Встань и иди!
Крысиные бега
Александр Телишев, «Русская планета»
Швейцарские нейрофизиологи и их российские коллеги объявили в среду, 24 сентября, о создании системы электрохимической стимуляции спинного мозга, которая позволяет вернуть полную свободу движений ног крысам, парализованным из-за разрыва позвоночника. Ученые планируют уже следующим летом проверить эту технологию, позволяющую полностью контролировать движения ног при помощи компьютера, на добровольцах. Результаты опытов на грызунах были опубликованы в журнале Science Translational Medicine (Wenger et al., Closed-loop neuromodulation of spinal sensorimotor circuits controls refined locomotion after complete spinal cord injury).
«Я хочу подчеркнуть, что мы с моей командой не заявляем, что нашли способ лечения паралича. Мы просто собрали все необходимые научные данные и инструменты для того, чтобы адаптировать терапию, которую проверили на крысах, для возвращения подвижности людям при помощи нашей инновационной технологии адаптированной походки. Надеемся, что начнем клинические испытания уже следующим летом», – рассказывает Грегуар Куртин из Федерального политехнического института Швейцарии в Лозанне.
Как правило, повреждение позвоночника в результате автокатастроф, падений и прочих несчастных случаев приводит к тому, что человек теряет подвижность ног, рук или всего тела. За последние десять лет ученые разработали более дюжины потенциальных способов излечения паралича, часть из которых использует для этих целей стволовые клетки, тогда как другие опираются на электрическую стимуляцию нейронов или более экзотические приемы. К примеру, в августе 2014 года японские нейрофизиологи представили миру оригинальную методику возвращения подвижности ног, подключив их к рукам при помощи особого чипа.
Куртин и его коллеги, в том числе российский физиолог Павел Мусиенко из Института физиологии РАН в Петербурге, пытаются решить эту задачу на протяжении почти шести лет. Швейцарский биолог заинтересовался этой проблемой еще в 2009 году после того, как заметил, что изолированные фрагменты спинного мозга в позвоночниках нескольких парализованных крыс «ожили» и начали самостоятельно контролировать движение ног животного при электрической и химической стимуляции их нейронов.
Схема эксперимента. Источник: Swiss Federal Institute of Technology (EPFL)
Данные движения не были осознанными, ноги грызунов начинали идти только в том случае, если ученые помещали их на беговую дорожку и животное не могло контролировать их работу. Тем не менее данный факт натолкнул швейцарского нейрофизиолога и его единомышленников на мысль, что комбинированная электрохимическая стимуляция может помочь парализованным обрести свободу движений.
В 2012 году группа Куртина совершила первый серьезный прорыв – им удалось избавить от паралича крыс, чей спинной мозг был поврежден лишь частично. Это стало возможным благодаря тому, что ученые буквальным образом обманули своих подопечных – они создали особого робота, который поддерживал тело крысы и не давал ей потерять равновесие.
Роботизированная упряжка создавала иллюзию того, что позвоночник животного в полном порядке и что грызун самостоятельно контролирует свои движения. Этот самообман постепенно перепрограммировал неповрежденные части спинного мозга и заставлял их передавать команды движения, поступающие из черепной коробки, в нейроны ног.
В следующих экспериментах Куртин и его коллеги попытались пойти дальше и начали искать способы восстановить связи между двумя половинками спинного мозга, которые были полностью отделены друг от друга. Во время этих опытов биологи периодически подключали к изолированному фрагменту позвоночника электроды, изучая работоспособность тех нервных центров, что управляют движением задних лап крыс.
«Мы проводили эксперименты с крысами, чей спинной мозг был разделен на две части, одна из которых никаким образом не была соединена с головным мозгом, в результате чего животное было полностью парализовано. Для того чтобы вернуть подвижность грызунам, мы использовали два компонента – коктейль из специальных лекарств и электростимуляцию. Мы разработали технологии, которые позволяют следить за движением животного в режиме реального времени и корректировать импульсы, поступающие в спинной мозг. Это позволяет крысе не только ходить, но и взбираться по лестнице, и делать другие сложные движения», – поясняет швейцарский биолог.
Когда авторы статьи завершили проверку нескольких крыс, они неожиданным для себя образом обнаружили, что меняя частоту и силу электрической стимуляции позвоночника, можно управлять тем, насколько высоко поднимаются ноги животных и какие движения они будут совершать. Этот факт натолкнул их на простую в исполнении и, как оказалось, чрезвычайно эффективную идею – они попытались скопировать те импульсы, при помощи которых мозг здоровых грызунов контролирует движение ног.
Для этого Куртин и его коллеги начали следить за активностью нервных клеток в позвоночнике здоровых крыс и движением ног, используя особые наклейки-метки и набор из 14 инфракрасных камер. Когда ученые накопили достаточное количество информации по движениям ног и связанным с ними импульсами в нервных клетках, они разработали самообучающийся компьютерный алгоритм, способный управлять работой двигательных нейронов в изолированном участке спинного мозга животного.
«Мы получили полный контроль над работой задних лап крысы. Грызун не может самостоятельно управлять их движением, но оторванную часть спинного мозга можно включить заново и заставить животное ходить. Мы можем в режиме реального времени менять то, как и в каком направлении крыса двигается вперед и как высоко она поднимает свои лапы», – объясняет Куртин.
Данная программа позволила ученым не только управлять движением грызуна по прямой линии, но и дала им возможность заставлять животное взбираться по лестнице и совершать другие сложные движения. Что интересно, компьютерный «дирижер» ног не уступает по скорости своей работе мозгу крысы – он отправляет команду на движение в спинной мозг и корректирует все возникающие в процессе их исполнения ошибки всего за 20 миллисекунд. Этот алгоритм, как отмечают нейрофизиологи, можно использовать не только для превращения животных в своеобразных «зомби», но и для подключения их мозга к поврежденной части позвоночника или управления движением своих собственных ног при помощи джойстиков или других контроллеров.
Сегодня Куртин и его коллеги работают над адаптацией этой технологии, которую они назвали ActiveGait, для возвращения подвижности добровольцам с частично поврежденным позвоночником. В этом им помогает госпиталь университета Лозанны, выделивший им отдельное помещение, в котором будут размещены увеличенные версии роботизированной «упряжки», беговой дорожки и набор из инфракрасных камер нового поколения. Как надеются авторы статьи, следующим летом им удастся собрать необходимые данные для приспособления их алгоритма.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
25.09.2014