Парализованный человек ходит естественно благодаря беспроводному «мосту» между мозгом и позвоночником | Наука

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 а, которые передавали нервно-стимулирующие электрические импульсы. Устройство позволяло ему ходить, но процесс был неестественным и иногда вызывал разочарование.

Сегодня в Природамеждународная группа исследователей сообщает, что дала Oskam лучшее решение, способ в цифровом виде преодолеть разрыв связи между его мозгом и нижней частью тела. Мозговые волны, сигнализирующие о желании Оскара ходить, передаются от устройства, имплантированного в его череп, к спинальному стимулятору, перенаправляя сигнал вокруг поврежденной ткани и доставляя импульсы электричества 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 настоящая демонстрация силы». Но он и другие, в том числе авторы исследования, подчеркивают, что важно признать, что исследование является доказательством концепции с одним участником. Пока неясно, увидят ли другие люди с травмами спинного мозга те же результаты.

Некоторые парализующие травмы полностью разрывают спинной мозг, но чаще остаются поврежденные связи между головным мозгом и нижней частью тела. На протяжении десятилетий ученые пытались найти способы восстановить эти поврежденные 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 дуэт и коллеги показали, что стимуляция позвоночника в сочетании с интенсивными тренировками может помочь людям с частичным параличом ходить. Оскам был одним из первых трех 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 тяжелыми травмами у которых не было чувствительности или движений в ногах.

Но спинальная стимуляция имеет некоторые недостатки. Чтобы инициировать ходьбу или стояние, пользователь должен вручную спровоцировать сигнал, например, нажав кнопку. Оскар все еще мог поднять пятку после травмы, и датчик на его ноге мог обнаружить это крошечное движение, запуская стимулятор. После этого индуцированное движение было роботизированным и автоматическим — не под сознательным контролем Оскара. Сама по себе стимуляция позвоночника — это «немного кукловодство», — говорит Деннис Бурбо, инженер-биомедик из Медицинского центра по делам ветеранов Луи Стоукса в Кливленде и исследователь системы MetroHealth.

«С каждым шагом я чувствовал себя немного напряженным, — говорит Оскар. «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, подъем по лестнице, были недоступны.

Новая система направлена ​​на то, чтобы сделать процесс более плавным. Интерфейс мозга 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 передаются по беспроводной сети на гарнитуру, а затем на ноутбук в рюкзаке, который носит Оскар, где алгоритм расшифровывает его предполагаемое движение. Затем компьютер отправляет эти прогнозы на стимулятор, который подает 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», — говорит Ан До, невролог из Калифорнийского университета в Ирвине.

Обновленная система Оскара позволяет ему более точно контролировать свои тазобедренные, коленные и голеностопные суставы. После 40 тренировок он может шагать, ходить, стоять и даже подниматься по лестнице. И преимущества, кажется, сохраняются, даже когда устройства выключены, что предполагает, что связи между его мозгом и нижней частью тела, возможно, укрепились.

«Это все еще очень ранние дни, но как доказательство концепции на человеке, я думаю, это огромный шаг вперед», — говорит Нандан Лад, нейрохирург из Университета Дьюка.

Майкл Фелингс, нейрохирург из Университета Торонто, говорит, что результаты впечатляют, но пока неясно, какие люди с травмами спинного мозга могут получить пользу и в какой степени они смогут восстановить свои функции. «Это n из 1, и пациент, вероятно, был тщательно отобран».

А некоторых пациентов может оттолкнуть инвазивность терапии. Имплантация устройств требует открытой операции на головном мозге, что сопряжено с риском. Фактически, один из мозговых имплантатов оскама пришлось удалить примерно через 6 месяцев из-за стафилококковой инфекции.

Исследователи говорят, что их следующие шаги будут заключаться в том, чтобы сделать технологию менее громоздкой. Блох и Кортин 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 развиваются технологии. «Это очень интересный случай. Это прекрасный образец инженерной мысли», — говорит он. «Но результаты следует интерпретировать с осторожностью».