Шаг в обход. Электрохимические нейропротезы — против паралича
Кандидат медицинских наук Павел Мусиенко, Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН (Санкт-Петербург).
Традиционная нейрофизиологическая картина управления движением отводила спинному мозгу функции канала, по которому распространяются нервные импульсы, связывающие головной мозг с телом, и примитивного рефлекторного контроля. Однако данные, накопленные нейрофизиологами в последнее время, заставляют пересмотреть эту скромную роль. Новые технологии исследования позволили обнаружить в спинном мозге многочисленные сети его «собственных» нейронов, специализированных на выполнении сложнейших двигательных задач, таких как координированная ходьба, сохранение равновесия, контроль скорости и направления при движении.
Можно ли использовать эти нейронные системы спинного мозга для восстановления двигательных функций у людей, парализованных в результате спинальной травмы?
При травме спинного мозга пациент утрачивает двигательные функции потому, что нарушается или полностью разрывается связь между головным мозгом и телом: сигнал не проходит, и ниже места повреждения не происходит активации двигательных нейронов. Так, травма шейного отдела спинного мозга может привести к параличу и потере функций рук и ног, так называемой тетраплегии, а травма грудного отдела — к параплегии, обездвиживанию только нижних конечностей: как если бы подразделения некоей армии, сами по себе функциональные и боеспособные, оказались отрезаны от штаба и прекратили получать команды.
Но главное зло спинальной травмы в том, что любые устойчивые связи, соединяющие нейроны в стабильные функциональные сети, деградируют, если их не активировать снова и снова. С этим феноменом хорошо знакомы те, кто давно не катался на велосипеде или не играл на фортепьяно: многие двигательные навыки утрачиваются, если их не используют. Точно так же в отсутствие активирующих сигналов и тренировки начинают со временем распадаться специализированные на движении нейронные сети спинного мозга. Изменения становятся необратимыми: сеть «разучивается» двигаться.
Можно ли это предотвратить? Ответ, который даёт современная нейрофизиология, обнадёживает.
Нейроны взаимодействуют друг с другом последовательно, по цепочке, вырабатывая химические вещества — медиаторы различного типа. При этом в головном мозге сосредоточена бóльшая часть нейронов, использующих в качестве сигнального «языка» довольно хорошо изученные моноаминергические медиаторы: серотонин, норадреналин, допамин.
На нейронных сетях даже повреждённого спинного мозга остаются рецепторы, способные этот сигнал воспринимать. Следовательно, можно попытаться активировать спинальные сети с помощью соответствующих моноаминергических препаратов, вводя их в нервную ткань спинного мозга извне.
Это обстоятельство легло в основу экспериментов по химической стимуляции.
В 2008 году вместе с группой исследователей из Университета Цюриха (Швейцария) мы попытались активировать спинальные нейронные сети, отвечающие за движение, «сажая» на сохранные рецепторы спинальных нейронов вещества, соответствующие моноаминергическим медиаторам. Эти препараты должны были служить источником сигнала, активирующего нейронные сети спинного мозга и предотвращающего их деградацию. Результат эксперимента оказался положительным, более того, были найдены оптимальные сочетания моноаминергических лекарств для улучшения функции ходьбы и баланса. Работа опубликована в 2011 году в журнале «Neuroscience».
Спинной мозг отличает высокая системная нейрональная пластичность: его нейронные сети способны постепенно «запоминать» те задачи, которые им приходится выполнять регулярно. Регулярное воздействие на определённые сенсорные и моторные пути при двигательных тренировках улучшает работу этих нейронных путей и восстанавливает способности к выполнению тренируемых функций.
Но если нейронные сети спинного мозга можно тренировать, то нельзя ли их чему-нибудь «научить» — например, с помощью стимуляции повреждённого спинного мозга и двигательной тренировки добиться такой функциональной перестройки его нейронных сетей, которая бы с бóльшим или меньшим успехом контролировала двигательную активность самостоятельно, в отрыве от «главного штаба» — головного мозга?
Чтобы ответить на этот вопрос, мы попробовали сочетать химическую нейростимуляцию с электрической. Ещё в 2007 году совместные эксперименты российских и американских нейрофизиологов показали, что если на поверхность спинного мозга крысы поместить электроды, то электрическое поле вокруг активного электрода может возбуждать проводящие спинальные структуры. Поскольку в эксперименте использовались очень небольшие токи, в первую очередь активировались наиболее возбудимые ткани вблизи электрода: толстые проводящие волокна задних спинномозговых корешков, передающие сенсорную информацию от рецепторов тканей конечностей к нейронам спинного мозга. Такая электростимуляция позволяла активизировать двигательные функции у спинальных животных.
Комбинирование электростимуляции, химической стимуляции и двигательной тренировки дало прекрасный результат. При полном разрыве связей спинного мозга с головным «спящие» спинальные нейронные сети удавалось превратить в высоко функционально активные. Парализованным животным вводили нейрофармакологические препараты, их спинной мозг стимулировали в двух сегментах, и постоянно проводились тренировки функции ходьбы. В результате через несколько недель животные показывали движения, близкие к нормальным, и могли адаптироваться к изменению скорости и направления передвижения.
В первых экспериментах исследователи тренировали животных, используя беговую дорожку и биомеханическую систему, которая помогала животному держать тело на весу, но не позволяла двигаться вперёд. Недавно, в 2012 году, в журналах «Science» и «Nature Medicine» опубликованы результаты совместных исследований Университета Цюриха и Института физиологии им. И. П. Павлова РАН, в которых мы применили робототехнический подход.
Специальный робот даёт крысе возможность свободно передвигаться, при необходимости поддерживая и контролируя её перемещения по трём направлениям (x, y, z). Причём сила воздействия по различным осям может меняться в зависимости от экспериментальной задачи и собственных двигательных способностей животного. В робототехнической установке использованы мягкие эластичные приводы и спирали, которые устраняют инерционное влияние силовых воздействий на живой объект. Это даёт возможность применять установку в поведенческих опытах. Робот опробован на экспериментальной модели парализованной крысы с повреждениями противоположных половин спинного мозга на уровне разных спинномозговых сегментов. Связь между головным и спинным мозгом была полностью прервана, однако сохранялась возможность прорастания новых нервных волокон между левой и правой частями спинного мозга. (Данная модель имеет сходство с повреждениями спинного мозга у людей, которые чаще всего являются анатомически неполными.) Комбинация тренировки в робототехнической системе с многокомпонентной химической и электрической стимуляцией спинного мозга позволила таким животным ходить вперёд по прямой, переступать через препятствия и даже подниматься по лестнице. У крыс появились новые межнейронные связи в области повреждения спинного мозга и восстановился произвольный контроль движений.
Так родилась идея электрохимических нейропротезов для имплантации в спинной мозг и управления спинальными сетями. Через специальные каналы имплантата можно вводить лекарства, которые действуют на соответствующие рецепторы и имитируют модулирующий нервный сигнал, прерванный после травмы. Матрица электродов стимулирует сенсорные входы разных сегментов и через них активирует отдельные популяции нейронов, чтобы таким образом вызвать определённые движения.
Стандартный клинический подход лечения пациентов с тяжёлыми спинальными травмами направлен на предотвращение дальнейших вторичных повреждений нервной системы, соматических осложнений паралича, на психологическую помощь парализованным больным и обучение их использованию оставшихся функций. Восстановительная терапия утраченных моторных навыков при тяжёлых повреждениях спинного мозга не только возможна, но и необходима.
Экспериментальная работа над химическим нейропротезом пока не шагнула дальше лабораторных исследований над животными, но в 2011 году авторитетный медицинский журнал «The Lancet» дал яркую иллюстрацию того, на что способна стимулирующая терапия в отношении людей. Журнал опубликовал результаты клинико-экспериментальной работы с использованием электрической стимуляции спинного мозга. Нейрофизиологи и врачи из США и России показали, что регулярная тренировка определённых моторных навыков в сочетании с эпидуральной стимуляцией спинного мозга восстанавливала двигательные способности у пациента c полной моторной параплегией, то есть полной утратой контроля над движением. Лечение улучшило функции стояния и поддержания веса тела, элементы локомоторной активности и частичного произвольного контроля движений во время стимуляции.
В результате тренировки и стимуляции удалось не только активировать нейронные сети ниже уровня повреждения, но и в определённой степени восстановить связь между головным мозгом и спинальными моторными центрами — уже упомянутая нейропластичность спинного мозга сделала возможным образование новых нейронных связей, «обходящих» место травмы.
Экспериментальные и клинические исследования показывают высокую эффективность стимуляции спинного мозга и тренировки после тяжёлой вертеброспинальной травмы. Хотя уже получены успешные результаты стимуляции спинного мозга у пациентов с сильнейшим параличом, основная часть исследовательской работы ещё впереди. Кроме того, предстоит разработать спинальные имплантаты для электрохимической стимуляции и найти оптимальные алгоритмы их использования. На всё это сейчас направлены активные усилия ведущих лабораторий мира. Сотни самостоятельных и межлабораторных исследовательских проектов посвящены достижению этих целей. Остаётся надеяться, что в результате совместных усилий мировых научных центров в общепринятые клинические стандарты войдут более эффективные методы лечения парализованных больных.
Читайте в любое время
