В сотрудничестве, сочетающем биологию и робототехнику, исследователи разгадывают схему спинного мозга угря, чтобы помочь разработать имплантат микрочипа, который однажды поможет парализованным людям снова ходить.
После травмы спинного мозга многие пациенты не могут двигаться, потому что мозг отрезан от центров управления нервами, называемых генераторами, которые, как полагают, находятся в нижней части спины. Цель исследовательской группы - создать устройство, имитирующее сигналы, посылаемые мозгом, и заставить эти нервные центры послать двигательные команды мышцам нижних конечностей пациента.
"Это сложный и долгосрочный проект, но мы считаем, что у него есть хорошие шансы на успех", - сказал Ральф Этьен-Каммингс, эксперт по электронике и робототехнике. "Наш первый шаг - узнать, как мозг передает электрические сообщения по спинному мозгу, которые указывают ногам, что делать. Затем мы хотим сделать микрочипы, которые будут реплицировать этот процесс".
Этьен Каммингс, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Джона Хопкинса, специализируется на разработке роботизированных устройств, работающих так, как это происходит в биологических организмах. В проекте спинного мозга он работает с Ависом Х. Коэном, профессором биологии, который много лет изучал нервную систему угря и то, как она направляет свое тело во время движения.
"Несмотря на то, что минога является очень примитивным позвоночным, мы и другие показали, что она удивительно похожа на человека в том, как она делает и контролирует свою локомоцию", - сказал Коэн. "Но в отличие от людей, нервную систему миноги удивительно легко изучать".
Группа под руководством Этьена-Каммингса и Коэна уже опубликовала документ, описывающий использование микрочипа биологического генератора центрального образца для создания импульсов в роботизированной ноге.
В настоящее время исследователи расширяют свой проект, разрабатывая нейропротезный имплантат, который будет подключаться к генераторам центральной нервной системы человека для восстановления опорно-двигательного аппарата у пациентов с повреждениями спинного мозга.
Минога является идеальной отправной точкой, сказал Этьен Каммингс, потому что спинной мозг угря можно удалить и оставить в живых в лабораторном растворе. Добавляя химические вещества, можно стимулировать вырезанный позвоночник угря, чтобы он генерировал нервные сигналы, как при плавании живого угря. "Мое сотрудничество с профессором Коэном началось, когда мы попытались смоделировать спинной мозг миноги на кремниевом микрочипе", - сказал Этьен-Каммингс. "Это дало нам более естественный способ управления роботизированными конечностями. Также он показал нам возможный способ электронного взаимодействия с человеческой биологией".
Чтобы восстановить движение у пациентов с травмами спинного мозга, другие исследователи пытаются отрастить отрезанные нервы или напрямую стимулировать мышцы парализованных конечностей. Этьена-Каммингс и Коэн преследуют другой, но возможно дополняющий подход. Они считают, что даже когда центральные генераторы, направляющие движение от нижней части спины, отрезаны от мозга, они остаются жизнеспособными.
Правильно спроектированный имплантат, по их мнению, может действовать вместо мозга и направлять эти центры управления в спящем режиме для передачи таких же сигналов локомоции, как и до травмы спинного мозга. "Мы хотим воспользоваться преимуществами схем, которые уже существуют в теле", - сказал Этьен-Каммингс.
Он представляет себе устройство, которое будет стимулировать мышцы ноги опосредованно через спинной мозг, как устройство, содержащее смешанные сигнальные (аналоговые и цифровые) очень крупные интегрированные микросхемы. Устройство должно быть небольшим, работающим на маломощном, перезаряжаемом аккумуляторе.
Однако Этьен-Каммингс предупредил, что впереди еще много работы. После того, как ученые завершат свои исследования миноги, они должны определить, можно ли перенести полученные результаты на мелких млекопитающих, таких как крысы.
Эти исследования могут занять десятки лет, прежде чем изобретением сможет воспользоваться человек.
