Каждый раз, когда мы двигаемся, головной мозг посылает электрические сигналы по спинному мозгу, а тот передает их по нервным волокнам мышцам, заставляя их сокращаться. Когда спинной мозг оказывается поврежден, эта передача нарушается, что в конечном итоге приводит к параличу. Пока он практически неизлечим — операционные вмешательства, фармакологическая и мануальная терапия помогают далеко не во всех случаях. По оценкам ВОЗ,

травмы спинного мозга ежегодно получают от 250 тыс. до 500 тыс. человек. Часто эти травмы приводят к инвалидности.

Но ученые и нейроинженеры из Брауновского университета в США, Федеральной политехнической школы Лозанны и компаний Fraunhofer ICT-IMM и Medtronic нашли способ восстановить подвижность парализованных конечностей. Они разработали нейроимплант, который позволяет вернуть нарушенную связь между мозгом и позвоночником. Идея использовать электронные импланты для восстановления поврежденных нейронных связей появилась еще в 1970-е, но только в XXI веке удалось достичь значительного прогресса в этой области.

Интерфейс «мозг — позвоночник» использует имплантированную в мозг матрицу электродов, сенсор размером с таблетку. Он считывает сигналы моторной коры и по беспроводной связи, аналогичной Wi-Fi, передает их компьютеру. Компьютер декодирует сигналы, обрабатывает с помощью специального математического алгоритма и передает к электрическому стимулятору, имплантированному в поясничном отделе позвоночника, ниже области повреждения. О разработке подробно рассказывается в журнале Nature.

Технология была разработана в сотрудничестве с Университетом Кейс Вестерн Резерв, Массачусетской больницей общего профиля, Медицинским центром по делам ветеранов в Провиденсе и Стэнфордским университетом. Ранее ее уже тестировали в Брауновском институте — на испытаниях люди с параличом верхних конечностей могли управлять роборукой буквально силой мысли, думая о движениях, которые совершили бы.

Сначала специалисты имплантировали электроды и передатчик в мозг здоровых макак-резусов.

Сигналы, передаваемые сенсором на компьютер, позволили создать «карту» движений ног макак.

Также они показали, что алгоритм способен точно предсказывать состояния мозга, связанные с расширением и сокращением мышц ног.

«Делая это с помощью беспроводной связи, мы смогли составить карту нейронной активности в нормальных условиях и при естественном поведении, — рассказывает Дэвид Бортон, один из авторов исследования. — Если мы действительно стремимся к нейропротезированию, которое однажды можно будет использовать, чтобы помогать людям в их повседневной активности, такие не имеющие ограничений технологии записи будут иметь решающее значение».

К собственному пониманию того, как сигналы мозга влияют на двигательную активность, исследователи добавили спинальные карты, разработанные в Политехнической школе Лозанны. В картах содержалась информация о «горячих точках» в позвоночнике, ответственных за контроль опорно-двигательного аппарата. Это позволило выявить нервные контуры, которые должен был стимулировать позвоночный имплант.

Решающим шагом стал эксперимент на двух макаках с повреждениями, охватывающими половину спинного мозга в грудном отделе позвоночника. По словам исследователей, при таких повреждениях контроль над конечностями восстанавливается примерно в течение месяца. Команда проводила эксперимент сразу после повреждения, когда ни о каком контроле еще и речи идти не могло.

После включения системы животные начали самопроизвольно двигать ногами во время ходьбы на беговой дорожке. «Вся команда вопила в комнате, когда мы это увидели», — делится Грегори Куртин, профессор из Политехнической школы Лозанны. До этого ему доводилось видеть много провалившихся экспериментов по восстановлению двигательной активности:

«Это первый случай, когда с помощью нейротехнологий удалось восстановить двигательную функцию у приматов».

Ритм движений был неидеален, но макаки не волочили ноги и движения были достаточно скоординированны, чтобы поддерживать и перемещать тело животного. Кинематическое сравнение со здоровой контрольной группой показало, что больные макаки с помощью стимуляции мозга были в состоянии воспроизводить почти нормальные движения конечностей.

Как подчеркивают исследователи, для тестов на людях требуется проделать еще немало работы: сигналы человеческого мозга декодировать сложнее. Они рассказывают про ряд ограничений в исследовании.

Например, хотя система успешно передает сигналы от мозга к позвоночнику, ей недостает способности донести сенсорную информацию к мозгу. К тому же команде не удалось проверить, какое давление макаки были в состоянии применить к пораженной ноге: хотя было очевидно, что конечность способна вынести некоторый вес, не было понятно, какой именно. Кроме того, сенсор не был связан с группой нейронов, отвечающих за ритмическую координацию, именно поэтому походка макак была несколько неустойчивой.

«В более полном исследовании мы хотели бы произвести больше вычислений того, как животное держит равновесие во время ходьбы, и измерить, сколько усилий оно способно приложить», — делится планами Бортон.

Тем временем профессор Куртин проводит в госпитале Лозанны клинические испытания имплантов несколько иного рода. Они представляют собой генераторы электрических импульсов, крепящиеся к нижним позвонкам. В мозг электроды не имплантируются, так что контролировать движения самостоятельно участники эксперимента не могут.

Исследователи надеются, что в будущем эти разработки помогут поставить на ноги тысячи пациентов по всему миру.

Каждый раз, когда мы двигаемся, головной мозг посылает электрические сигналы по спинному мозгу, а тот передает их по нервным волокнам мышцам, заставляя их сокращаться. Когда спинной мозг оказывается поврежден, эта передача нарушается, что в конечном итоге приводит к параличу. Пока он практически неизлечим — операционные вмешательства, фармакологическая и мануальная терапия помогают далеко не во всех случаях. По оценкам ВОЗ,

травмы спинного мозга ежегодно получают от 250 тыс. до 500 тыс. человек. Часто эти травмы приводят к инвалидности.

Но ученые и нейроинженеры из Брауновского университета в США, Федеральной политехнической школы Лозанны и компаний Fraunhofer ICT-IMM и Medtronic нашли способ восстановить подвижность парализованных конечностей. Они разработали нейроимплант, который позволяет вернуть нарушенную связь между мозгом и позвоночником. Идея использовать электронные импланты для восстановления поврежденных нейронных связей появилась еще в 1970-е, но только в XXI веке удалось достичь значительного прогресса в этой области.

Интерфейс «мозг — позвоночник» использует имплантированную в мозг матрицу электродов, сенсор размером с таблетку. Он считывает сигналы моторной коры и по беспроводной связи, аналогичной Wi-Fi, передает их компьютеру. Компьютер декодирует сигналы, обрабатывает с помощью специального математического алгоритма и передает к электрическому стимулятору, имплантированному в поясничном отделе позвоночника, ниже области повреждения. О разработке подробно рассказывается в журнале Nature.

Технология была разработана в сотрудничестве с Университетом Кейс Вестерн Резерв, Массачусетской больницей общего профиля, Медицинским центром по делам ветеранов в Провиденсе и Стэнфордским университетом. Ранее ее уже тестировали в Брауновском институте — на испытаниях люди с параличом верхних конечностей могли управлять роборукой буквально силой мысли, думая о движениях, которые совершили бы.

Сначала специалисты имплантировали электроды и передатчик в мозг здоровых макак-резусов.

Сигналы, передаваемые сенсором на компьютер, позволили создать «карту» движений ног макак.

Также они показали, что алгоритм способен точно предсказывать состояния мозга, связанные с расширением и сокращением мышц ног.

«Делая это с помощью беспроводной связи, мы смогли составить карту нейронной активности в нормальных условиях и при естественном поведении, — рассказывает Дэвид Бортон, один из авторов исследования. — Если мы действительно стремимся к нейропротезированию, которое однажды можно будет использовать, чтобы помогать людям в их повседневной активности, такие не имеющие ограничений технологии записи будут иметь решающее значение».

К собственному пониманию того, как сигналы мозга влияют на двигательную активность, исследователи добавили спинальные карты, разработанные в Политехнической школе Лозанны. В картах содержалась информация о «горячих точках» в позвоночнике, ответственных за контроль опорно-двигательного аппарата. Это позволило выявить нервные контуры, которые должен был стимулировать позвоночный имплант.

Решающим шагом стал эксперимент на двух макаках с повреждениями, охватывающими половину спинного мозга в грудном отделе позвоночника. По словам исследователей, при таких повреждениях контроль над конечностями восстанавливается примерно в течение месяца. Команда проводила эксперимент сразу после повреждения, когда ни о каком контроле еще и речи идти не могло.

После включения системы животные начали самопроизвольно двигать ногами во время ходьбы на беговой дорожке. «Вся команда вопила в комнате, когда мы это увидели», — делится Грегори Куртин, профессор из Политехнической школы Лозанны. До этого ему доводилось видеть много провалившихся экспериментов по восстановлению двигательной активности:

«Это первый случай, когда с помощью нейротехнологий удалось восстановить двигательную функцию у приматов».

Ритм движений был неидеален, но макаки не волочили ноги и движения были достаточно скоординированны, чтобы поддерживать и перемещать тело животного. Кинематическое сравнение со здоровой контрольной группой показало, что больные макаки с помощью стимуляции мозга были в состоянии воспроизводить почти нормальные движения конечностей.

Как подчеркивают исследователи, для тестов на людях требуется проделать еще немало работы: сигналы человеческого мозга декодировать сложнее. Они рассказывают про ряд ограничений в исследовании.

Например, хотя система успешно передает сигналы от мозга к позвоночнику, ей недостает способности донести сенсорную информацию к мозгу. К тому же команде не удалось проверить, какое давление макаки были в состоянии применить к пораженной ноге: хотя было очевидно, что конечность способна вынести некоторый вес, не было понятно, какой именно. Кроме того, сенсор не был связан с группой нейронов, отвечающих за ритмическую координацию, именно поэтому походка макак была несколько неустойчивой.

«В более полном исследовании мы хотели бы произвести больше вычислений того, как животное держит равновесие во время ходьбы, и измерить, сколько усилий оно способно приложить», — делится планами Бортон.

Тем временем профессор Куртин проводит в госпитале Лозанны клинические испытания имплантов несколько иного рода. Они представляют собой генераторы электрических импульсов, крепящиеся к нижним позвонкам. В мозг электроды не имплантируются, так что контролировать движения самостоятельно участники эксперимента не могут.

Исследователи надеются, что в будущем эти разработки помогут поставить на ноги тысячи пациентов по всему миру.