Повреждения спинного мозга (ПСД) ежегодно поражают более 130 000 человек, и, по оценкам, 2-3 миллиона человек во всем мире живут с нарушениями, связанными с ПСД. ПСД является сложным и многогранным состоянием, но восстановление использования парализованной конечности неизменно оценивается пациентами с параплегией или плегией тетра.
Существующие возможности лечения после острого лечения часто включают физиотерапию и трудотерапию, но восстановление двигательной функции в течение года является первоочередным. Хотя регенерация нисходящих путей с помощью фармакологических агентов, стволовых клеток или других методов трансплантации остается целью многих исследованиq, в последние годы проблемы, с которыми сталкиваются эти усилия, привели к уделению повышенного внимания новым технологиям для улучшения качества жизни пациентов с ПСД.
Нейрохирургия - это область исследований SCI, в которой наблюдается быстрый прогресс, двумя примерами которого являются разработка мозгово-машинных интерфейсов (BMI), позволяющих пациентам контролировать вспомогательные устройства, такие как роботизированные конечности с использованием нейронных сигналов, регистрируемых непосредственно от мозга, и использование функциональной электрической стимуляции (FES) для реанимации парализованной конечности.
Нейронные интерфейсы для мозaга и спинного мозга восстановительных двигательных функций спинного мозга
Ученые предполагают, что конвергенция записывающих и стимулирующих возможностей в нейронных протезах замкнутого цикла обеспечит эффективные инструменты для продвижения синаптической пластичности нервов для функциональной реабилитации поврежденных двигательных сетей у пациентов с SCI.
Концепция вывода или декодирования параметров движения от потенциальных разрядов (так называемых "шипов") корковых нейронов возникла в 1970-х годах. Совершенствование систем хронических электродов и компьютерных технологий в последние годы позволило все более убедительно продемонстрировать "управление мозгом" обезьян и людей.
Одна система управления мозгом, называемая BrainGate, использует массив из 96 кремниевых электродов, которые проникают на 1,5 мм в верхней части представление первичной моторной коры для записи работы с 50 или более нейронов. Скорость скачков этих нейронов обрабатывается для получения управляющих сигналов для различных искусственных эффекторов.
Первый пациент (человек, страдающий тетраплегией вследствие травмы на спинном уровне С3-С4), имплантированный с помощью системы BrainGate, смог оперировать двухмерным компьютерным курсором, а также контролировать захватывающие движения ручного протеза. В 2012 году та же исследовательская группа сообщила, что система BrainGate позволяет контролировать 3D-движения и захват манипуляторов робота у двух пациентов, которые были парализованы после перенесенного инсульта ствола мозга.
Один участник этого исследования смог использовать роботизированную руку для питья через соломинку из бутылки, демонстрируя практичность таких систем для повседневной деятельности. Примечательно, что электроды в этом пациенте были имплантированы более 5 лет назад. Долговременная работа интракортикальных имплантатов по-прежнему вызывает озабоченность, поскольку механическая и биологическая несовместимость электродов вызывает нестабильность записи, повреждение тканей и образование глиальных рубцов, которые могут постепенно уменьшать амплитуду регистрируемых сигналов.
Этот полезный контроль может быть достигнут через пять лет после имплантации, но усилия по улучшению долгосрочной стабильности электродов остаются приоритетом для пациентов, которые часто живут в течение многих десятилетий с инвалидностью.
Неинвазивные методы
Неинвазивные методы записи, такие как ЭЭГ, являются альтернативным методом получения сигналов для нейронных интерфейсов. Реальные или воображаемые движения конечностей сопровождаются десинхронизацией ритмов записанных поверх сенсомоторных областей коры головного мозга. Обнаружение изменений мощности на этих частотах позволило осуществлять прямой контрол компьютерных курсоров, и этот подход может позволить пациентам с тетраплегией управлять протезами роботов.
Ключевые моменты
Мозгово-машинные интерфейсы (ИМИ), которые записывают и декодируют сигналы мозга, позволяют осуществлять добровольное управление вспомогательными устройствами и изменять модели активности коры головного мозга в процессе нейрофидбэка.
Перевод инвазивных ИМТ с исследований на животных на пациентов позволяет предположить, что эти технологии могут контролировать функциональную электрическую стимуляцию для восстановления движения к парализованным конечностям.
Эпидуральная и интраспинальная стимуляция генерирует функциональные движения конечностей, связанные с согласованной деятельностью нескольких мышц, а активация спинальной схемы в сочетании с волевыми намерениями может иметь терапевтический эффект.
Связанные с корой модели пиковой активности двигателей синаптической и структурной пластичности, и экспериментальные протоколы, которые включают стимуляцию ЦНС были использованы для искусственного изменения в нейронной связи.
Нейронные протезы, сочетающие возможности записи и стимуляции в пределах носимых или имплантируемых замкнутых контуров, могут заменить или увеличить поврежденные пути от коры головного мозга до спинного мозга.
Долгосрочная эксплуатация устройств с замкнутым контуром может иметь дополнительные терапевтические преимущества благодаря нескольким дополнительным механизмам пластичности, зависящим от активности.
Сохраняются значительные трудности в разработке нейронных интерфейсов, которые могут быть использованы на практике в повседневной жизни пациентов с SCI, которые имеют сложные и разнообразные формы инвалидности. Тем не менее, в настоящее время происходит переход от лабораторных демонстраций на животных к предварительным испытаниям в клинической среде.
Продолжающийся прогресс в разработке технологий мониторинга и манипулирования нейронной активностью, приведет к появлению нового поколения устройств для увеличения количества поврежденных нейронных цепей. Нейрореабилитационные протезы с замкнутым контуром в качестве инструмента нейрореабилитации могут, таким образом, иметь более широкое применение при восстановлении функций после любой формы травмы нервной системы.
