Пациент с параличом рук и ног смог стоять и ходить благодаря исследователям, которые разработали имплантат, восстанавливающий связь между его головным и спинным мозгом.
В процессе получения столь впечатляющего результата учёные обнаружили, что интерфейс мозг-позвоночник (BSI) улучшает неврологическое восстановление, и позднее пациент смог ходить с костылями, даже когда имплантат был выключен.
BSI состоял из имплантируемой системы записи нервных импульсов и системы стимуляции, которая связывала области головного и спинного мозга, участвующие в ходьбе.
Устройство инженерам удалось откалибровать буквально за несколько минут, после чего оно работало надёжно и стабильно более года, в том числе у мужчины дома без присмотра медиков.
Пациент сообщает, что BSI обеспечивает естественный контроль над движениями ног, что он может стоять, ходить, подниматься по лестнице и даже преодолевать сложные пересеченные участки местности.
Герт-Ян Оскам потерял способность ходить в 2011 году, когда повредил позвоночник во время велосипедной аварии в Китае.
Шесть лет спустя голландцу удалось сделать несколько коротких шагов благодаря небольшой группе электродов, имплантированных в верхнюю часть его спинного мозга, которые передавали нервно-стимулирующие электрические импульсы. Устройство позволяло ему ходить, но процесс был неестественным и иногда вызывал у мужчины разочарование.
Недавно в журнале Nature исследователи опубликовали статью, в которой рассказали, что предложили Оскаму лучшее решение - цифровой способ преодоления разрыва связи между его мозгом и нижней частью тела.
Мозговые волны, сигнализирующие о желании Оскама сделать шаг, передаются от устройства, имплантированного в его череп, к спинальному стимулятору, перенаправляя сигнал в обход повреждённый ткани и доставляя импульсы сразу в спинной мозг для облегчения движения.
Оскам теперь может более плавно ходить, преодолевать препятствия и подниматься по лестнице. «Раньше стимуляция контролировала меня, а теперь я контролирую стимуляцию», — говорит он.
Этот новый интерфейс мозг-позвоночник также, по-видимому, способствует лучшему восстановлению, чем только стимуляция. Оскам, у которого после аварии сохранились некоторые неповрежденные соединения спинного мозга, также может ходить на костылях даже с отключенными обоими устройствами, чего он никогда не мог делать раньше.
И стимуляция спинного мозга, и мозговые интерфейсы использовались в прошлом, но «они никогда не сочетались таким образом, — говорит Кит Тэнси, невролог из Методистского реабилитационного центра. — С точки зрения биомедицинской инженерии это настоящее проявление силы».
Но и он, и другие медики, в том числе авторы исследования, подчёркивают, что важно признать, что исследование является доказательством концепции с одним участником. Пока неясно, покажут ли другие люди с травмами спинного мозга те же результаты.
Некоторые парализующие травмы полностью разрывают спинной мозг, но чаще остаются повреждёнными связи между головным мозгом и нижней частью тела. На протяжении десятилетий ученые пытались найти способы восстановить эти повреждённые нервные магистрали.
Новое исследование основано на работе Грегуара Куртина, нейробиолога из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне, и Джоселин Блох, нейрохирурга из Лозаннского университета.
В 2018 году этот дуэт и их коллеги показали, что стимуляция позвоночника в сочетании с интенсивными тренировками может помочь людям с частичным параличом снова начать ходить. Оскам был одним из первых трёх участников этого испытания, каждый из которых сохранил некоторую чувствительность в нижней части тела.
В прошлом году исследователи сообщили, что стимуляция также работает у людей с более серьёзными травмами, у которых не оставалось чувствительности или хоть каких-то движений в ногах.
Но просто спинальная стимуляция имеет некоторые недостатки. Чтобы инициировать ходьбу или стояние, пользователь должен вручную спровоцировать сигнал, например, нажав кнопку.
Оскам всё ещё мог поднять пятку после травмы, и датчик на его ноге мог обнаружить это крошечное движение, запуская стимулятор. После этого запущенное движение было роботизированным и автоматическим.
Сама по себе стимуляция позвоночника — это «немного кукловодство», — поясняет Деннис Бурбо, инженер-биомедик из Медицинского центра по делам ветеранов Луи Стоукса в Кливленде и исследователь системы MetroHealth.
«Каждый шаг давался мне с некоторым напряжением, — говорит Оскам. — Мне нужно было идти в ногу с ритмом, иначе я бы не сделал хорошего шага». И многие из движений, которые были бы полезны в повседневной жизни, например, подъём по лестнице, были ему ранее недоступны.
Новая система делает процесс более плавным. Интерфейс в мозге состоит из двух массивов с 64 электродами, каждый из которых встроен в титановый корпус.
Они хирургическим путем внедряются в череп, по одному с каждой стороны головы, где они располагаются над моторной корой и улавливают электрические сигналы.
Эти сигналы затем передаются по беспроводной сети на гарнитуру, а затем на ноутбук в рюкзаке, который носит Оскам.
Компьютер с помощью алгоритма расшифровывает предполагаемое человеком движение. Затем компьютер отправляет эти прогнозы на стимулятор, который подаёт различные модели электрических импульсов в зависимости от желаемого движения.
Объединение этих устройств было непростым делом, потому что «ни одна из этих систем не должна взаимодействовать друг с другом», — объясняет Ан До, невролог из Калифорнийского университета в Ирвине.
Обновленная система Оскама позволяет ему более точно контролировать свои тазобедренные, коленные и голеностопные суставы. После 40 тренировок он может шагать, ходить, стоять и даже подниматься по лестнице. Преимущества, кажется, сохраняются, даже когда устройства выключены, что предполагает, что природные нервные каналы связи между его мозгом и нижней частью тела, возможно, укрепились.
«Это всё ещё очень ранние результаты, но как доказательство концепции на человеке, я думаю, это огромный шаг вперёд», — говорит Нандан Лад, нейрохирург из Университета Дьюка.
Майкла Фелингса, нейрохирурга из Университета Торонто, эти результаты впечатлили, но пока неясно, какие люди с травмами спинного мозга могут получить пользу и в какой степени они смогут восстановить свои функции: «Этот пациент, вероятно, тщательно отбирался».
А некоторых пациентов может оттолкнуть инвазивность терапии. Имплантация устройств требует открытой операции на головном мозге, что сопряжено с риском. Так, один из мозговых имплантатов Оскама пришлось удалить примерно через 6 месяцев из-за возникшей стафилококковой инфекции.
Авторы этого достижения говорят, что их следующие шаги будут заключаться в том, чтобы сделать технологию менее громоздкой.
Блох и Куртин стали соучредителями компании Onward, которая планирует разработать оптимизированную, полностью интегрированную систему.
Команда также планирует проверить, может ли интерфейс «мозг-позвоночник» помочь улучшить или восстановить движения верхней части тела у пациентов с более высокими травмами позвоночника.
Фелингс очень хочет увидеть, как изменятся технологии.
«Это очень интересный случай. Это прекрасный образец инженерной мысли, — говорит он. — Но результаты следует интерпретировать с осторожностью».
Мы пишем о самых выдающихся достижениях науки, суперсовременных технологиях и их внедрении в нашу жизнь, рассказываем о том, каким будет будущее человечества.
Если вам нравятся наши новости, подписывайтесь на наш канали не забывайте ставить лайки. Эти нехитрые действия помогают нам в развитии и сборе средств для финансирования проекта.
Также наши сообщества есть в Telegram, Twitter*, ВК, Facebook*, "Одноклассниках". Приходите, если вы бываете там чаще, чем на Дзене.
* заблокированы или запрещены в РФ.
