Спинной мозг может сам управлять движениями конечностей, но только если мы будем подсказывать ему, что и когда делать.

При травмах позвоночника нарушаются нервные пути спинного мозга, передающие приказы от головного мозга к мышцам, и, как следствие, ухудшается или полностью утрачивается подвижность тела – мы не можем контролировать работу мышц, которые находятся, условно говоря, ниже места травмы. Как тут быть? Само собой напрашивается, что нужно как-то соединить разорванное. Задача эта невероятно сложная и до сих пор у нас нет достаточно эффективных методов, которые позволяли в точности срастить все нервные «провода» в спинном мозге.

Позвонок со спинным мозгом в спинномозговом канале и отходящими от спинного мозга нервами. (Иллюстрация MedicalRF.com / Corbis.)

Схема участка поясничного отдела спинного мозга с зонами активации мышц-разгибателей (extensor) и мышц-сгибателей (flexor), последовательно включающихся во время движения задних ног. (Иллюстрация Nikolaus Wenger et al., Nature Medicine.)

Спинномозговой имплантат для пространственно-временной нейростимуляции. (Иллюстрация Nikolaus Wenger et al., Nature Medicine.)

Схема отладки пространственно-временной нейростимуляции: движения лап крысы дифференцируются по времени и соотносятся с работой тех или иных участков спинного мозга, после чего происходит оптимизация стимулирующих импульсов по времени, частоте и точке при

Но тут есть и другое решение: подвижность можно восстановить за счёт нервных сетей самого спинного мозга. Мы привыкли по старой памяти рассматривать его как обычный «электрошнур», просто передающий нейрохимические импульсы от «руководящего органа» к «исполнителям». Однако в действительности 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.

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.

Год назад мы писали об особом спинномозговом имплантате, который позволяет поддерживать спинной мозг в рабочем состоянии. Идея устройства принадлежит доктору медицинских наук, профессору Павлу Мусиенко, руководителю лаборатории нейропротезов Института трансляционной биомедицины СПбГУ, старшему научному сотруднику Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, заведующему лаборатории нейрофизиологии и экспериментальной нейрореабилитации НИИ фтизиопульмонологии МЗ РФ, который вместе с коллегами из России и Швейцарии сумел создать приспособление для стабильной нейрохимической стимуляции спинномозговых нервных сетей.

Но тут возникает следующий вопрос: вот у нас есть имплантат, мы устанавливаем его на спинной мозг и собираемся начать стимуляцию – и как мы собираемся это делать? Какие сигналы, в какой последовательности и куда именно мы хотим их передать?

Чтобы движения были правильными, нужна согласованная работы мышц и ещё нужно, чтобы нейронный аппарат, который управляет ими, сам чувствовал движение, силу сокращения мышц, положение частей тела в пространстве. Всё это называется проприоцептивной чувствительностью, и уже доказано, что стимуляция определённых зон в повреждённом спинном мозге помогает восстановить проприоцептивную чувствительность, что, в свою очередь улучшает регуляцию движений.

Понятно, что чем лучше нейроны чувствуют движение, тем лучше они его контролируют. Но если мы представим, как двигается, например, задняя лапа крысы и что при этом происходит в нейронных центрах спинного мозга, то легко поймём, что активность нейронов (и групп нейронов), управляющих движением, будет довольно сложной: они будут включаться по очереди, постоянно «прислушиваясь» к тому, что во время выполняемого движения происходит с лапой животного, с её мышцами. Между тем обычные методы стимуляции спинномозговых нейронов не учитывают пространственно-временные особенности их работы. Можно предположить, что если стимуляция спинномозговых нейронов будет соответствовать их обычному режиму работы, то спинной мозг, пусть и травмированный, лучше научится контролировать мышечные движения.

Именно разработкой пространственно-временных методов стимуляции занимались Павел Мусиенко и его коллеги после создания имплантата. Сначала они определили, какие нейроны в спинном мозге срабатывают при сокращении и расслаблении той или иной мышцы. Эксперименты ставили с крысами; при ходьбе задние лапы животного двигаются определённым образом, причём в лапе работает сразу несколько мышц, и вот первоначальной задачей было определить, как работа каждой мышцы отражается в активности спинномозговых нейронных центров.

Как мы уже сказали, нейроны при этом «активничают» группами, причём активность включение и выключение нейронных групп зависит друг от друга. Очевидно, что при всей простоте «идущего» движения, работа мышц и нейронов здесь весьма не проста. Понятно, что происходит чередование мышц-сгибателей и мышц-разгибателей, но ведь они сменяют друг друга не по абстрактному секундомеру – чтобы одни нейроны прекратили активность, а другие, наоборот, включились, в спинной мозг должна поступить информация, например, о том, что лапа коснулась пола и теперь на неё предстоит перенести вес тела (а ведь это только один из этапов движения).

Полученные данные о нервных центрах следовало использовать в работе стимулирующего имплантата. Электростимуляция вызывала движения разгибательных и сгибательных мышц у крыс, но целью авторов работы было воссоздание естественных движений, а не просто механически однообразных мышечных сокращений. Для этого стимулирующее устройство снабдили обратной связью: время включения и время выключения тех или иных электродов зависело от того, как именно в данный момент движется лапа.

«Обучение» имплантата – точнее, не самого имплантата, а схемы стимуляции нейронов – происходила на здоровых животных. Когда схема стимуляции стала похожа на то, что происходит в нормальном спинном мозге, настала очередь крыс с травмой позвоночника. Здесь нейростимуляция должна была сработать так, чтобы походка больных животных не отличалась от походки здоровых: чтобы ноги не волочились, чтобы лапа поднималась достаточно высоко, и т. д. И сделать это вполне удалось, как пишут авторы в своей статье в Nature Medicine. Во время тестов крысам постепенно уменьшали поддержку, так что в конце концов животные должны были сами нести свой вес, и на короткой дистанции им это в конце концов удавалось. Более того, они могли даже подниматься по лестнице, а ведь при подъёме или спуске по лестнице требуются весьма точные движения.

Собственно, самый понятный, самый очевидный, но не самый главный вывод из работы звучит так – чтобы вернуть телу подвижность после травмы позвоночника, мало наложить на спинной мозг электроды и подать ток (или химический сигнал). Главный же результат экспериментов профессора Павла Мусиенко, профессора Грегуа Куртин (Gregoire Courtine) и их студентов Николауса Венгера (Nikolaus Wenger), Эдуардо Мартина Моро (Eduardo Martin Moraud), Джерома Гандара (Jerome Gandar), состоит в том, что им удалось показать, какие нейроны нужно стимулировать и как именно их нужно стимулировать.

Спинномозговые нейронные сети обладают достаточной самостоятельностью в регуляции движений, можно сказать, что в них заключена некая программа, в соответствии с которой группам мышц подаётся сигнал «на сокращение» или «на расслабление». Сама эта программа разбита на блоки, которые распределены по группам нейронов и которые включаются в определённой последовательности, причём запуск и отключение нейронных групп зависит от сенсорной информации, поступающей от ног.

Как оказалось, чтобы заставить спинной мозг полностью перехватить управление конечностями, не обязательно снабжать электродами каждый нейрон, достаточно поставить внешний включатель на несколько определённых узлов в спинном мозге, связанных с обработкой сенсорной (проприоцептивной) информации. То есть имплантат помогает спинному мозгу правильно чувствовать движение, а правильно чувствовать – значит, правильно управлять мышцами. И, конечно, это легко сказать – «заставить спинной мозг правильно чувствовать движение», на деле тут потребовалась огромная работа, чтобы выяснить, какую информацию о движении передавать в спинной мозг, в какое время и в какие нейроны она должна попадать.

Обычно, когда мы слышим о каком-то новом биотехнологическом (да и не только биотехнологическом) устройстве, то воспринимаем его лишь только как предмет, предназначенный для выполнения некой задачи. Однако современные задачи, которые приходится решать биотехнологам, настолько сложны (особенно это касается тех областей, которые так или иначе относятся к нейробиологии), что тут мало сочинить устройство и внедрить его в организм – нужно подумать, как оно будет работать.

И вот на разработку алгоритма для какого-нибудь нейрогаджета порой уходит не меньше усилий, чем на разработку его самого, что особенно хорошо видно на примере нашего спинномозгового имплантата. Про его перспективы вряд ли стоит говорить особо – все знают про печальные последствия травм позвоночника, так что будем надеяться, что клинические испытания метода пространственно-временной нейромодуляции спинного мозга не за горами.