Leg Nerven durch Licht aktiviert bieten neuen Weg zur Wiederherstellung der Mobilität: Neue optogenetischen Technik könnte Bewegung des Körpers helfen, wieder, treat Muskelzittern

Zum ersten Mal, MIT-Forscher haben gezeigt, dass aus Nerven Proteine zu exprimieren, die durch Licht aktiviert werden kann, können Beinbewegungen erzeugen, die in Echtzeit eingestellt werden können,, Verwendung von durch die Bewegung des Schenkels erzeugten Signale selbst. Die Technik führt zu einer Bewegung, die glatter und weniger ermüdend als vergleichbare elektrische Systeme, die manchmal verwendet werden, die Nerven in Rückenmarksverletzungen Patienten zu stimulieren und andere.

Shriya Srinivasan ist Doktorand in der Medizintechnik und Medizinphysik am MIT Media Lab und der Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology. Foto: James Day

Während dieses Verfahren wurde an Tieren getestet, mit weiteren Forschungs- und zukünftigen Studien am Menschen könnte diese optogenetischen Technik eines Tag Bewegung bei Patienten mit Lähmungen gestellt werden, oder, um unerwünschte Bewegungen zu behandeln wie Muskelzittern bei Parkinson-Patienten, sagte Shriya Srinivasan, Doktorandin in der Medizintechnik und Medizinphysik am MIT Media Lab und der Harvard-MIT-Programm in Gesundheitswissenschaften und Technologie.

Die ersten Anwendungen der Technologie könnte Bewegung gelähmten Gliedmaßen oder an die Macht Prothesen wieder herzustellen sein, aber ein optogenetische System hat das Potenzial, Gliedmaßen Gefühl wiederherzustellen, auszuschalten unerwünschte Schmerzsignale oder Behandlung von spastischen oder starren Muskelbewegungen in neurologischen Erkrankungen wie amyotropher Lateralsklerose oder ALS, Srinivasan und ihre Kollegen vorschlagen.

Das MIT-Team ist eines der wenigen Forschungsgruppen Optogenetik mit Nerven außerhalb des Gehirns steuern, Srinivasan sagte. „Die meisten Menschen sind mit Optogenetik als eine Art von Werkzeug über neuronale Schaltkreise lernen, aber nur sehr wenige betrachten es als klinisch übersetzbar therapeutisches Werkzeug, wie wir sind.“

„Artificial elektrische Stimulation des Muskels führt oft zu Müdigkeit und schlechte Steuerbarkeit. in dieser Studie, wir zeigten eine Abschwächung dieser gemeinsamen Probleme mit optogenetische Muskelkontrolle,“, Sagte Hugh Herr, die führte das Forschungsteam und leitet die Biomechatronik Gruppe Media Lab. „Das hat ein großes Versprechen für die Entwicklung von Lösungen für Patienten, die an Erkrankungen wie Muskellähmung schwächende.“

Das Papier- im Dezember wurde veröffentlicht. 13 Problem von Nature Communications. Das Team bestand aus MIT-Forscher Benjamin E. Maimon, Maurizio Diaz, und Hyungeun Lied.

Licht im Vergleich zu Strom

Die elektrische Stimulation von Nerven wird klinisch verwendet, die Atmung zu behandeln, Darm, Blase, und sexuelle Dysfunktion bei Rückenmarksverletzungen Patienten, sowie das Muskel bei Menschen mit Muskel degenerativen Erkrankungen zu verbessern. Die elektrische Stimulation kann auch gelähmten Gliedmassen und Prothesen steuern. Auf alle Fälle, elektrische Impulse an Nervenfasern genannt Axone triggern Bewegung in Muskeln durch die Fasern aktiviert gelieferten.

Diese Art der elektrischen Stimulation schnell ermüdet Muskeln, kann schmerzhaft sein, und ist schwer, genau zu zielen, jedoch, führende Wissenschaftler wie Srinivasan und Maimon für alternative Methoden der Nervenstimulation suchen.

Optogenetische Stimulation beruht auf Nerven, die gentechnisch verändert wurden, lichtempfindlichen Algenproteine genannt Opsinen auszudrücken. Diese Proteine steuern elektrische Signale, wie beispielsweise Nervenimpulse - im Wesentlichen, Drehen sie ein und aus - wenn sie auf bestimmte Wellenlängen des Lichts ausgesetzt sind.

Verwendung von Mäusen und Ratten entwickelt, diese in zwei Schlüsseln Opsinen Nerven des Beines auszudrücken, die Forscher waren in der Lage, die Auf- und Abbewegung des Nagetieren Sprunggelenks zu steuern, indem auf einem LED-Schale, die entweder über die Haut oder implantiert innerhalb des Beins angebracht wurden.

Dies ist das erste Mal, dass ein „closed-loop“ optogenetische System verwendet worden ist, ein Glied zu versorgen, sagten die Forscher. Closed-Loop-Systeme ihre Stimulation ändern, um Signale von den Nerven in Reaktion werden sie aktivierenden, im Gegensatz zu „open-loop“ Systemen, die von dem Körper auf dem Feedback nicht reagieren.

Im Fall der Nagetiere, verschiedene cues einschließlich dem Winkel des Fußgelenks und Veränderungen in der Länge der Muskelfasern waren die Rückkopplung verwendet, um die Bewegung des Knöchels zu steuern. Es ist ein System, Said Srinivasan, „Dass in Echtzeit beobachtet und minimiert den Fehler zwischen dem, was wir passieren soll und was passiert, wirklich.“

Schlendern gegen Sprint

Optogenetische Stimulation führte auch zu weniger Ermüdung während der zyklischen Bewegung als elektrische Stimulation, in einer Weise, dass das Forschungsteam überrascht. In elektrischen Anlagen, Axone mit großem Durchmesser, wird zuerst aktiviert, zusammen mit ihren großen und Sauerstoff-hungrigen Muskeln, bevor kleinere Axone bewegen auf und Muskeln. Optogenetische Stimulation arbeitet in entgegengesetzter Weise, stimulierenden vor kleineren Axone, um größere Fasern bewegen auf.

„Wenn Sie zu Fuß langsam, Sie aktivieren nur die kleinen Fasern, aber wenn Sie eine Sprint, Sie aktivieren die großen Fasern,“Erklärt Srinivasan. „Electrical Stimulation aktiviert die großen Fasern zuerst, so ist es wie Sie zu Fuß, aber Sie verwenden die ganze Energie, die es erfordert einen Sprint zu tun. Es ist schnell ermüdend, weil man viel mehr Leistung mit als Sie benötigen.“

Die Wissenschaftler festgestellt, auch eine andere merkwürdige Muster im System Licht angeregt, die im Gegensatz zu elektrischen Systemen war. „Wenn wir gehalten, diese Experimente zu tun, insbesondere über längere Zeiträume, Wir sahen diese wirklich interessantes Verhalten,“Srinivasan sagte. „Wir sind verwendet, um zu sehen, Systeme führen wirklich gut, und dann Müdigkeit im Laufe der Zeit. Aber hier sahen wir es ausführen wirklich gut, und dann ist es ermüdete, aber wenn wir länger in Gang gehalten das System erholt und begann wieder gut durchführen.“

Diese unerwartete Erholung wird in den Nerven, wie Opsin Aktivitätszyklen im Zusammenhang, in einer Weise, dass das gesamte System ermöglicht zu regenerieren, die Wissenschaftler abgeschlossen.

Mit weniger Müdigkeit beteiligt, das optogenetische System könnte eine gute Zukunft fit für die Langzeit Motor Operationen wie Roboter Exoskelett sein, dass manche Menschen mit Lähmung erlauben zu gehen, oder als langfristige Rehabilitation Werkzeuge für Menschen mit degenerativen Muskelerkrankungen, Srinivasan vorgeschlagen.

Für das Verfahren den Sprung in den Menschen zu machen,, Forscher müssen mit den besten Möglichkeiten experimentieren Licht Nerven tief innerhalb des Körpers zu liefern, sowie Wege finden, um Opsinen in menschlichen Nerven ausdrücken sicher und effizient.

„Es gibt bereits einige 300 Studien unter Verwendung von Gentherapie, und ein paar Studien, die Opsinen heute nutzen, so ist es wahrscheinlich in absehbarer Zukunft,“Sagte Srinivasan.

Quelle: http://news.mit.edu, von Becky Ham