Спинний мозок може сам керувати рухами кінцівок, але тільки якщо ми будемо підказувати йому, що і коли робити.
При травмах хребта порушуються нервові шляхи спинного мозку, що передають накази від головного мозку до м'язів, і, як наслідок, погіршується або повністю втрачається рухливість тіла - ми не можемо контролювати роботу м'язів, які знаходяться, умовно кажучи, нижче місця травми. Як тут бути? Само собою напрошується, що потрібно якось з'єднати розірване. Завдання це неймовірно складна і до сих пір у нас немає достатньо ефективних методів, які дозволяли в точності зростити всі нервові «проводу» в спинному мозку.
Хребець зі спинним мозком в спинномозковому каналі і відходять від спинного мозку нервами. (Ілюстрація MedicalRF.com / Corbis.)
Схема ділянки поперекового відділу спинного мозку з зонами активації м'язів-розгиначів (extensor) і м'язів-згиначів (flexor), послідовно включаються під час руху задніх ніг. (Ілюстрація Nikolaus Wenger et al., Nature Medicine.)
Спинномозкової імплантат для просторово-часової нейростімуляціі. (Ілюстрація Nikolaus Wenger et al., Nature Medicine.)
Схема налагодження просторово-часової нейростімуляціі: руху лап щури диференціюються за часом і співвідносяться з роботою тих чи інших ділянок спинного мозку, після чого відбувається оптимізація стимулюючих імпульсів за часом, частоті і точці при
<
>
Але тут є й інше рішення: рухливість можна відновити за рахунок нервових мереж самого спинного мозку. Ми звикли по старій пам'яті розглядати його як звичайний «електропровід», просто передає нейрохимические імпульси від «керівного органу» до «виконавцям». Однак насправді 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.
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.
Рік тому ми писали про особливе спинномозковому імплантаті , Який дозволяє підтримувати спинний мозок в робочому стані. Ідея пристрою належить доктору медичних наук, професору Павлу Мусієнко, керівнику лабораторії нейропротез Інституту трансляційної біомедицини СПбГУ , Старшому науковому співробітнику Інституту фізіології ім. І.П. Павлова РАН, завідувачу лабораторії нейрофізіології і експериментальній нейрореабілітації НДІ фтизиопульмонологии МОЗ РФ, який разом з колегами з Росії та Швейцарії зумів створити пристосування для стабільної нейрохимической стимуляції спинномозкових нервових мереж.
Але тут виникає наступне питання: ось у нас є імплантат, ми встановлюємо його на спинний мозок і збираємося почати стимуляцію - і як ми збираємося це робити? Які сигнали, в якій послідовності і куди саме ми хочемо їх передати?
Щоб руху були правильними, потрібна злагоджена роботи м'язів і ще потрібно, щоб нейронний апарат, який керує ними, сам відчував рух, силу скорочення м'язів, положення частин тіла в просторі. Все це називається проприоцептивной чутливістю, і вже доведено, що стимуляція певних зон в пошкодженому спинному мозку допомагає відновити проприоцептивную чутливість, що, в свою чергу покращує регуляцію рухів.
Зрозуміло, що чим краще нейрони відчувають рух, тим краще вони його контролюють. Але якщо ми уявимо, як рухається, наприклад, задня лапа щури і що при цьому відбувається в нейронних центрах спинного мозку, то легко зрозуміємо, що активність нейронів (і груп нейронів), які керують рухом, буде досить складною: вони будуть включатися по черзі, постійно «прислухаючись» до того, що під час виконуваного руху відбувається з лапою тварини, з її м'язами. Тим часом звичайні методи стимуляції спинномозкових нейронів не враховують просторово-временн и е особливості їх роботи. Можна припустити, що якщо стимуляція спинномозкових нейронів буде відповідати їх звичайного режиму роботи, то спинний мозок, нехай і травмований, краще навчиться контролювати м'язові рухи.
Саме розробкою просторово-временн и х методів стимуляції займалися Павло Мусієнко і його колеги після створення імплантату. Спочатку вони визначили, які нейрони в спинному мозку спрацьовують при скороченні і розслабленні того або іншого м'яза. Експерименти ставили з щурами; при ходьбі задні лапи тварини рухаються певним чином, причому в лапі працює відразу кілька м'язів, і ось первинним завданням було визначити, як робота кожного м'яза відбивається в активності спинномозкових нейронних центрів.
Як ми вже сказали, нейрони при цьому «проявляють активність» групами, причому активність включення і виключення нейронних груп залежить один від одного. Очевидно, що при всій простоті «йде» руху, робота м'язів і нейронів тут вельми не проста. Зрозуміло, що відбувається чергування м'язів-згиначів і м'язів-розгиначів, але ж вони змінюють один одного не по абстрактному секундоміром - щоб одні нейрони припинили активність, а інші, навпаки, включилися, в спинний мозок має надійти інформація, наприклад, про те, що лапа торкнулася підлоги і тепер на неї чекає перенести вагу тіла (але ж це тільки один з етапів руху).
Отримані дані про нервових центрах слід використовувати в роботі стимулюючого імплантату. Електростимуляція викликала руху розгинальних і згинальних м'язів у щурів, але метою авторів роботи було відтворення природних рухів, а не просто механічно одноманітних м'язових скорочень. Для цього стимулюючий пристрій забезпечили зворотним зв'язком: час включення і час вимкнення тих чи інших електродів залежало від того, як саме в цей момент рухається лапа.
«Навчання» імплантату - точніше, не самого імплантату, а схеми стимуляції нейронів - відбувалася на здорових тварин. Коли схема стимуляції стала схожа на те, що відбувається в нормальному спинному мозку, настала черга щурів з травмою хребта. Тут нейростімуляція повинна була спрацювати так, щоб хода хворих тварин не відрізнялася від ходи здорових: щоб ноги не волочилися, щоб лапа піднімалася досить високо, і т. Д. І зробити це цілком вдалося, як пишуть автори в своїй статті в Nature Medicine . Під час тестів щурам поступово зменшували підтримку, так що врешті-решт тварини повинні були самі нести свою вагу, і на короткій дистанції їм це врешті-решт вдавалося. Більш того, вони могли навіть підніматися по сходах, але ж при підйомі або спуску по сходах потрібні досить точні рухи.
Власне, самий зрозумілий, найочевидніший, але не найголовніший висновок з роботи звучить так - щоб повернути тілу рухливість після травми хребта, мало накласти на спинний мозок електроди і подати струм (або хімічний сигнал). Головний же результат експериментів професора Павла Мусієнко, професора Грегуа Куртін (Gregoire Courtine) і їхніх студентів Ніколауса Венгера (Nikolaus Wenger), Едуардо Мартіна Моро (Eduardo Martin Moraud), Джерома Гандара (Jerome Gandar), полягає в тому, що їм вдалося показати, які нейрони потрібно стимулювати і як саме їх потрібно стимулювати.
Спинномозкові нейронні мережі мають достатню самостійністю в регуляції рухів, можна сказати, що в них міститься якась програма, відповідно до якої групам м'язів подається сигнал «на скорочення» або «на розслаблення». Сама ця програма розбита на блоки, які розподілені по групах нейронів і які включаються в певній послідовності, причому запуск і відключення нейронних груп залежить від сенсорної інформації, що надходить від ніг.
Як виявилося, щоб змусити спинний мозок повністю перехопити управління кінцівками, не обов'язково постачати електродами кожен нейрон, досить поставити зовнішній вмикач на кілька певних вузлів в спинному мозку, пов'язаних з обробкою сенсорної (пропріоцептивної) інформації. Тобто імплантат допомагає спинному мозку правильно відчувати рух, а правильно відчувати - значить, правильно управляти м'язами. І, звичайно, це легко сказати - «змусити спинний мозок правильно відчувати рух», на ділі тут потрібна була величезна робота, щоб з'ясувати, яку інформацію про рух передавати в спинний мозок, в який час і в будь нейрони вона повинна потрапляти.
Зазвичай, коли ми чуємо про якийсь новий біотехнологічному (та й не тільки біотехнологічному) пристрої, то сприймаємо його як тільки як предмет, призначений для виконання якоїсь задачі. Однак сучасні завдання, які доводиться вирішувати біотехнологам, настільки складні (особливо це стосується тих областей, які так чи інакше відносяться до нейробіології), що тут мало скласти пристрій і впровадити його в організм - потрібно подумати, як воно буде працювати.
І ось на розробку алгоритму для якого-небудь нейрогаджета часом йде не менше зусиль, ніж на розробку його самого, що особливо добре видно на прикладі нашого спинномозкового імплантату. Про його перспективи навряд чи варто говорити окремо - все знають про сумні наслідки травм хребта, так що будемо сподіватися, що клінічні випробування методу просторово-временн про і нейромодуляціі спинного мозку не за горами.
Але якщо підтримувати спинний мозок в робочому стані, якось стимулювати його, то нервові ланцюги, може бути, збережуться?
Але тут виникає наступне питання: ось у нас є імплантат, ми встановлюємо його на спинний мозок і збираємося почати стимуляцію - і як ми збираємося це робити?
Які сигнали, в якій послідовності і куди саме ми хочемо їх передати?
