40-годишен мъж, чиито крака са били парализирани при катастрофа с велосипед преди 12 години, може да ходи отново благодарение на импланти в гравния и гръбначния мозък. Интерфейсът между тях остава стабилен в продължение на една година, позволявайки на Герт-Ян Оскам да стои, да ходи, да се изкачва по стълби и да пресича сложен терен според проучване, публикувано в сряда в списание Nature. Оскам дори си възвръща контрола върху краката, когато устройството е изключено.

Новата разработка на Грегоар Куртен (Grégoire Curtin) и колегите му от ETH, Лозана, връща способността да ходи на човек с нараняване на шийния отдел на гръбначния стълб. Имплантите четат сигнали от моторните неврони на кората, алгоритъмът генерира стимулиращи сигнали, които друг имплант предава на гръбначния мозък под мястото на нараняване. 

Нараняванията на гръбначния мозък нарушават невронните пътища, необходими за комуникация с мозъка. Последствието може да бъде загуба на способността за движение на краката и ръцете, чувствителността и други физиологични функции. Световната здравна организация (СЗО) изчислява, че между 250 000 и 500 000 души се наранявани всяка година. Предлагат се различни стратегии за възстановяване на невронните връзки, както биологични (активиране на растежа на аксоните на невроните, трансплантация на невроглиални клетки, които поддържат растежа и т.н.), така и технологични. Досега обаче нито една стратегия не е призната за достатъчно ефективна и безопасна.

Международен екип от учени, ръководен от Грегоар Куртен, Джоселен Бльок (Jocelyn Bloch) от Университета на Лозана, Швейцария, и Гийом Шарве (Guillaume Charvet) от Университета на Гренобъл-Алпи, Франция, публикува доклад в Nature за тестване върху хора на Digital Bridge или интерфейс между главния и гръбначния мозък BSI (brain-spine interface). Те са изследвали подобен дизайн върху маймуни през последното десетилетие. Имплантиран чип в мозъка получава сигнали от невроните на моторния кортекс, които контролират движенията на задните крака и, използвайки безжичен интерфейс, предава декодираните сигнали към друг имплант, разположен под увреждането на гръбначния мозък (епидурална електрическа стимулация). В резултат на това животните отново могат да ходят.

Новата статия представя резултатите от експеримент, включващ човек с увреждане на гръбначния мозък. Две безжични записващи устройства, всеки от които съдържа 64 електрода, са хирургически имплантирани върху твърдата мозъчна обвивка (една от трите мембрани, които покриват мозъка, най-външната) върху области, които участват в контролирането на движенията на краката. (Този метод за провеждане на потенциали, при който електродите се поставят върху мозъка, се нарича електрокортикография или EКоГ, потенциалите имат по-голяма амплитуда и разделителна способност от ЕЕГ). Областите, които реагират най-добре на намерението за движение на краката, са избрани с помощта на компютърна томография и магнитоенцефалография. Имплантът също има две антени: едната го захранва чрез индуктивна връзка, а другата, свръхвисокочестотна, транслира сигнали от EКоГ в реално време към портативната базова станция, коята се налага засега да се носи в раница.

Третата мултиелектродна антена е имплантирана в твърдата обвивка на гръбначния мозък, така че сигналите да достигнат до входните зони на дорзалните коренчета. Тези структури се проектират върху сегментите на гръбначния мозък, които съдържат моторните неврони, които контролират мускулите на краката. Алгоритъмът на базовата станция декодира EКоГ сигналите и ги преобразува в стимулиращи сигнали. Те се предават на генератор на импулси, който от своя страна стимулира невроните на гръбначния мозък, а от тях сигналите отиват към мускулите.

Разположението на имплантите и обработващия блок в раницата, който преобразува мозъчните сигнали в сигнали за мускулна активация. Вдясно, хронофотографии на участника и цифрови операции на моста, успоредни на неговите движения: спектрограма на мозъчната активност, вероятността от движения на левия и десния крак, изчислена от тези сигнали, и получената модулация на амплитудата на стимулацията. Кредит:  Nature. 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06094-5 | CC BY 4.0

Досега дигиталният мост е имплантиран само на един пациент, който е претърпял катастрофа с велосипед десет години преди началото на изпитването. Частичното разкъсване на гръбначния мозък води до тетраплегия - загуба на функция на крайника. Герт-Ян Оскам не може да ходи сам, но „е вярвал, че е възможно“, както разказва пациентът на брифинг за пресата. Преди това той участва в клиничното изпитване STIMO, което включва петмесечна неврорехабилитационна програма с електрическа стимулация на гръбначния мозък. Възстановена е способността му за придвижване с проходилка, но няма допълнителни подобрения.

Поставянето на имплантите не изисква много време, след всяка операция пациентът се изписва в рамките на един ден, а в следващите 20 месеца наблюдение се налага само рядко повторно калибриране. Още след петминутно първоначално калибриране, BSI поддържа непрекъснат контрол на активността на мускулите на бедрото (нарушенията ги засягат в най-голяма степен). Мускулната активност се увеличава пет пъти в сравнение с опитите без BSI. Интуитивният контрол върху движенията на краката е възстановен: Герт-Ян може да стои, да ходи, да изкачва стълби и дори да пресича сложни терени.

След програмата за неврорехабилитация се наблюдават известни подобрения дори при изключен BSI (видео).

Подобрени не само двигателни характеристики, но и чувствителността към леко докосване.

„Тези подобрения без стимулация се превърнаха в значителни подобрения в качеството на живот на пациента, като например способността да се разхожда самостоятелно у дома, да влиза и излиза от кола или да пие напитки с приятели, стоящи в бара“, отбелязват авторите на статията. „Надяваме се, че дигиталният мост осигурява основата за възстановяване на естествения контрол на движението".

В предишни проучвания авторите вече са използвали електрическа стимулация на гръбначния мозък за възстановяване на двигателната активност при хората. Разликата между новото изследване и предишните е, че тук авторите декодират движенията според активността на мозъка, а не според остатъчните движения, които се записват от сензори, прикрепени към тялото. Участниците в предишни опити съобщават за трудности при адаптирането на движенията на краката към различни терени и ходенето не се възприема като напълно естествено. Дигиталният мост изглежда преодолява тези ограничения.

В бъдеще авторите планират да потвърдят тези резултати при други пациенти, включително такива с пълно разкъсване на гръбначния мозък, а също и да направят носимите компоненти по-компактни. Освен това те мислят как да възстановят движенията на ръцете по подобен начин след инсулт или при болестта на Паркинсон.

Справка: Lorach, A. A., et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain-spine interface // Nature. 2023. DOI:  10.1038/s41586-023-06094-5

Източник: Paralyzed man walks naturally, thanks to wireless ‘bridge’ between brain and spine, Science

Още по темата

07/01/2016

Животът

Нови мозъчни импланти имат потенциала да възстановяват парализирани крайници

25/09/2015

Медицина

Парализиран използва сигналите на мозъка си, за да ходи отново (видео)

14/09/2015

Медицина

Протеза връща на парализирани хора усещането за допир

04/08/2015

Медицина

Електростимулации връщат на парализирани радостта от движението (видео)