Ученые Массачусетского технологического института (MIT), занимающиеся использованием света для управления мышцами, считают, что оптогенетика может решить проблемы с протезами вместо использования электричества для стимуляции мышц.
В подтверждение этого исследователи из Центра бионики им. К. Лизы Янг при Массачусетском технологическом институте (MIT) продемонстрировали, как свет может управлять мышцами, не вызывая сильной усталости. Согласно их сообщению, этот подход открывает множество возможностей для применения, но нуждается в дальнейшей разработке, прежде чем его можно будет применить к людям.
Нейропротезные системы, стимулирующие сокращение мышц с помощью электрического тока, уже существуют на рынке. Хотя эти устройства полезны парализованным людям или людям, перенесшим ампутацию, этот метод имеет недостатки, связанные с плохим контролем и быстрой мышечной усталостью, что приводит к низкому употреблению таких устройств. Как отмечают исследователи MIT, традиционные системы используют функциональную электрическую стимуляцию (FES) для контроля мышц. В FES исследователи имплантируют электроды, которые стимулируют нервные волокна и заставляют мышцы сокращаться. Такая стимуляция заставляет сокращаться всю мышцу одновременно, что не соответствует естественному функционированию тканей.
В естественном процессе мышцы последовательно задействуют мелкие двигательные единицы, за которыми следуют двигательные мускулы среднего размера, а затем самые крупные. Однако в случае с FES в первую очередь подключаются самые крупные. “В начале прикладывания силы она небольшая, а затем она значительно растет”, - сказал Хью Герр, профессор искусств и естественных наук Массачусетского технологического института и руководитель этого исследования в пресс-релизе института.
Увеличение силы имеет два результата. Становится трудно контролировать мелкую моторику, в то время как мышцы быстро устают в течение пяти-десяти минут. Команда Хью Герра задалась вопросом, можно ли заменить электроды на более новую систему, которая можно было бы настроить более эффективно.
Согласно пояснениям ученых MIT, проводивших исследования, в оптогенетике используется генная инженерия для модификации клеток таким образом, чтобы они производили светочувствительные белки. Внешний источник света может активировать или деактивировать клетки, предоставляя исследователям ненавязчивый способ управления ими. В этой связи исследователи MIT решили использовать оптогенетику для контроля мышечных сокращений у мышей. С этой целью они использовали генетически модифицированных мышей, которые могли экспрессировать светочувствительный белок под названием каналродопсин-2.
Чтобы стимулировать клетки, исследователи имплантировали небольшой источник света рядом с большеберцовым нервом, который отвечает за мышечные движения в голени. Как и предполагалось, исследователи обнаружили, что оптогенетический контроль приводит к более постепенному увеличению мышечного сокращения, в отличие от нейропротезного метола.
“Изменяя оптическую стимуляцию, которую мы оказываем на нерв, мы можем пропорционально, почти линейным образом, контролировать силу мышц”, - отмечают исследователи. “Это похоже на то, как сигналы от нашего мозга управляют нашими мышцами. Благодаря этому управлять мышцами становится легче по сравнению с электрической стимуляцией”.
В рамках своего исследования ученые MIT также создали математическую модель для оптогенетического управления мышцами, которая может предсказать работу мышцы, используя поступающий внутрь свет. Затем эта модель была использована для разработки контроллера с замкнутым контуром, который мог регулировать световую стимуляцию в зависимости от силы, создаваемой мышцей, и желаемого результата. Математическая модель предполагает, что оптогенетический контроль мышц может обеспечить до одного часа мышечной стимуляции, прежде чем наступит усталость, а также превысит 15 минут, которые возможны при использовании FES.
Результаты исследования ученых Массачусетского технологического института опубликованы в журнале Science Robotics