинного мозку допоміг кільком людям з повним паралічем, щоб прогулятися жвавим центром міста з ходунками та каяком у гладких водах.
Немає сумніву, що стимуляція спинного мозку перетворила колись непоправну травму на таку, яку тепер можна повернути назад. Але залишається відкритим питання: чому це працює?
A Нове дослідження in природа просто дав нам деякі підказки. Створюючи тривимірну молекулярну карту спинного мозку під час відновлення після травми, команда виявила таємничу групу нейронів, розташованих на його околиці. Вони своєрідні. Зазвичай ці нейрони не потрібні для ходьби. Але у випадках пошкодження спинного мозку після кількох електричних поштовхів вони активізуються, реорганізуючись у нові нейронні магістралі, які допомагають відновити рухи.
Точне визначення цих нейронів — це не просто наукова цікавість. Зрозумівши, як вони працюють, ми могли б підключитися до їх електричного зв’язку та внутрішньої молекулярної роботи, щоб розробити ще більш складні методи лікування паралічу.
«Людям із травмою спинного мозку це дає неймовірну надію» сказав Доктор Марк Руйтенберг з Університету Квінсленда, який не брав участі в дослідженні.
До доктора Кі Вуі Хуанг і Ейман Азім з Інституту біологічних наук Солка, які не брали участі в дослідженні, результати показують, що боротьба з травмою спинного мозку вимагає розгляду під різними кутами зору: удосконалення технології імплантації — суть попередніх зусиль — це лише одна сторона історії. Розбір нейробіології одужання є другою критичною половиною.
Нове дослідження показує, що «Молекулярні карти нервової системи з високою роздільною здатністю починають забезпечувати останнє».
Подолання розриву
Мені подобається уявляти спинний мозок у вигляді гудущої міждержавної дороги. Кожна ділянка має кілька менших регіональних нервових шляхів, які ведуть до різних частин тіла. Спинний мозок як основна інформаційна лінія передає сигнали від мозку до решти вашого тіла. Невдале падіння, автомобільна аварія чи спортивна травма можуть пошкодити цю дорогу. Подібно до блокпосту, електричний трафік, який надсилає команди м’язам і отримує сенсорний зворотний зв’язок, більше не може протікати.
Але що, якби ми могли штучно подолати ці обвали доріг за допомогою імплантату?
Приблизно півтора десятиліття тому вчені почали експериментувати з технікою під назвою епідуральна електрична стимуляція (EES). Пристрій складається з кількох електродів і вставляється трохи вище зовнішньої мембрани, яка інкапсулює та захищає спинний мозок. Він діє як штучний міст, який обходить ушкоджене місце. Декілька поштовхів можуть активувати нейрони в здорових частинах спинного мозку та передавати сигнали до найближчих нервових шляхів.
Незважаючи на те, що це одне з небагатьох методів лікування, яке досягло «значних змін у продуктивності», EES зіткнувся з численними невдачами, сказали Хуан і Азім. Одним з них була неоптимальна конструкція імплантатів, оскільки вони не могли націлити частини спинного мозку, необхідні для ходьби. Іншим було програмне забезпечення на основі алгоритмів, які не стимулювали спинний мозок таким чином, щоб імітувати його природні електричні імпульси. За іронією долі, ці конструкції могли "порушити сенсорні сигнали, які сприяють одужанню", - сказали Хуан і Азім.
Від чоловіків до мишей
Щоб зрозуміти, як EES допомагає людям одужати від паралічу, у новому дослідженні застосували неортодоксальний підхід: вони спочатку протестували пристрій і модель стимуляції у пацієнтів з паралічем. Після підтвердження їх покращення команда потім відтворила лікування на мишах із подібними травмами, щоб визначити клітини, відповідальні за відновлення. Парадигма є радикальним відхиленням від типових дослідницьких процесів, які починаються з моделей мишей, а потім переходять на людей.
Але команда, очолювана Drs. Грегуар Куртін, професор неврології в EPFL, і Джоселін Блох, нейрохірург з Університетської лікарні Лозанни (CHUV), мають свої причини. Обидва вчені не чужі для боротьби з паралічем. Ведучий NeuroRestore програми, вони були в авангарді розробки імплантатів спинного мозку, щоб допомогти пацієнтам відновити рухливість.
У цьому дослідженні вони вперше стимулювали дев’ятьох людей з важким або повним паралічем за допомогою EES як частину a клінічне випробування. У шістьох було якесь відчуття в ногах; інші троє не мали. Обом групам було імплантовано різне апаратне забезпечення: перша отримала адаптоване для знеболення, а друга розроблена спеціально для стимулювання ходьби. Використовуючи схему стимуляції, подібну до звичайних сигналів спинного мозку, учасники негайно покращили або відновили свою здатність ходити за допомогою робота, який підтримував їх вагу. Після ще п’яти місяців навчання вони поступово навчилися підтримувати власну вагу і навіть могли ходити на вулиці з допомогою.
Але чому? Дивно, але команда виявила, що EES разом із фізичною реабілітацією зменшує енергію, необхідну для частин спинного мозку, які контролюють ходьбу. Замість того, щоб задіяти всі нейрони спинного мозку, EES, здається, пристосовується лише до вибраної групи нейронів — тих, які мають вирішальне значення для того, щоб допомогти пацієнтам знову ходити.
Молекулярна карта відновлення
Що це за загадкові нейрони?
Копнувши глибше, команда повторно провела лікування на мишах з паралічем (і так, воно включало зробленого на замовлення робота розміром з мишу, щоб підтримувати вагу їхнього тіла). Подібно до людей, миші одразу відновили здатність ходити з увімкненою EES. .
Коли вони одужали, команда взяла зразки зі спинного мозку та секвенувала гени в понад 80,000 24 окремих клітин XNUMX мишей, щоб побачити, які гени були активовані. Розташування було ключовим: опитування відобразило гени на основі розташування кожної клітини в спинному мозку, що разом утворило першу молекулярну карту відновлення.
Ви можете подумати, що це бегемот бази даних. На щастя, команда раніше розробила алгоритм машинного навчанням, що допомагає аналізувати дані. суть waщоб узгодити профілі експресії генів з певними клітинами в різних біологічних ситуаціях. Одна конкретна популяція клітин званий V2a стояв поза. Ці нейрони були вбудовані в ділянку спинного мозку, яка особливо важлива для ходьби, і хоча вони не були потрібні для ходьби до травми, здавалося, активність підвищилася після EES.
Клітини V2a є потужними воротарями відновлення спинного мозку. У подальших тестах зниження їх активності за допомогою оптогенетики — способу керування нейронами за допомогою світла — також сповільнило відновлення спинного мозку.
Це показує, що «певні типи нейронів спинного мозку, які втратили свої вхідні дані від мозку після травми, можуть бути «пробуджені» або перепрофільовані для відновлення руху, якщо їм дати відповідну комбінацію стимуляції та реабілітації», — сказали Хуан і Азім.
Клітини V2a навряд чи є срібною кулею для лікування травм спинного мозку та паралічу. Дослідження виявило численні інші нейрони з різними генетичними ознаками, які активуються за допомогою EES. Як мозок обходить пошкодження спинного мозку, щоб відновити зв’язок, є ще більш глибокою загадкою. Чи допомагають ті самі нейрони відновлювати інші повсякденні потреби організму — наприклад, контроль над сечовим міхуром і кишечником — досі невідомо, але наступний у списку команди для вивчення. З цією метою провідний автор запустив стартап під назвою НАЗАД розпочати новий судовий розгляд протягом наступних двох років.
Зображення Фото: geralt / 23803 зображення
