Gambaj nervoj aktivigitaj de lumo ofertas novan vojon por restarigi moveblecon: Nova optogenetika tekniko povus helpi restarigi membromovon, trakti muskoltremon

Unuafoje, Esploristoj de MIT montris, ke nervoj faritaj por esprimi proteinojn, kiuj povas esti aktivigitaj per lumo, povas produkti krurajn movojn, kiuj povas esti alĝustigitaj en reala tempo., uzante signalvortojn generitajn per la moviĝo de la membro mem. La tekniko kondukas al movado, kiu estas pli glata kaj malpli laca ol similaj elektraj sistemoj, kiuj foje estas uzataj por stimuli nervojn en pacientoj kun vundo de mjelo kaj aliaj..

Shriya Srinivasan estas doktora studento pri medicina inĝenierado kaj medicina fiziko ĉe la MIT Media Lab kaj la Harvard-MIT Dividado de Sansciencoj kaj Teknologio.. Foto: James Day

Dum ĉi tiu metodo estis testita sur bestoj, kun plia esplorado kaj estontaj provoj en homoj tiu optogenetika tekniko povus esti uzata iam por restarigi movadon en pacientoj kun paralizo., aŭ trakti nedeziratajn movojn kiel muskola tremo en Parkinson-pacientoj, diris Shriya Srinivasan, doktora studento pri medicina inĝenierado kaj medicina fiziko ĉe la MIT Media Lab kaj la Harvard-MIT Programo pri Sansciencoj kaj Teknologio.

La unuaj aplikoj de la teknologio povus esti restarigi moviĝon al paralizitaj membroj aŭ funkciigi protezojn., sed optogenetika sistemo havas la potencialon restarigi membrosensacion, malŝalti nedeziratajn dolorsignalojn aŭ trakti spasmajn aŭ rigidajn muskolojn en neŭrologiaj malsanoj kiel amiotrofa laterala sklerozo aŭ ALS, Srinivasan kaj ŝiaj kolegoj sugestas.

La MIT-teamo estas unu el tre malmultaj esplorgrupoj uzantaj optogenetikon por kontroli nervojn ekster la cerbo, Srinivasan diris. "Plej multaj homoj uzas optogenetikon kiel specon de ilo por lerni pri neŭralaj cirkvitoj, sed tre malmultaj rigardas ĝin kiel klinike tradukebla terapia ilo kiel ni."

"Artfarita elektra stimulo de muskolo ofte rezultigas lacecon kaj malbonan kontroleblecon. En ĉi tiu studo, ni montris mildigon de ĉi tiuj oftaj problemoj kun optogenetika muskola kontrolo,” diris Hugh Herr, kiu gvidis la esplorteamon kaj gvidas la grupon de Biomechatronics de Media Lab. "Ĉi tio havas bonegan promeson por la disvolviĝo de solvoj por pacientoj suferantaj pro malfortigaj kondiĉoj kiel muskola paralizo."

La papero estis publikigita en la Dec. 13 "Ni ĝojas pri ĉi tiu pruvo de 3-D-presado kaj pri kiel konsumeblaj teknologioj povas helpi homojn per novaj aparatoj, kiuj faciligas moveblajn sanajn aplikojn. Naturkomunikadoj. La teamo inkludis MIT-esploristojn Benjamin E. Maimon, Maurizio Diaz, kaj Hyungeun Song.

Lumo kontraŭ elektro

Elektra stimulo de nervoj estas uzata klinike por trakti spiradon, intesto, veziko, kaj seksa misfunkcio en mjelaj vunditaj pacientoj, same kiel plibonigi muskolajn kondiĉadon en homoj kun muskolaj degeneraj malsanoj. Elektra stimulo ankaŭ povas kontroli paralizitajn membrojn kaj protezaĵojn. En ĉiuj kazoj, elektraj pulsoj liveritaj al nervaj fibroj nomataj aksonoj ekigas movadon en muskoloj aktivigitaj de la fibroj..

Ĉi tiu tipo de elektra stimulo rapide lacigas muskolojn, povas esti dolora, kaj estas malfacile celi precize, tamen, gvidaj sciencistoj kiel Srinivasan kaj Maimon serĉi alternativajn metodojn de nervstimulado.

Optogenetika stimulo dependas de nervoj kiuj estis genetike faritaj por esprimi lumsentemajn algoproteinojn nomitajn opsinoj.. Ĉi tiuj proteinoj kontrolas elektrajn signalojn kiel nervajn impulsojn - esence, enŝaltante kaj malŝaltante ilin - kiam ili estas elmontritaj al certaj ondolongoj de lumo.

Uzante musojn kaj ratojn kreitajn por esprimi ĉi tiujn opsinojn en du ŝlosilaj nervoj de la kruro, la esploristoj povis kontroli la supren kaj malsupren movadon de la maleolo-artiko de la ronĝuloj ŝaltante LED-on, kiu estis aŭ fiksita super la haŭto aŭ enplantita en la kruro..

Ĉi tio estas la unua fojo, ke "fermita buklo" optogenetika sistemo estis uzata por funkciigi membron, diris la esploristoj. Fermcirklaj sistemoj ŝanĝas sian stimulon en respondo al signaloj de la nervoj kiujn ili aktivigas, kontraste al "malferma buklo" sistemoj kiuj ne respondas al religoj de la korpo.

En la kazo de la ronĝuloj, malsamaj signaloj inkluzive de la angulo de la maleola artiko kaj ŝanĝoj en la longo de la muskolaj fibroj estis la sugestoj uzataj por kontroli la movon de la maleolo.. Ĝi estas sistemo, diris Srinivasan, "tio en reala tempo observas kaj minimumigas la eraron inter tio, kion ni volas okazi kaj kio vere okazas."

Promenado kontraŭ spurto

Optogenetika stimulo ankaŭ kondukis al malpli laceco dum cikla moviĝo ol elektra stimulo, en maniero kiu surprizis la esplorteamon. En elektraj sistemoj, grand-diametraj aksonoj unue estas aktivigitaj, kune kun iliaj grandaj kaj oksigenavidaj muskoloj, antaŭ ol transiri al pli malgrandaj aksonoj kaj muskoloj. Optogenetika stimulo funkcias en la kontraŭa maniero, stimulante pli malgrandajn aksonojn antaŭ ol pluiri al pli grandaj fibroj.

“Kiam vi marŝas malrapide, vi nur aktivigas tiujn malgrandajn fibrojn, sed kiam vi kuras spurton, vi aktivigas la grandajn fibrojn,” klarigis Srinivasan. "Elektra stimulo aktivigas unue la grandajn fibrojn, do estas kvazaŭ vi marŝas sed vi uzas la tutan energion, kiun ĝi postulas por fari spurton. Ĝi estas rapide laciga ĉar vi uzas multe pli da ĉevalforto ol vi bezonas."

La sciencistoj ankaŭ rimarkis alian kuriozan ŝablonon en la lumo stimulita sistemo kiu estis malsimila al elektraj sistemoj. “Kiam ni daŭre faris ĉi tiujn eksperimentojn, precipe por plilongigitaj tempodaŭroj, ni vidis ĉi tiun vere interesan konduton,” diris Srinivasan. "Ni kutimas vidi ke sistemoj funkcias vere bone, kaj poste laceco kun la tempo. Sed ĉi tie ni vidis ĝin funkcii vere bone, kaj tiam ĝi laciĝis, sed se ni daŭrigis pli longe, la sistemo resaniĝis kaj denove ekfunkciis bone.”

Ĉi tiu neatendita resalto rilatas al kiel opsina aktiveco ciklos en la nervoj, en maniero kiu permesas al la plena sistemo regeneriĝi, konkludis la sciencistoj.

Kun malpli laceco implikita, la optogenetika sistemo povus esti bona estonta taŭga por longperspektivaj motoroperacioj kiel ekzemple robotaj eksterskeletoj kiuj permesas al kelkaj homoj kun paralizo marŝi., aŭ kiel longdaŭraj rehabilitaj iloj por homoj kun degeneraj muskolaj malsanoj, Srinivasan sugestis.

Por la metodo fari la salton en homojn, esploristoj devas eksperimenti kun la plej bonaj manieroj liveri lumon al nervoj profunde en la korpo, same kiel trovi manierojn esprimi opsinojn en homaj nervoj sekure kaj efike.

“Estas jam kelkaj 300 provoj uzante genterapion, kaj kelkaj provoj kiuj uzas opsinojn hodiaŭ, do verŝajne en antaŭvidebla estonteco,” diris Srinivasan.

Fonto: http://novaĵoj.mit.edu, de Becky Ham