Новий гнучкий імплантат-стимулятор дозволяє підтримувати спинний мозок в робочому стані.
При травмах хребта людина повністю або частково втрачає рухливість - відбувається це через те, що порушуються провідні нервові шляхи в спинному мозку, що передають накази від головного мозку до м'язів. Однак сам спинний мозок вже давно ніхто не розглядає як звичайний «електропровід», просто передає нейрохимические імпульси від «керівного органу» до «виконавцям». Спинномозкові нейрони утворюють досить складні спеціалізовані мережі, відповідальні за збереження рівновагу, координацію при ходьбі, контролюючі швидкість і напрямок руху і т. Д. Отримуючи інформацію від м'язів і шкіри, нейронні мережі спинного мозку можуть вносити поправки в рухову програму, коригуючи її в залежності від відчуттів.
Субдуральний спинномозкової імплантат. (Фото EPFL.)
Місце вживлення імплантату щура з пошкодженим спинним мозком і схема самого імплантату. (Малюнок: Павло Мусієнко, Інститут фізіології ім. Павлова / EPFL.)
Схема вертебрального ортоза, що фіксує хребці для вживлені імплантату. (Малюнок Павло Мусієнко, Інститут фізіології ім. Павлова / EPFL.)
М'який субдуральний імплантат на спинному мозку. (Малюнок Павло Мусієнко, Інститут фізіології ім. Павлова / EPFL.)
<
>
Очевидно, що здатність людини або тварини управляти своїми рухами залежить не тільки від контактів спинномозкових нейронів з центрами головного мозку, але і від цілісності таких ось мереж в самому спинному мозку. Якщо ж нейрони спинного мозку довго залишаються без діла, то зв'язку між ними деградують, і рухові ланцюжка розпадаються. В принципі, якщо хребет отримав часткову травму і не всі спинномозкові шляхи зруйновані, то головний мозок може налагодити зв'язок через інші нервові «проводи», що залишилися неушкодженими. Однак розпад внутрішніх мереж все одно залишить м'язи в нерухомості: сигнали з головного мозку будуть приходити в невпорядкованих систему нейронів.
Але якщо підтримувати спинний мозок в робочому стані, якось стимулювати його, то нервові ланцюги, може бути, збережуться? Дійсно, обробка спинного мозку аналогами нейромедіаторів запобігала деградацію рухових мереж. Більш того, спинномозкові нейрони виявилося можливим навчити працювати майже автономно, без допомоги головного мозку, поєднуючи електричну і хімічну стимуляції. Рухові ланцюжка спинного мозку можуть запам'ятовувати процедури, які їм доводиться виконувати регулярно, і при належному тренуванні і підборі стимулюючих сигналів вони цілком можуть самі виконувати досить складну координацію рухів.
Детально про таких розробках ми вже писали: в журналі «Наука і життя» №12 за 2012 рік була опублікована стаття Павла Мусієнко - доктора медичних наук, старшого наукового співробітника лабораторії фізіології рухів з петербурзького Інституту фізіології ім. І.П. Павлова РАН. Він і його колеги з Росії та Швейцарії вже не перший рік займаються тим, що намагаються повернути травмованому спинному мозку здатність контролювати руху. Два роки тому дослідники повідомляли про розроблений ними робототехнічні підході: спеціальна конструкція, яка давала можливість щура тренуватися, разом з багатокомпонентної хімічної та електричної стимуляцією спинного мозку в результаті дозволила тваринам із зіпсованим спинним мозком ходити вперед по прямій, переступати через перешкоди і навіть підніматися по сходах.
Але легко сказати - «електрохімічна стимуляція»; на ділі ж варто уявити собі, що таке спинний мозок, щоб зрозуміти, наскільки складна це завдання - домогтися ефективного і безпечного впливу на спинномозкові нейронні мережі. Рішення прийшло з ідеєю, яка народилася у Павла Мусієнко кілька років тому - використовувати для стимуляції спинного мозку м'який субдуральний електрохімічний нейропротез, чого, до речі, до цих пір нікому не вдавалося зробити. Слово «субдуральний» означає, що він розташований під твердої мозкової оболонки, званої dura mater. Як відомо, у головного і спинного мозку є кілька захисних оболонок, і dura mater з них сама верхня. Якби вдалося поставити імплантат-стимулятор під неї, то ми б змогли встановити більш повний контакт пристрою зі спинним мозком, і, наприклад, якісь хімічні засоби можна було б вводити локально, не звертаючи уваги на гематоенцефалічний бар'єр, що захищає головний і спинний мозок від розчинених в крові потенційно небажаних речовин. Тобто в імплантаті повинні були бути не тільки електроди, а й особливі канали (хемотроди), що дозволяють передавати до нейронам хімічні стимулятори.
Але спинний мозок схильний до постійних фізичних деформацій: ми ходимо, раз у раз повертаємося з боку в бік, нахиляється і розгинається. Як зробити, щоб імплантат при таких рухах не зашкодив нервову тканину? Як взагалі зробити так, щоб імплантат не дратував спинний мозок? Для цього використовували технологію м'яких електродів: в Федеральної політехнічної школи Лозанни (Швейцарія) була створена гнучка полімерна основа для імплантату, самі ж електроди зробили з силіконово-платинових наночастинок. До електродів вели «проводу» з золота - метал був покладений шарами товщиною 35 нанометрів, причому в шари спеціально вносили тріщини, щоб забезпечити гнучкість і еластичність «проводів»; виходила щось на зразок сітки з перекриваються осередками. Все разом назвали e-dura - електронна dura mater.
Однак такий імплантат повинен мати вихід назовні, адже НЕЙРОХІМІЧНІ стимуляція надходить в спинний мозок ззовні. І тут тільки гнучкість самого імплантату не рятує, оскільки він все одно буде ламатися, а заодно і пошкоджувати нервову тканину. Проблему вирішили за допомогою запропонованого Павлом Мусієнко пристосування, що фіксує хребці в місці входу імплантату в хребетний канал. Це пристосування називається вертебральний ортоз, і його можна порівняти з входом для проводів в якомусь електронному пристрої. Саме знахідка з фіксацією хребців дозволила зробити з імплантату стабільний «довгограючий» стимулятор, яка не покалічив живі тканини.
Зрозуміло, що між початковими ідеями і кінцевими експериментами була пророблена колосальна робота по оптимізації самого імплантату і методів його імплантації, виконана в чому завдяки ще одному співавтору з Росії, хірурга Наталії Павлової, а також біоінженерії Івану Мінєв (Ivan R. Minev). І ось - стаття в Science , В якій автори пишуть, що пацюки з імплантатами прекрасно себе почували навіть через два місяці після операції: і імплантат працював, і спинний мозок тварин був цілий, і були відсутні ознаки запалення. Крім того, імплантат довів цільову ефективність, з його допомогою (і за допомогою реабілітаційної програми) щурів з травмою спинного мозку вдалося поставити на ноги - тварини знаходили можливості ходити по прямій і підніматися по сходах (зрозуміло, за допомогою підтримуючого їх тіло біомеханічного пристрої).
Отже, перерахуємо ще раз плюси нового імплантату: завдяки тому, що його можна помістити буквально на сам мозок, ми можемо специфічно стимулювати конкретні групи нейронів, причому стимуляцію можна проводити не тільки електричними імпульсами, а й хімічно, за допомогою нейромедіаторних аналогів. Щільний контакт дозволяє точніше впливати на потрібні групи нейронів і витрачати на це в рази менше хімічних стимуляторів (що, зокрема, дозволяє уникнути багатьох побічних лікарських ефектів). Зрозуміло, що імплантат може працювати не тільки на вхід, але і на вихід: з його допомогою можливо реєструвати сигнали нейронних мереж. Наприклад, авторам роботи вдалося «підслухати», як нейрони спинного мозку спілкуються з нейронами рухової кори і які сигнали кори передують руху.
Підкреслимо, що новий пристрій не є «латкою» на уражену частину спинного мозку і воно не має контактів з головним мозком - руху, які тварини виконували в ході експерименту, вони не могли контролювати, то була лише автоматична реакція нейронних ланцюгів спинного мозку. Однак новий імплантат може стати важливим елементом нейрокомп'ютерних інтерфейсу, над яким зараз працюють безліч нейробиологических лабораторій по всьому світу. Адже ніщо не заважає зв'язати гнучкі електроди в хребті з пристроєм, що реєструє і передає сигнали від головного мозку - і тоді ми отримаємо обхідний шлях, що дозволяє свідомості контролювати наше тіло навіть при сильно пошкодженому спинному мозку.
Як зробити, щоб імплантат при таких рухах не зашкодив нервову тканину?
Як взагалі зробити так, щоб імплантат не дратував спинний мозок?
