20 Января 2015
Новый гибкий имплантат-стимулятор позволяет поддерживать спинной мозг в рабочем состоянии.
При травмах позвоночника человек полностью или частично утрачивает подвижность – происходит это оттого, что нарушаются проводящие нервные пути в спинном мозге, передающие приказы от головного мозга к мышцам. Однако сам спинной мозг уже давно никто не рассматривает как обычный «электрошнур», просто передающий нейрохимические импульсы от «руководящего органа» к «исполнителям». Спинномозговые нейроны образуют довольно сложные специализированные сети, ответственные за сохранение равновесие, координацию при ходьбе, контролирующие скорость и направление движения и т. д. Получая информацию от мышц и кожи, нейронные сети спинного мозга могут вносить поправки в двигательную программу, корректируя её в зависимости от ощущений.
Субдуральный спинномозговой имплантат. (Фото EPFL.)
Очевидно, что способность человека или животного управлять своими движениями зависит не только от контактов спинномозговых нейронов с центрами головного мозга, но и от целостности таких вот сетей в самом спинном мозге. Если же нейроны спинного мозга долго остаются без дела, то связи между ними деградируют, и двигательные цепочки распадаются. В принципе, если позвоночник получил частичную травму и не все спинномозговые пути разрушены, то головной мозг может наладить связь через другие нервные «провода», оставшиеся неповреждёнными. Однако распад внутренних сетей всё равно оставит мышцы в неподвижности: сигналы из головного мозга будут приходить в неупорядоченную систему нейронов.
Но если поддерживать спинной мозг в рабочем состоянии, как-то стимулировать его, то нервные цепи, может быть, сохранятся? Действительно, обработка спинного мозга аналогами нейромедиаторов предотвращала деградацию двигательных сетей. Более того, спинномозговые нейроны оказалось возможным научить работать почти автономно, без помощи головного мозга, сочетая электрическую и химическую стимуляции. Двигательные цепочки спинного мозга могут запоминать процедуры, которые им приходится выполнять регулярно, и при должной тренировке и подборе стимулирующих сигналов они вполне могут сами выполнять довольно сложную координацию движений.
Подробно о таких разработках мы уже писали: в журнале «Наука и жизнь» №12 за 2012 год была опубликована статья Павла Мусиенко - доктора медицинских наук, старшего научного сотрудника лаборатории физиологии движений из петербургского Института физиологии им. И.П. Павлова РАН. Он и его коллеги из России и Швейцарии уже не первый год занимаются тем, что пытаются вернуть травмированному спинному мозгу способность контролировать движения. Два года назад исследователи сообщали о разработанном ими робототехническом подходе: специальная конструкция, позволявшая крысе тренироваться, вместе с многокомпонентной химической и электрической стимуляцией спинного мозга в результате позволила животным с испорченным спинным мозгом ходить вперёд по прямой, переступать через препятствия и даже подниматься по лестнице.
Но легко сказать – «электрохимическая стимуляция»; на деле же стоит представить себе, что такое спинной мозг, чтобы понять, насколько сложная это задача – добиться эффективного и безопасного воздействия на спинномозговые нейронные сети. Решение пришло с идеей, родившейся у Павла Мусиенко несколько лет назад – использовать для стимуляции спинного мозга мягкий субдуральный электрохимический нейропротез, чего, кстати, до сих пор никому не удавалось сделать. Слово «субдуральный» означает, что он расположен под твёрдой мозговой оболочкой, называемой dura mater.
Как известно, у головного и спинного мозга есть несколько защитных оболочек, и dura mater из них самая верхняя. Если бы удалось поставить имплантат-стимулятор под неё, то мы бы смогли установить более полный контакт устройства со спинным мозгом, и, например, какие-то химические средства можно было бы вводить локально, не обращая внимания на гематоэнцефалический барьер, защищающий головной и спинной мозг от растворённых в крови потенциально нежелательных веществ. То есть в имплантате должны были быть не только электроды, но и особые каналы (хемотроды), позволяющие передавать к нейронам химические стимуляторы.
Но спинной мозг подвержен к постоянным физическим деформациям: мы ходим, то и дело поворачиваемся из стороны в сторону, наклоняемся и разгибаемся. Как сделать, чтобы имплантат при таких движениях не повредил нервную ткань? Как вообще сделать так, чтобы имплантат не раздражал спинной мозг? Для этого использовали технологию мягких электродов: в Федеральной политехнической школе Лозанны (Швейцария) была создана гибкая полимерная основа для имплантата, сами же электроды сделали из силиконово-платиновых наночастиц. К электродам вели «провода» из золота – металл был уложен слоями толщиной 35 нанометров, причём в слои специально вносили трещины, чтобы обеспечить гибкость и растяжимость «проводов»; получалась что-то вроде сетки с перекрывающимися ячейками. Всё вместе назвали e-dura – электронная dura mater.
Однако такой имплантат должен иметь выход наружу, ведь нейрохимическая стимуляция поступает в спинной мозг извне. И здесь только лишь гибкость самого имплантата не спасает, поскольку он всё равно будет ломаться, а заодно и повреждать нервную ткань. Проблему решили с помощью предложенного Павлом Мусиенко приспособления, фиксирующего позвонки в месте входа имплантата в позвоночный канал. Это приспособление называется вертебральный ортоз, и его можно сравнить с входом для проводов в каком-нибудь электронном устройстве. Именно находка с фиксацией позвонков позволила сделать из имплантата стабильный «долгоиграющий» стимулятор, который не повреждал живые ткани.
Понятно, что между начальными идеями и конечными экспериментами была проделана колоссальная работа по оптимизации самого имплантата и методов его вживления, выполненная во многом благодаря ещё одному соавтору из России, хирургу Наталье Павловой, а также биоинженеру Ивану Миневу (Ivan R. Minev). И вот – статья в Science, в которой авторы пишут, что крысы с имплантатами прекрасно себя чувствовали даже спустя два месяца после операции: и имплантат работал, и спинной мозг животных был цел, и отсутствовали признаки воспаления. Кроме того, имплантат доказал целевую эффективность, с его помощью (и с помощью реабилитационной программы) крыс с травмой спинного мозга удалось поставить на ноги – животные обретали способности ходить по прямой и подниматься по лестнице (разумеется, с помощью поддерживающего их тело биомеханического устройства).
Итак, перечислим ещё раз плюсы нового имплантата: благодаря тому, что его можно поместить буквально на сам мозг, мы можем специфично стимулировать конкретные группы нейронов, причём стимуляцию можно проводить не только электрическими импульсами, но и химически, посредством нейромедиаторных аналогов. Плотный контакт позволяет точнее влиять на нужные группы нейронов и тратить на это в разы меньше химических стимуляторов (что, в частности, позволяет избежать многих побочных лекарственных эффектов). Понятно, что имплантат может работать не только на вход, но и на выход: с его помощью возможно регистрировать сигналы нейронных сетей. Например, авторам работы удалось «подслушать», как нейроны спинного мозга общаются с нейронами двигательной коры и какие сигналы коры предшествуют движению.
Подчеркнём, что новое устройство не является «заплаткой» на поражённую часть спинного мозга и оно не имеет контактов с головным мозгом – движения, которые животные выполняли в ходе эксперимента, они не могли контролировать, то была лишь автоматическая реакция нейронных цепей спинного мозга. Однако новый имплантат может стать важным элементом нейрокомпьютерного интерфейса, над которым сейчас работают множество нейробиологических лабораторий по всему миру. Ведь ничто не мешает связать гибкие электроды в позвоночнике с устройством, регистрирующим и передающим сигналы от головного мозга – и тогда мы получим обходной путь, позволяющий сознанию контролировать наше тело даже при сильно повреждённом спинном мозге.
