Шажок для крысы и скачок для человечества
Российские нейрофизиологи в сотрудничестве с коллегами из-за рубежа создали технологию более точного и избирательного управления движениями крыс с тяжелыми травмами спинного мозга. Улучшенная технология позволяет добиться тонкой настройки электрической стимуляции, чтобы
максимально приблизить траекторию движения задних конечностей парализованных крыс (а в будущем — и людей) к таковой у здоровых особей.
«Разработан способ электростимуляции спинного мозга при параличах на основе управления сокращениями тех или иных групп мышц в реальном времени, созданы новые технологии имплантации, матрицы электродов и алгоритм стимуляции нейронных сетей с тонкой подстройкой на основе обратной связи от движений конечностей», — комментирует участник работы, доктор медицинских наук, профессор Павел Мусиенко, старший научный сотрудник лаборатории физиологии движений Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, руководитель лаборатории нейропротезов Института трансляционной биомедицины СПбГУ.
Принять командование подразделением в тылу врага
Повреждения спинного мозга вредят организму не меньше, чем разрыв телеграфных проводов на поле сражения: в результате нарушаются связи между высшими двигательными центрами, участвующими в регуляции движений, — «ставкой главнокомандования», и нейронными цепями спинного мозга — исполнительными структурами (не случайно рефлекторную дугу — путь, проходимый нервными импульсами, — физиолог Иван Павлов сравнивал с телефонной станцией). Армию в эпоху отсутствия беспроводной связи разрывы линии раскоординировали бы — или, говоря метафорически, парализовали. В организме же подобные травмы могут привести к двигательным расстройствам и параличу.
В данный момент не существует эффективной и общепризнанной методики, которая позволила бы восстановить разрушенные связи между нейронами.
Но техники нейромодуляции — попытки компенсировать невозможность общения со «штабом» при помощи создания «наместника», способного вести успешные боевые действия даже без связи с высшим руководством, управляя работой моторных нейронов спинного мозга с помощью электрических и химических сигналов, — стремительно совершенствуются. В основе этой идеи лежит мысль, что некоторые движения, в том числе ходьба, могут контролироваться силами нейронных сетей спинного мозга даже без участия головного.
Метод электрической нейромодуляции заключается в стимулировании нейронов электрическими сигналами с помощью специальных имплантатов. Электрическая нейромодуляция поясничного отдела спинного мозга улучшает контроль движений пояса нижних конечностей после повреждения спинного мозга у подопытных животных и людей. Однако, как сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature Medicine, физиологические механизмы, лежащие в основе этой процедуры, требуют дальнейшего изучения.
«Скрипка» и немножко нервно
В «Повести о настоящем человеке» летчик Мересьев сравнивает новый самолет, которым еще сложнее управлять с протезами вместо ног, со скрипкой. Современная наука склонна считать, что организм требует более тонкой настройки, чем этот инструмент.
Авторы статьи подчеркивают две основные проблемы, существовавшие до последнего времени. Первая из них заключается в том, что пространственное расположение эффективных точек стимуляции спинного мозга оставалось плохо изученным. Вторая проблема —
существующие методики используют постоянную стимуляцию, которая не опирается на пространственно-временную последовательность активации двигательных нейронов при нормальном функционировании спинного мозга.
Чтобы обойти эти препятствия, российские нейрофизиологи в сотрудничестве с исследовательскими группами из Швейцарии, Германии, Франции и Нидерландов предложили новую методику электрической стимуляции, которая воспроизводит естественную динамику активации моторных нейронов в процессе движения. Согласно гипотезе ученых, нейромодуляционный протокол, учитывающий точное расположение относящихся к конкретным мышцам двигательных нейронов и последовательное включение сигналов к мышцам-сгибателям и мышцам-разгибателям, должен повысить точность, ловкость и энергичность совершаемых движений.
Крысиное дефиле
Чтобы проверить гипотезу, ученые провели анатомические и функциональные эксперименты, визуализировав пространственно-временные паттерны (последовательности) активации двигательных нейронов нижних конечностей у здоровых крыс.
В ходе экспериментов сравнивались зарегистрированные с помощью специальных камер записи «походки» трех групп крыс: здоровых особей, грызунов с повреждениями спинного мозга, а также животных с повреждениями, компенсированными нейромодуляцией одного из типов. Животных заставляли бегать на специальной беговой дорожке на задних лапах, ходить на четырех конечностях и подниматься вверх по ступенькам.
Крысы, к которым применили технологии пространственно-временной нейромодуляции, справлялись с заданиями гораздо успешнее животных с постоянной нейромодуляцией, не варьирующейся во времени.
Их варианты «походки» лучше всего соответствовали принятым за образец записям «дефиле» сородичей, не страдающих от нарушений двигательных функций.
Было обнаружено, что в процессе ходьбы активируются сменяющие друг друга пространственно-ограниченные «горячие точки», лежащие в основе совместного действия мышц-сгибателей и мышц-разгибателей. Компьютерные модели определили оптимальные позиции для помещения электродов на основе обратной связи: с помощью подбора сигналов, исходящих от нервных окончаний. Эти сигналы воспринимают информацию от мышечно-суставных рецепторов, дающих нам представление о положении тела.
В двух шагах от человека
Новая методика была названа пространственно-временной нейромодуляцией, чтобы подчеркнуть точность введения электродов и последовательное включение электрических сигналов, приближенное к работе двигательных нейронов у здоровых крыс.
«Такая пространственно-временная нейромодуляция эффективно восстанавливала качество ходьбы, способности к поддержке веса тела, выносливость и координацию при локомоции у крыс с тяжелыми повреждениями спинного мозга», — комментирует свою работу профессор Павел Мусиенко.
Созданная технология позволяет с помощью пространственно-избирательных имплантатов и оборудования управлять в режиме реального времени группами мышц-сгибателей и разгибателей.
Пространственно-временные нейромодуляционные методики терапии повышают качество походки, способность справляться с весом собственного тела, выносливость и ловкость. Все это проверено в нескольких моделях на грызунах с травмами спинного мозга.
Прикладное значение открытия очевидно. По словам Павла Мусиенко, «методика открывает новые возможности как для фундаментальных исследований центральной нервной системы, так и для нейропротезирования при заболеваниях и травмах. Необходимо делать все возможное для скорейшей трансляции разработанных технологий в клинику. От поддержки государства и частных инвесторов во многом зависит то, как скоро в России удастся внедрить в лечебную практику успешно проверенные на животных нейрореабилитационные подходы».