Беспроводные имплантаты обманули рефлексы и позволили парализованным макакам вновь начать ходить

Беспроводная система состоит их крошечного чипа, беспроводного передатчика (слева), имплантируемого в голову и генератора импульсов (справа), соединённого с электродами.

Фото Alain Herzog, EPFL.

Исследователи разработали систему, которая с помощью беспроводных технологий соединяет мозг с нижней частью позвоночника в обход спинного мозга, чтобы восстановить движения обезьян.

Иллюстрация Jackson, A/Nature.

Женщина, которая научилась с помощью силы мысли управлять роботизированной рукой.

Фото Brown University.

Имплантат, работающий с помощью беспроводной связи.

Фото Alain Herzog/EPFL.

Травмы спинного мозга могут привести к параличу нижней части тела, поскольку серьёзное повреждение разрывает связь между головным мозгом и нижней частью спинного мозга, даже если оба конца этой цепи могут оставаться полностью работоспособными. Нарушается именно связь между ними, которая не позволяет голове управлять, к примеру, ногами.

Теперь же исследователи разработали систему, которая решает эту проблему, точнее обходит её, и позволяет двигательной зоне коры головного мозга связываться с нижней частью спинного мозга "без проводов". Эксперименты показали, что новая технология позволяет восстановить практически нормальную походку у парализованных макак.

За последние несколько лет были достигнуты большие успехи в области восстановления подвижности ног у людей, страдающих от травм спинного мозга. Некоторые люди используют имплантаты, которые стимулируют локальную нервную систему нижнего отдела позвоночника. Эти нервы не требуют своеобразного входного сигнала от мозга, но вместо этого могут принимать "подсказки" от датчика для восстановления некоторого движения даже у тех людей, которые ранее не чувствовали тело ниже пояса.

 

Вторая группа методов выявила другие способы передачи сигналов от мозга, которые контролируют движения в обход повреждённого спинного мозга и напрямую стимулируют мышцы ног для выполнения сложных задач.

Например, в 2012 году парализованная женщина получила возможность контролировать роботизированную руку с помощью силы мысли, а в 2014 году другой пациент Йэн Бёркхарт (Ian Burkhart) восстановил некоторый контроль над движениями рук и ног. Изначально он мог выполнять лишь простые задачи, держать ложку, например, но вскоре он научился выполнять и более сложные движения – смог играть на гитаре в видеоигре и размешивать себе чай.

В подобных случаях набор электродов размером с таблетку имплантируется в двигательную кору мозга, которая считывает мозговые волны, связанные с движением отдельных частей тела, и передаёт эти сигналы компьютеру, который интерпретирует их. Метод довольно хорош, но проблема в том, что эти сигналы передаются от мозга к компьютеру посредством толстого кабеля, заканчивающегося практически на макушке человека.

Женщина, которая научилась с помощью силы мысли управлять роботизированной рукой.

Но прогресс не стоит на месте, и теперь и эта проблема решена. Новый метод использует беспроводной нейросенсор для, собственно, беспроводной передачи сигналов, собранных от головного чипа, прямо на компьютер.

Последний декодирует их, а после отправляет обратно (также без использования каких-либо проводов) к устройству, подключённому к нижней части позвоночника пациента.

Далее генератор импульсов преобразует эти сигналы в электрические импульсы, которые имитируют обыкновенную "инструкцию", приходящую от мозга. Последняя даёт команды мышцам, как именно им надо двигаться.

"Система, которую мы разработали, использует сигналы, записанные в двигательной коре головного мозга. Они вызывают скоординированную электрическую стимуляцию нервов в позвоночнике, которые отвечают за передвижения", — рассказывает один из авторов исследования Дэвид Бортон (David Borton).

Но учёные не просто научились передавать беспроводные сигналы. Исследование позволило им также составить карту нейронной активности в нормальных условиях и при естественном поведении. "Если мы действительно стремимся к нейропротезированию, которое однажды может улучшить состояние пациентов, то такие не имеющие ограничений технологии будут иметь решающее значение", — добавляет специалист.

Исследователи разработали систему, которая с помощью беспроводных технологий соединяет мозг с нижней частью позвоночника в обход спинного мозга, чтобы восстановить движения обезьян.

Исследователи проверили работу системы, вживив чипы в головы здоровых обезьян. Затем они отслеживали сигналы, соотносящиеся с движениями лап при обычной прогулке животных. Чтобы определить, какие сигналы должны стимулировать разные части нервной системы позвоночника, специалисты использовали карту спинного мозга позвоночника, созданную ранее специалистами из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL). Она отмечает особые "горячие точки", ответственные за контроль опорно-двигательного аппарата.

Далее система была испытана на двух макаках, у которых были повреждения в верхней части позвоночника – травма, которая может привести к параличу. Однако, по словам исследователей, даже при таких повреждениях обезьяны восстановили контроль над конечностями примерно в течение месяца (полная мобильность возвратилась примерно через три месяца).

Во время ходьбы на беговой дорожке исследователи обнаружили, что животные были способны двигать повреждёнными лапами в обыкновенном режиме, практически так же, как и здоровые макаки.

Само по себе создание подобной системы и её испытание уже является большим шагом вперёд. Между тем, исследователи отмечают, что впереди ещё много работы до того, как её впервые можно будет испытать на людях в качестве реабилитационной помощи.

Исследование было опубликовано в научном издании Nature. Описание работы можно увидеть в видео ниже.

 

Добавим, что ранее австралийцы нашли способ починить спинной мозг, а нейроинтерфейсы и технология VR помогли парализованным людям сделать первые шаги после травмы.