Игорь Лавров, Дмитрий Саенко, Юрий Герасименко и другие научные сотрудники нейроинженерной лаборатории в клинике Мейо (США) применили электрическую стимуляцию спинного мозга, чтобы помочь парализованному пациенту по имени Джеред Чиннок (Jered Chinnock) двигать ногами, стоять почти без посторонней помощи (при напряжении тока 2,1 вольта) и совсем без посторонней помощи (когда напряжение подняли до 2,2 вольт). По словам учёных, впервые в истории медицины эпидуральная электрическая стимуляция (EES) позволила парализованному пациенту совершить такие действия в течение всего двух недель, то есть восьми стимуляционных сессий EES после активации имплантата.
В эпидуральное пространство позвоночника Джареда вставили планку с 16 электродами (Specify 5-6-5, Medtronic). Электроды получали сигнал от другого имплантата RestoreSensor SureScan MRI (Medtronic) и стимулировали спинной мозг без всякого воздействия на мышцы. Сигналы подавались импульсами по 0,5 миллисекунд на частоте 1 Гц с напряжением до 5,5 вольт.
Даже без предварительного обучения парализованный пациент смог силой воли двигать пальцами и целыми ногами. Чудо, к которому привыкли все остальные, т.н. «нормальные» люди.
Джаред Чиннок сломал спину три года назад в результате автомобильной аварии. Повреждение спинного мозга в шестом грудном позвонке означает, что парень ничего не мог чувствовать ниже торса. Хотя ноги и другие органы остались в целости, но к ним уже не проходил сигнал от головного мозга.
Перед имплантацией устройства пациент прошёл многократные сеансы интенсивной физической терапии. Группа из 30 специалистов работала над ним 22 недели, проводя по три тренировки в недели. Они должны были восстановить тонус мышц и подготовить их к нагрузке и получению сигналов от спинного мозга. Также было важно стимулировать сам спинной мозг: определить те конкретные места, где наблюдается нейронная активность во время стимуляции мышц и попыток определённых движений со стороны пациента. Именно в эти места затем были установлены 16 электродов.
Врачи постоянно проводили тесты — и некоторые из результатов позволили сделать вывод, что повреждение спинного мозга может быть «обратимым», то есть можно попробовать восстановить прохождение сигнала через место повреждения в пояснично-крестцовом отделе позвоночника.
На иллюстрации показан профиль повреждения спинного мозга у пациента. По нему видно, что некоторые показатели улучшились после 16 недель физической терапии, по сравнению с показателями после 8 недель. Только на второй месяц испытаний у пациента по результатам электромиографии была зарегистрирована первая активность (на иллюстрации F справа внизу).
После физической терапии пациенту имплантировали электрод в эпидуральное пространство позвоночника чуть ниже места повреждения в шестом грудном позвонке — в поясничное утолщение примерно посередине спины. Электрод подключался к устройству с компьютерным управлением, вмонтированному под кожу. Идея была в том, чтобы модулировать сигнал, который был бы естественным путём проходить по нейронам спинного мозга. Компьютер передаёт сигнал на устройство, а оно через электрод модулирует сигнал определённого вида.
Джаред говорит, что смог двигать пальцами уже в первый день, когда специалисты активировали электронный стимулятор. В течение двух недель он успешно совершил движения ходьбы (лёжа на кушетке) и самостоятельно стоял на месте без помощи врачей, только при самостоятельной поддержке руками верхней части тела за параллельные брусья.
Показатели электромиографии (внизу) при подаче через указанные электроды сигналов с разным напряжением: 1,5 вольта и 2,2 вольта
Джаред двигает ногой с разной степенью интенсивности
Нейрохирурги говорят, что результаты эксперимента превзошли ожидания, а пациент продолжает демонстрировать прогресс по мере привыкания к нейромодуляции от имплантата.
Этот медицинский случай описан 3 апреля 2017 года в журнале Mayo Clinic Proceedings.
Парализованный пациент стоит на месте, а также контролируемо покачивается
Нейроинженеры выражают надежду, что дальнейшее развитие этой технологии поможет вернуть базовые двигательные функции многим другим парализованным людям. Конечно, они не смогут бегать как спортсмены, но смогут хотя бы стоять на месте без посторонней помощи и даже медленно ходить. Судя по всему, условием для частичного возвращения двигательных функций является то, что повреждение является необратимым. Но чтобы удостовериться, что по повреждённому участку спинного мозга ещё может проходить сигнал, в любом случае понадобится пройти длительные исследования, тесты и терапию.
К сожалению, учёным пока не удалось расшифровать реальные сигналы, которые головной мозг отправляет по спинному мозгу. Нынешние эксперименты похожи на опыты Павлова, хотя на более высоком уровне. Учёные только нащупывают путь к настоящему управлению нервной системой извне и транслятору сигналов с компьютера в нейроны и обратно с расшифровкой и кодировкой в реальном времени.
Комментарии (27)
Ariez
07.04.2017 22:18+1Очень любопытно. Нашли бы еще центр генерации локомоторного паттерна ходьбы у людей — было бы еще любопытнее. Можно было бы за счет импланта нажимать кнопку — и человек начинает ходить…
Поясню, о чем я.
Достаточно давно уже обнаружили интересные вещи. К примеру, над беговой дорожкой подвешивали т.н. «спинальную кошку» (кошку с травмой спинного мозга) так, чтоб ее задние лапы касались опоры. При запуске беговой дорожки активировался паттерн ходьбы — то есть лапы выполняли правильное шагательное движение при полном отсутствии контроля со стороны головного мозга, что свидетельствовало о наличии особых генераторов ритмических локомоторных паттернов у животных. Более того, при изменении угла плоскости опоры лапы подстраивались. Затем уже в опытах даже устанавливали специальные импланты, которые (при стимуляции определенной частотой) давали генерацию ходьбы.
Вот только не могу вспомнить, нашли-таки такие генераторы у человека или пока нет. В теории-то быть должны, но у нас многие «эволюционно-примитивные» вещи работают не так, как у более низших млекопитающих
nevergonnagiveyoup
07.04.2017 23:24У приматов возможность тонких манипуляций заместила автоматизацию.
ra3vdx
07.04.2017 23:48Думаю, эти паттерны содержатся в моторной коре ГМ, раз Вы не привели ссылок.
В прошлом году был успешный опыт по их декодированию у приматов с аналогичной травмой.Ariez
07.04.2017 23:55А вот нет, нашел-таки данные, что постепенно опровергаются варианты централизации локомоторных центров.
Думаю, если сильно поискать — найду еще, тем более что коллега упоминал об аналогичных экспериментах в США, правда за счет химического импульса (если не путаю ничего).
Ну и да, надо добраться до относительно свежего труда академика Иваничева («Генераторные системы в невропатологии»), возможно там более фундаментально этот вопрос поднят. Советовали, но пока не успел ее приобрести.
По вашей ссылке там другое. Фактически они сделали «протез» спинного мозга, который обеспечивает передачу информации о целенаправленном движении. Я же говорю о локомоторных центрах вне ЦНС, которые обеспечивают некоторые паттерны (ходьба, бег и т.д.).ra3vdx
08.04.2017 00:12Да я понял Вас. Только у меня очень большие сомнения в том, что эти паттерны хранятся где-то ещё, кроме ГМ. Тем более, пару месяцев назад видел статью о том, что т.н. «мышечная память» — это миф (к сожалению, запамятовал, где именно, а гугл выдаёт всякую маргинальщину вроде фитнесс-центров).
За ссылку спасибо, но только по ней «Из 65 обследованных здоровых испытуемых только у 7 человек (приблизительно 10%) вызывались непроизвольные шагательные движения при электромагнитной стимуляции спинного мозга.»
То есть, надо более предметно смотреть, да и РИНЦ у журнала не внушает доверия, откровенно говоря. Если сильно интересует, могу поспрашивать у А. Водовозова, Н. Жукова или А. Панчина — они просматривают научно-медицинскую литературу, может, и попадалось что-то.Ariez
08.04.2017 00:27Эти паттерны хранятся, ибо чисто эволюционно, в плане организации движений, человек потерял не очень много. Просто более древние структуры у нас меньше участвуют в построении движений, чем «новые». Это у Бернштейна хорошо описано в «О построении движений» и «О ловкости и ее развитии». А у детей кстати этот рефлекс в принципе присутствует (до 3-4 месяцев т.н. «шаговый» рефлекс). Далее он замещается, но, тем не менее, весьма вероятно что его можно «разбудить».
Насчет источника — да, согласен, это просто было чуть ли не первое, на что наткнулся. Буду искать еще, ибо уже давно интересуюсь темой, и точно помню, как один коллега-невролог, глубокий фундаментальщик, мне об этом говорил. Надо его помучить )))
А «мышечной памяти» есессно нет, это бред. 100 раз возьмете кружку со стола — все 100 раз это будет разное движение. А НС формирует движение по принципу «начальная точка — конечная точка» с учетом наименьшей затраты энергии. Но там есть свои, несколько более глубинные механизмы. Я об этом готов вообще часами говорить, поэтому лучше умолкну, а то будет мини-лекция =D
UPD кстати, по вашей же ссылке
Тем не менее, авторы уже начали первые клинические испытания в госпитале Лозаннского университета: двум парализованным пациентам имплантировали генераторы пульса в поясничный отдел спинного мозга. Этим пациентам, однако, не будут вживлять импланты в головной мозг, так что пока они не смогут сами контролировать движения своих ног.
ra3vdx
08.04.2017 12:37Конечно хранятся. В головном мозге. Разумеется, есть и шагательный рефлекс и хватательный. Моро и Бабинского и куча других. Но если повредить нервы, идущие от мышц, могу предположить, что никто ничего хватать не будет.
Ariez
08.04.2017 20:39«если повредить нервы, идущие от мышц»
У кошек, к примеру, шагательный автоматизм «запускался» всего лишь (!!!) в ответ на реакцию опоры лап. То, что пока что у людей эти центры не на 100% найдены, не говорит о том, что их нет.ra3vdx
08.04.2017 20:43Не говорит, совершенно верно. Про кошек не знаю, Вам в сети не попадались видео собак после травмы позвоночника? Почему-то у них ничего не запускается и приходится делать тележку на колёсиках, чтобы они могли хоть как-то передвигаться самостоятельно.
Ariez
08.04.2017 21:18Видел. Тем не менее факт того, что кошка со спинальной травмой при реакции лап на беговую дорожку выдает шагательный автоматизм — весьма известная штука (по крайней мере я это неоднократно встречал как в отечественных, так и в зарубежных статьях). Именно из этих экспериментов и вытекает предположение о наличии в спинном мозге аналогичных генераторов у человека.
Meklon
08.04.2017 08:21+1http://scholar.google.com
Это чтобы ничего кроме статей не выпадало в поиск.
redpax
08.04.2017 09:46"Мышечная память" существует, возможно не в мышца, но эффект имеет место быть, я занимаюсь бодибилдингом уже 18 лет и могу утверждать это с уверенностью, тренированый атлет даже после потери большого объема мышечной ткани, способен востановить силовые показатели и прежнии объемы на 90% от прежних уже за 1 месяц, что невозможно для никогда не тренированного человека.
Meklon
08.04.2017 09:55Это скорее из-за наличия развитой сети сосудов, которые особо никуда не исчезают.
bitver
07.04.2017 23:18+2Не кидайте тапками, но название статьи у меня вызвало ассоциации про лапки лягушек.
А по делу, эпоха киборгов все ближе.
EnigMan
08.04.2017 01:22+1Статью прочитал, но так и не понял до конца. Пациенту с повреждением спинного мозга вживили имплант ниже места травмы. При стимуляции спинного мозга через имплант к ногам стали проходить сигналы из головного мозга через поврежденный участок. Так?
ThunderCat
08.04.2017 13:59+1Игорь Лавров, Дмитрий Саенко, Юрий Герасименко и другие научные сотрудники нейроинженерной лаборатории в клинике Мейо (США)
немного грустно и обидно, хотя я и не из России…
sortarage
09.04.2017 00:59Пардон, а почему вы решили что они из России? :) Особенно, Саенко и Герасименко.
ThunderCat
09.04.2017 15:36У гугла спросил. Мог, конечно, соврать, шельмец, но я его так люблю и верю…
Pafnutyi
09.04.2017 23:39Нервные импульсы могут подстраиваться под повреждения и передаваться совсем другими участками.
Arxitektor
10.04.2017 10:00А может просто имплант сработал как усилитель?
Тока или напряжения не хватало а он поднял напругу на линии?
Lopar
10.04.2017 14:08Главное, чтобы после окончания исследований у человека не отобрали и прибор и возможность двигаться. В прошлом году была подобная история, где, если память не изменяет, был протез руки, стимулируемый мозговыми волнами. Там исследование закончили, продукт запатентовали и у больного его сразу отобрали.
agaruppa
Я подозреваю что было бы неплохо привлечь людей связанных с компьютерными науками для расшифровки сигналов мозга. Провести реверс инжинириг. Вполне могли бы быть результаты.
Vsevo10d
Я подозреваю, что не зря все основные исследования электрических сигналов в нервах проводились на аксонах кальмара, которые обладают гигантскими размерами. Это вопросы наноэлектроники и вообще изучение поведения подобного размера проводников и потенциала на границе с нервной тканью. Да и прозванивать живого человека вам никто не даст.
mistergrim
Я подозреваю, что эти люди уже давно привлекаются.