За допомогою введення хімічних речовин впливають на нейрональні рецептори, викликаючи певні ефекти збудження або гальмування нейронів спинного мозку нижче рівня ушкодження.
При паралічі можна електричним струмом стимулювати сенсорні волокна спинного мозку і через них - спинальні нейрони (А). Завдяки електричної стимуляції (ЕС) тварина з пошкодженням спинного мозку може ходити (Б).
Рухові навички при паралічі можна тренувати за допомогою спеціально сконструйованої робототехнической системи. Робот при необхідності підтримує і контролює переміщення тварини за трьома напрямками (x, y, z) і навколо вертикальної осі (φ
Мультисистемная нейрореабілітація (специфічна тренування + електрохімічна стимуляція) відновлює довільний контроль рухів за рахунок утворення нових міжнейронних зв'язків в спинному мозку і в стовбурі головного мозку.
Для електричної стимуляції декількох сегментів спинного мозку і багатокомпонентної фармакологічної стимуляції специфічних нейрональних рецепторів на спінальних мережах можуть бути створені спеціальні нейропротез - набір електродів і хемотродов.
Травми спинного мозку рідко супроводжуються повним анатомічним перервою. Решта неушкодженими нервові волокна можуть сприяти функціональному відновленню.
<
>
Традиційна нейрофізіологічна картина управління рухом відводила спинному мозку функції каналу, по якому поширюються нервові імпульси, що зв'язують головний мозок з тілом, і примітивного рефлекторного контролю. Однак дані, накопичені нейрофізіологи останнім часом, змушують переглянути цю скромну роль. Нові технології дослідження дозволили виявити в спинному мозку численні мережі його «власних» нейронів, спеціалізованих на виконанні найскладніших рухових завдань, таких як координована ходьба, збереження рівноваги, контроль швидкості і напряму при русі.
Чи можна використовувати ці нейронні системи спинного мозку для відновлення рухових функцій у людей, паралізованих в результаті спінальної травми?
При травмі спинного мозку пацієнт втрачає рухові функції тому, що порушується або повністю розривається зв'язок між головним мозком і тілом: сигнал не проходить, і нижче місця пошкодження не відбувається активації рухових нейронів. Так, травма шийного відділу спинного мозку може призвести до паралічу і втрати функцій рук і ніг, так званої тетраплегии, а травма грудного відділу - до параплегії, знерухомлення тільки нижніх кінцівок: як якби підрозділи якоїсь армії, самі по собі функціональні і боєздатні, виявилися відрізані від штабу і припинили отримувати команди.
Але головне зло спінальної травми в тому, що будь-які стійкі зв'язки, що з'єднують нейрони в стабільні функціональні мережі, деградують, якщо їх не активувати знову і знову. З цим феноменом добре знайомі ті, хто давно не катався на велосипеді або не грав на фортепіано: багато рухові навички втрачаються, якщо їх не використовують. Точно так же за відсутності активують сигналів і тренування починають з часом розпадатися спеціалізовані на русі нейронні мережі спинного мозку. Зміни стають незворотними: мережа «розучується» рухатися.
Чи можна цьому запобігти? Відповідь, яку дає сучасна нейрофізіологія, обнадіює.
Нейрони взаємодіють один з одним послідовно, по ланцюжку, виробляючи хімічні речовини - медіатори різного типу. При цьому в головному мозку зосереджена більша частина нейронів, що використовують в якості сигнального «мови» досить добре вивчені моноаминергических медіатори: серотонін, норадреналін, допамін.
На нейронних мережах навіть пошкодженого спинного мозку залишаються рецептори, здатні цей сигнал сприймати. Отже, можна спробувати активувати спинальні мережі за допомогою відповідних моноаминергических препаратів, вводячи їх в нервову тканину спинного мозку ззовні.
Ця обставина лягло в основу експериментів по хімічній стимуляції.
У 2008 році разом з групою дослідників з Університету Цюріха (Швейцарія) ми спробували активувати спинальні нейронні мережі, що відповідають за рух, «саджаючи» на зберiгання рецептори спінальних нейронів речовини, відповідні моноаминергических медіаторів. Ці препарати повинні були служити джерелом сигналу, що активує нейронні мережі спинного мозку і запобігає їх деградацію. Результат експерименту виявився позитивним, більш того, були знайдені оптимальні поєднання моноаминергических ліків для поліпшення функції ходьби і балансу. Робота опублікована в 2011 році в журналі «Neuroscience».
Спинний мозок відрізняє висока системна нейрональная пластичність: його нейронні мережі здатні поступово «запам'ятовувати» ті завдання, які їм доводиться виконувати регулярно. Регулярне вплив на певні сенсорні і моторні шляхи при рухових тренуваннях покращує роботу цих нейронних шляхів і відновлює здібності до виконання тренованих функцій.
Але якщо нейронні мережі спинного мозку можна тренувати, то чи не можна їх чому-небудь «навчити» - наприклад, за допомогою стимуляції пошкодженого спинного мозку і рухової тренування домогтися такої функціональної перебудови його нейронних мереж, яка б з більшим чи меншим успіхом контролювала рухову активність самостійно , у відриві від «головного штабу» - головного мозку?
Щоб відповісти на це питання, ми спробували поєднати хімічну Нейростімуляція з електричної. Ще в 2007 році спільні експерименти російських і американських нейрофізіологів показали, що якщо на поверхню спинного мозку щура помістити електроди, то електричне поле навколо активного електрода може порушувати проводять спинальні структури. Оскільки в експерименті використовувалися дуже невеликі струми, в першу чергу активувалися найбільш збудливі тканини поблизу електрода: товсті провідні волокна задніх спинномозкових корінців, передають сенсорну інформацію від рецепторів тканин кінцівок до нейронів спинного мозку. Така електростимуляція дозволяла активізувати рухові функції у спінальних тварин.
Комбінування електростимуляції, хімічної стимуляції і рухової тренування дало прекрасний результат. При повному розриві зв'язків спинного мозку з головним «сплячі» спинальні нейронні мережі вдавалося перетворити в високо функціонально активні. Паралізованим тваринам вводили нейрофармакологічні препарати, їх спинний мозок стимулювали в двох сегментах, і постійно проводилися тренування функції ходьби. В результаті через кілька тижнів тварини показували руху, близькі до нормальних, і могли адаптуватися до зміни швидкості і напряму пересування.
У перших експериментах дослідники тренували тварин, використовуючи бігову доріжку і біомеханічну систему, яка допомагала тварині тримати тіло у висячому положенні, але не дозволяла рухатися вперед. Нещодавно, в 2012 році, в журналах «Science» і «Nature Medicine» опубліковані результати спільних досліджень Університету Цюріха і Інституту фізіології ім. І. П. Павлова РАН, в яких ми застосували робототехнический підхід.
Спеціальний робот дає щура можливість вільно пересуватися, при необхідності підтримуючи і контролюючи її переміщення по трьох напрямках (x, y, z). Причому сила впливу за різними осях може змінюватися в залежності від експериментальної завдання і власних рухових здібностей тварини. У робототехнической установці використані м'які еластичні приводи і спіралі, які усувають інерційний вплив силових впливів на живий об'єкт. Це дає можливість застосовувати установку в поведінкових дослідах. Робот випробуваний на експериментальній моделі паралізованою щури з ушкодженнями протилежних половин спинного мозку на рівні різних спинномозкових сегментів. Зв'язок між головним і спинним мозком була повністю перерваний, однак зберігалася можливість проростання нових нервових волокон між лівою і правою частинами спинного мозку. (Дана модель має схожість з ушкодженнями спинного мозку у людей, які найчастіше є анатомічно неповними.) Комбінація тренування в робототехнической системі з багатокомпонентної хімічної та електричної стимуляцією спинного мозку дозволила таким тваринам ходити вперед по прямій, переступати через перешкоди і навіть підніматися по сходах. У щурів з'явилися нові міжнейронні зв'язки в області пошкодження спинного мозку і відновився довільний контроль рухів.
Так народилася ідея електрохімічних нейропротез для імплантації в спинний мозок і управління спінальних мережами. Через спеціальні канали імплантату можна вводити ліки, які діють на відповідні рецептори і імітують модулирующий нервовий сигнал, перерваний після травми. Матриця електродів стимулює сенсорні входи різних сегментів і через них активує окремі популяції нейронів, щоб таким чином викликати певні рухи.
Стандартний клінічний підхід лікування пацієнтів з важкими спінальних травмами направлений на запобігання подальших вторинних ушкоджень нервової системи, соматичних ускладнень паралічу, на психологічну допомогу паралізованим хворим і навчання їх використання решти функцій. Відновлювальна терапія втрачених моторних навичок при важких ушкодженнях спинного мозку не тільки можлива, а й необхідна.
Експериментальна робота над хімічним нейропротез поки не зробила крок далі лабораторних досліджень над тваринами, але в 2011 році авторитетний медичний журнал «The Lancet» дав яскраву ілюстрацію того, на що здатна стимулююча терапія по відношенню до людей. Журнал опублікував результати клініко-експериментальної роботи з використанням електричної стимуляції спинного мозку. Нейрофізіологи і лікарі з США та Росії показали, що регулярне тренування певних моторних навичок у поєднанні з епідуральної стимуляцією спинного мозку відновлювала рухові здібності у пацієнта c повної моторної параплегией, тобто повною втратою контролю над рухом. Лікування покращило функції стояння і підтримки ваги тіла, елементи локомоторною активності і часткового довільного контролю рухів під час стимуляції.
В результаті тренування і стимуляції вдалося не тільки активувати нейронні мережі нижче рівня ушкодження, а й певною мірою відновити зв'язок між головним мозком і спінальних моторними центрами - вже згадана нейропластічності спинного мозку зробила можливим утворення нових нейронних зв'язків, «обходять» місце травми.
Експериментальні та клінічні дослідження показують високу ефективність стимуляції спинного мозку і тренування після важкої вертеброспінальній травми. Хоча вже отримані успішні результати стимуляції спинного мозку у пацієнтів з найсильнішим паралічем, основна частина дослідницької роботи ще попереду. Крім того, слід розробити спинальні імплантати для електрохімічної стимуляції і знайти оптимальні алгоритми їх використання. На все це зараз спрямовані активні зусилля провідних лабораторій світу. Сотні самостійних і міжлабораторних дослідних проектів присвячені досягненню цих цілей. Залишається сподіватися, що в результаті спільних зусиль світових наукових центрів в загальноприйняті клінічні стандарти увійдуть більш ефективні методи лікування паралізованих хворих.
Чи можна використовувати ці нейронні системи спинного мозку для відновлення рухових функцій у людей, паралізованих в результаті спінальної травми?Чи можна цьому запобігти?
