Những gì từng là khoa học viễn tưởng giờ đây đã trở thành hiện thực khoa học: với một loạt các cú điện nhắm mục tiêu vào tủy sống, chín người bị liệt ngay lập tức đi lại được với sự trợ giúp của một người máy. Năm tháng sau, một nửa số người tham gia không còn cần những cú nhảy đó để đi bộ nữa.
Câu nói nghe có vẻ hơi quen thuộc? Tự bản thân họ, các kết quả — trong khi không thể phủ nhận là ấn tượng và hoàn toàn thay đổi cuộc sống — có vẻ như là một tin cũ. Nhờ những cải tiến trong thiết kế cấy ghép não, thập kỷ qua đã chứng kiến sự tiến bộ đáng kinh ngạc trong việc phục hồi khả năng vận động cho những người bị liệt. Năm 2018, một người đàn ông 29 tuổi đi bộ chiều dài của cả một sân bóng đá nhờ một vài cú đâm vào tủy sống của anh ấy, sau nhiều năm bị liệt do tai nạn xe trượt tuyết. Năm ngoái, kích thích tủy sống đã giúp một số người liệt hoàn toàn để đi dạo quanh khu vực trung tâm sầm uất với khung tập đi và chèo thuyền kayak trong vùng nước phẳng lặng.
Không còn nghi ngờ gì nữa, kích thích tủy sống đã biến một chấn thương từng không thể chữa khỏi thành một chấn thương giờ đây có thể đảo ngược. Nhưng vẫn còn một câu hỏi lờ mờ: tại sao nó hoạt động?
A Nghiên cứu mới in Thiên nhiên chỉ cho chúng tôi một số manh mối. Xây dựng một bản đồ phân tử 3D của tủy sống khi nó phục hồi sau chấn thương, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy một nhóm tế bào thần kinh bí ẩn ẩn náu ở vùng ngoại vi của nó. Họ thật đặc biệt. Thông thường, những tế bào thần kinh này không cần thiết cho việc đi bộ. Nhưng trong trường hợp chấn thương tủy sống, sau một vài cú sốc điện, chúng bùng nổ hoạt động, tổ chức lại thành các đường cao tốc thần kinh mới giúp phục hồi các cử động.
Xác định chính xác những tế bào thần kinh này không chỉ là một sự tò mò khoa học. Bằng cách hiểu cách chúng hoạt động, chúng ta có thể khai thác thông tin liên lạc điện và hoạt động phân tử bên trong của chúng để phát triển các phương pháp điều trị bệnh tê liệt tinh vi hơn nữa.
"Số lượng hy vọng mà nó mang lại cho những người bị tổn thương tủy sống là không thể tin được," nói Tiến sĩ Marc Ruitenberg tại Đại học Queensland, người không tham gia vào nghiên cứu.
Gửi Tiến sĩ. Kee Wui Huang và Eiman Azim tại Viện Khoa học Sinh học Salk, những người không tham gia vào nghiên cứu, kết quả cho thấy việc giải quyết chấn thương tủy sống đòi hỏi phải nắm bắt nhiều góc độ: cải tiến công nghệ cấy ghép—trung tâm của những nỗ lực trước đây—chỉ là một bên của câu chuyện. Phân tích cú pháp sinh học thần kinh của quá trình phục hồi là một nửa quan trọng khác.
Nghiên cứu mới Điều đó cho thấy “bản đồ phân tử có độ phân giải cao của hệ thống thần kinh đang bắt đầu cung cấp cái sau.”
Thu hẹp khoảng cách
Tôi thích hình dung tủy sống như một đường cao tốc liên bang ồn ào. Mỗi phần có nhiều đường thần kinh khu vực nhỏ hơn dẫn đến các phần khác nhau của cơ thể. Là tuyến thông tin chính, tủy sống truyền tín hiệu từ não đến phần còn lại của cơ thể bạn. Một cú ngã nặng, tai nạn ô tô hoặc chấn thương thể thao có thể làm hỏng đường cao tốc đó. Tương tự như chướng ngại vật, lưu lượng điện gửi lệnh đến các cơ—và nhận phản hồi cảm giác—không thể đi qua được nữa.
Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể bắc cầu nhân tạo những con đường bị sụp xuống bằng một chiếc máy cấy?
Khoảng nửa thập kỷ trước, các nhà khoa học đã bắt đầu thử nghiệm một kỹ thuật gọi là kích thích điện ngoài màng cứng (EES). Thiết bị này được làm bằng nhiều điện cực và được đưa vào ngay phía trên màng ngoài cùng bao bọc và bảo vệ tủy sống. Nó hoạt động như một cây cầu nhân tạo đi qua chỗ bị thương. Một vài cú xóc có thể kích hoạt các tế bào thần kinh trong các phần khỏe mạnh của tủy sống và truyền tín hiệu đến các đường dẫn thần kinh gần đó.
Huang và Azim cho biết, mặc dù đây là một trong số ít phương pháp điều trị đã đạt được “những thay đổi đáng kể về hiệu suất”, nhưng EES đã phải đối mặt với nhiều thất bại. Một là thiết kế cấy ghép dưới mức tối ưu, trong đó chúng không thể nhắm mục tiêu vào các phần của tủy sống cần thiết cho việc đi lại. Một phần mềm khác được cung cấp bởi các thuật toán không kích thích tủy sống theo cách bắt chước các xung điện tự nhiên của nó. Trớ trêu thay, những thiết kế đó có thể “làm gián đoạn các tín hiệu cảm giác giúp thúc đẩy quá trình phục hồi,” Huang và Azim cho biết.
Từ đàn ông đến chuột
Để tìm hiểu cốt lõi về cách EES giúp mọi người phục hồi sau khi bị liệt, nghiên cứu mới đã thực hiện một phương pháp không chính thống: trước tiên họ thử nghiệm một thiết bị và mô hình kích thích ở những bệnh nhân bị liệt. Sau khi xác nhận sự cải thiện của chúng, nhóm nghiên cứu sau đó đã tái tạo phương pháp điều trị ở những con chuột bị thương tương tự để đóng đinh các tế bào chịu trách nhiệm phục hồi. Mô hình này là một sự khởi đầu triệt để từ các quy trình nghiên cứu điển hình, bắt đầu với các mô hình chuột trước khi chuyển sang người.
Nhưng nhóm nghiên cứu, do Tiến sĩ. Grégoire Courtine, một giáo sư khoa học thần kinh tại EPFL, và Jocelyne Bloch, một nhà giải phẫu thần kinh tại Bệnh viện Đại học Lausanne (CHUV), đều có lý do của họ. Cả hai nhà khoa học đều không xa lạ gì với việc chống lại chứng tê liệt. Dẫn đầu Khôi phục thần kinh chương trình, họ đã đi đầu trong kỹ thuật cấy ghép tủy sống để giúp bệnh nhân lấy lại khả năng vận động.
Trong nghiên cứu này, lần đầu tiên họ kích thích chín người bị liệt nặng hoặc hoàn toàn bằng EES như một phần của thử nghiệm lâm sàng. Sáu có một số cảm giác ở chân của họ; ba cái còn lại không có. Hai nhóm được cấy ghép phần cứng khác nhau, nhóm đầu tiên nhận được một loại thích nghi để điều trị đau, và nhóm thứ hai được phát triển đặc biệt để kích thích đi bộ. Sử dụng một mô hình kích thích tương tự như tín hiệu tủy sống bình thường, những người tham gia ngay lập tức cải thiện hoặc lấy lại khả năng đi lại, với sự trợ giúp của một robot để hỗ trợ trọng lượng của họ. Với XNUMX tháng huấn luyện nữa, họ dần dần học được cách nâng đỡ trọng lượng của bản thân và thậm chí có thể đi bộ ngoài trời với sự trợ giúp.
Nhưng tại sao? Đáng ngạc nhiên, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng EES cùng với phục hồi thể chất làm giảm năng lượng cần thiết cho các phần của tủy sống kiểm soát việc đi lại. Thay vì thu hút tất cả tế bào thần kinh trong tủy sống, EES dường như chỉ điều chỉnh cho phù hợp với một nhóm tế bào thần kinh chọn lọc—những nhóm quan trọng giúp bệnh nhân đi lại được.
Bản đồ phục hồi phân tử
Những tế bào thần kinh bí ẩn này là gì?
Tìm hiểu sâu hơn, nhóm nghiên cứu điều trị lại phương pháp điều trị cho những con chuột bị liệt (và vâng, nó bao gồm một robot có kích thước bằng chuột tùy chỉnh để giúp hỗ trợ trọng lượng cơ thể của chúng.) Tương tự như con người, những con chuột ngay lập tức lấy lại khả năng đi lại khi bật EES. .
Khi họ hồi phục, nhóm nghiên cứu đã lấy mẫu từ tủy sống và giải trình tự các gen trong hơn 80,000 tế bào riêng lẻ từ 24 con chuột để xem gen nào đã được kích hoạt. Vị trí là chìa khóa: cuộc khảo sát đã lập bản đồ các gen dựa trên vị trí của từng tế bào trong tủy sống, chúng cùng nhau tạo thành bản đồ phân tử đầu tiên về sự phục hồi.
Bạn có thể nghĩ đó là một cơ sở dữ liệu khổng lồ. May mắn thay, trước đó nhóm đã phát triển một thuật toán học máym giúp phân tích dữ liệu. Mấu chốt was để khớp cấu hình biểu hiện gen với các tế bào nhất định trong các tình huống sinh học khác nhau. Một quần thể tế bào cụ thể gọi là V2a đứng ngoài. Những tế bào thần kinh này được nhúng vào vùng tủy sống đặc biệt quan trọng đối với việc đi bộ và mặc dù chúng không cần thiết để đi bộ trước khi bị thương, nhưng chúng dường như tăng hoạt động sau EES.
Tế bào V2a là những người canh gác mạnh mẽ để phục hồi tủy sống. Trong các thử nghiệm tiếp theo, việc giảm hoạt động của chúng bằng cách sử dụng di truyền quang học - một cách kiểm soát tế bào thần kinh bằng ánh sáng - cũng làm giảm sự phục hồi của tủy sống.
Nó cho thấy rằng “một số loại tế bào thần kinh tủy sống đã mất đầu vào từ não sau chấn thương có thể được 'đánh thức lại' hoặc tái sử dụng để khôi phục chuyển động nếu chúng được kết hợp kích thích và phục hồi thích hợp,” Huang và Azim cho biết.
Các tế bào V2a hầu như không phải là viên đạn bạc để điều trị chấn thương và tê liệt tủy sống. Nghiên cứu đã tìm thấy nhiều tế bào thần kinh khác — với các dấu hiệu di truyền đa dạng — kích hoạt bằng EES. Làm thế nào bộ não bỏ qua tổn thương tủy sống để xây dựng lại kết nối của chúng là một bí ẩn thậm chí còn sâu sắc hơn. Liệu các tế bào thần kinh tương tự có giúp khôi phục các nhu cầu cơ thể hàng ngày khác hay không — chẳng hạn như kiểm soát bàng quang và ruột — vẫn chưa được biết, nhưng tiếp theo trong danh sách nghiên cứu của nhóm. Để đạt được mục tiêu đó, tác giả chính đã thành lập một công ty khởi nghiệp có tên TRỰC TUYẾN để bắt đầu thử nghiệm mới trong hai năm tới.
Ảnh: geralt / 23803 hình ảnh
