Autorki: Anna Piekarz, Monika Marczak

Jak przy przerwaniu rdzenia w kręgosłupie przywrócić możliwość chodzenia? Brzmi to jak science-fiction, ale właśnie udało się to po raz pierwszy na naczelnych! Rezusy sparaliżowane w wyniku lezji rdzenia, zaczęły chodzić już po 6 dniach dzięki połączeniu technologii implantów mózgowych, interfejsu mózg-komputer oraz elektrostymulacji mięśni.

Badania te, opublikowane w Nature, zawdzięczamy zespołowi Grégoire Courtine z Centrum Neuroprostetyki EPFL. Czy to nazwisko brzmi Wam dziwnie znajomo? Podpowiemy dlaczego! Mogliście oglądać jego wystąpienie z 2013 roku w TED, gdzie opowiadał o podobnych badaniach i osiągnięciach na szczurach. Jak widać, wieloletnie interdyscyplinarne badania i dobrze postawiony cel w końcu przynoszą efekty!

Dla przypomnienia TED z 2013:

Co to znaczy przerwanie rdzenia i skąd bierze się paraliż?

A teraz trochę o tym, jak tego dokonano. Najpierw wypada przypomnieć, na czym polega problem po uszkodzeniu rdzenia kręgowego.

Poruszanie rękoma i nogami działa dzięki nieustannej wymianie informacji między mózgiem (dla uproszczenia: korą czuciową i ruchową), a kończynami. Kończyny transmitują „jesteśmy tutaj, dotykamy tego, jesteśmy w takim ułożeniu, napięte są takie i takie mięśnie” etc., kora ruchowa przekazuje „to teraz napnij te i te mięśnie, te rozluźnij, zegniemy nogę, przełożymy ciężar ciała na drugą stronę….”

Powodem, dla którego pacjenci z uszkodzeniem rdzenia kręgowego nie są w stanie poruszać sparaliżowaną kończyną, jest przerwanie drogi komunikacyjnej pomiędzy korą ruchową a mięśniami szkieletowymi. To tak jakby uciąć linię telefoniczną - żadna ze stron nie może już rozmawiać z tą drugą. Sygnały nie przechodzą.

Jak sprawić, żeby znów chodzić?

Na wstępie trzeba zaznaczyć, że w trakcie tych badań celem było przywrócenie motoryki, a nie czucia czy przekazywania innych informacji. To ważne, bo podstawą tego programu nie było przechwytywanie wszystkich informacji znad miejsca uszkodzenia i przekazywanie ich poniżej. Takie techniki - choć też testowane - nie przyniosły jeszcze pożądanych efektów w postaci przywrócenia zdolności chodzenia.

W tych badaniach podstawą było dekodowanie i modelowanie intencji ruchu poprzez interfejs mózg-komputer. Co to znaczy?

„Chcieliśmy przywrócić możliwość lokomocji u naczelnych z uszkodzeniem rdzenia kręgowego. W tym celu przygotowaliśmy mózgowo-rdzeniowy interfejs, który dekoduje z sygnałów kory mózgu intencję ruchu i omijając lezję wysyła te informacje wprost do rdzenia kręgowego pod miejscem uszkodzenia w celu przywrócenia pierwotnego ruchu i chodu.” opisuje w wywiadzie Courtine

Eksperyment przeprowadzono na makakach rezus pomiędzy 4 a 9 rokiem życia. Dwa spośród dziewięciu zwierząt zostały poddane operacjom uszkodzenia rdzenia kręgowego. Podczas zabiegu dokonano częściowej laminektomi czyli usunięcia wyrostków kolczystych i łuków kręgów T7/T8 w odcinku piersiowym, a następnie częściowego przecięcia wiązki rdzenia. Wszystkim makakom wszczepiono 96-kanałowe implanty w pierwszorzędowej korze ruchowej (w obszarze reprezentującym kończynę tylną) oraz generator impulsów w korzeniach grzbietowych odcinka lędźwiowego, które były ze sobą połączone bezprzewodowo. Zadaniem mózgowych implantów było odczytywanie aktywności neuronów kontrolujących ruch kończyny, natomiast elektrody na rdzeniu generowały impulsy elektryczne, które wprawiały kończynę w ruch.Aby system komunikowania się implantu mózgowego z generatorem impulsów mógł działać poprawnie, konieczne było wcześniejsze odtworzenie wzorca aktywności układu motorycznego od aktywności neuronów w korze, aż do współdziałania grup mięśni w czasie lokomocji a także precyzyjna kalibracja sprzętu. Przeprowadzono szereg mniejszych eksperymentów, w których udało się rozłożyć na czynniki pierwsze, bardziej skomplikowany niż może się wydawać, cykl chodzenia.

„Konkretniej umieściliśmy 100 elektrod w małym rejonie kory mózgu odpowiedzialnej za kontrolę ruchu nogi i wysyłaliśmy wszystkie informacje przekazywane przez te neurony do komputera, którego zadaniem było dekodowanie intencji ruchu naczelnego z tych sygnałów. To znaczy stopień wyprostu i ruch zginania nogi.” 

„Następnie komputer wysyła te informacje do implantu stymulującego rdzenia poniżej miejsca uszkodzenia, który to implant miał możliwość dostarczenia stymulacji w konkretne miejsce w konkretnym czasie w celu odtworzenia zamierzonego ruchu wyprostu i zginania nogi”.

Szwajcarscy badacze prześledzili i zidentyfikowali anatomiczny rozkład pola motorycznego neuronów ruchowych unerwiających mięśnie antagonistyczne, odpowiadające każdemu połączeniu stawów nogi. Następnie nałożono przewidywaną aktywność mięśni (zarejestrowaną podczas poruszania się) na lokalizacje neuronu ruchowego aby zwizualizować czasoprzestrzenne mapy aktywacji neuronów ruchowych.

Mapy te wykazały bardzo ciekawy obraz: chodzenie obejmowało cykl konkretnie ułożonych czasowo aktywacji „hotspotów” umieszczonych w określonych obszarach rdzenia kręgowego. Co bardzo ułatwiło projekt, „hotspoty” te były podobnie zlokalizowane u wszystkich badanych małp. Najbardziej intensywne hotspoty pojawiły się w odcinku brzusznym dla (L6 / L7) i grzbietowym (L1 / L2) przedziałów segmentów lędźwiowych wokół przejścia między postawa i skrzydłowych fazach.

„Żeby taki interfejs mózgowo-rdzeniowy miał szanse działać, musiał być implantem całkowicie bezprzewodowym, a system musiał działać w czasie rzeczywistym, żeby naczelny mógł poruszać się bez żadnych ograniczeń.” dodał badacz i twórca tej rewolucyjnej technologii.

Naukowcy musieli stworzyć działający w czasie rzeczywistym (czyli przetwarzający bardzo szybko gigantyczną ilość danych), który będzie z danych wysyłanych przez korę ruchową poprawnie interpretował intencję ruchu nogą i będzie „wiedział” dokładnie gdzie i kiedy stymulować rdzeń kręgowy, żeby wywołać odpowiednie napięcia i rozluźnienia mięśniowe itd aby wywołać pożądany ruch.

Chodzenie po paraliżu

Badania skuteczności całego systemu przeprowadzono w dwóch fazach.

1)    W pierwszej fazie sprawdzano, czy po lezji na pewno nie zostało zachowane przewodzenie oraz czy wystąpił paraliż. Po włączeniu systemu sprawdzono, czy spontanicznie rozpocznie się przekazywanie informacji z ominięciem lezji i czy napięcia mięśniowe odpowiadają spodziewanemu schematowi intencji ruchu. Wyniki były natychmiastowe i pozytywne.

W drugiej fazie sprawdzano z pomocą dwóch z małp, czy całość systemu rzeczywiście umożliwi spontaniczne odtworzenie lokomocji. Jeden z makaków zaczął poruszać sparaliżowaną kończyną już 6 dni po operacji. Drugie zwierzę, którego rdzeń został uszkodzony w większym stopniu, odzyskało tę zdolność 10 dni później, ze względu na dłuższą rekonwalescencję po zabiegu. Pomimo, że zwierzęta nie były wcześniej trenowane, znajdujący się w ich ciele interfejs efektywnie wyrównywał deficyty wynikające z uszkodzenia tkanki rdzenia. Jakość i ilość kroków wykonywanych przez uszkodzoną kończynę poprawiała się znacznie z biegiem czasu, co wskazuje na to, że małpy spontanicznie odzyskiwały kontrolę nad kończyną, a początkowa słabsza jakość ruchów po operacji była prawdopodobnie związana z reorganizacją kory mózgowej po zabiegu. Małpy mogły zginać i prostować nogę, utrzymywać na niej ciężar ciała i przeszły test chodzenia na bieżni i twardej powierzchni.

To rewolucyjne odkrycie - pierwszy raz bowiem udało się dzięki technologii i implantom przywrócić ruch i chód u naczelnych z uszkodzeniem rdzenia!

Czy można tę technologię wykorzystać dla ludzi?

Interfejs mózg-rdzeń kręgowy jest dużą nadzieją na przywracanie zdolności lokomotorycznych osobom po urazach rdzenia kręgowego. Podobieństwo pomiędzy układem ruchu człowieka i naczelnych jest na tyle duże, że system zaprojektowany przez zespół Capogrosso będzie mógł już niebawem być testowany na pacjentach. Zanim jednak pomyślicie, że znaczy to, że tuż za rogiem jest podobne rozwiązanie dla szczególnego z naczelnych - człowieka - musimy wspomnieć, że sami autorzy badania ostrzegają, że zajmie to dużo czasu. Ze względu na opracowanie technologii i testy kliniczne, może minąć nawet wiele lat, zanim będzie to dostępną metodą terapii.

Co jednak daje ogromną nadzieję, to fakt, że wszystkie elementy systemu: tablice wewnątrzkorowe (intracortical arrays), moduły bezprzewodowe i generatory impulsów do rdzenia, wszystkie z osobna zostały już niezależnie dopuszczone do badań klinicznych na ludziach!

Z wcześniejszych badań z neuroobrazowaniem wiadomo też, że schematy dynamiki poruszania nogami pozostają aktywne w korze ruchowej u osób sparaliżowanych. Co więcej stosowano już metodę dekodowania intencji ruchu u osób sparaliżowanych, aby poruszali np. robotyczną ręką. Całość tego pokazuje, że nie tylko naukowcy będą mogli zastosować te same technologie, ale też będą mogli iść śladami już stworzonych modeli ruchowych i interfejsów je dekodujących, aby przetestować ten sam system u ludzi.

Co więc sprawia, że naukowcy są na tyle ostrożni? Weźmy pod uwagę, że odtworzono tutaj dość „prosty” i schematyczny ruch. Utrzymanie ciężaru i zginanie i wyprost nogi. U małp, które nie muszą np. wstawać z krzesła, oraz które kierunek ruchu nadają odbiciem od przednich łap, to wystarczyło do realizowania lokomocji. Aby to samo zrobić dla ludzi, trzeba byłoby zdekodować oprócz chodu bardziej złożony ruch (np. wstawanie, siadanie, kucanie, podnoszenie z pozycji leżącej) i zagwarantować m.in utrzymanie równowagi całego ciała na dwóch kończynach (zamiast efektywnie czterech u makaków). Szczególnie problematyczne może być zastosowanie systemu dla osób, które doznały paraliżu obydwu kończyn. Badacze nie wykluczają także konieczności łączenia zaprojektowanego systemu z dodatkową terapią.

Bibliografia:

Capogrosso, M., Milekovic, T., Borton, D., Wagner, F., Moraud, E. M., Mignardot, J. B., ... & Rey, E. (2016). A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates. Nature, 539(7628), 284-288.