Leg zenuwen geactiveerd door licht bieden nieuwe weg naar het herstel van de mobiliteit: New optogenetic techniek kan bijdragen tot het herstel beweging van de ledematen, traktatie spiertremor

Voor de eerste keer, MIT onderzoekers hebben aangetoond dat zenuwen aan eiwitten die kunnen worden geactiveerd door licht beenbewegingen die in real time kan worden aangepast expressie produceren, middels signalen gegenereerd door de beweging van de ledemaat zelf. De techniek geeft een beweging die zachter en minder vermoeiend dan vergelijkbare elektrische systemen die soms worden gebruikt om zenuwen te stimuleren in ruggenmergletsel patiënten en anderen.

Shriya Srinivasan is een promovendus in de medische techniek en de medische fysica aan het MIT Media Lab en de Harvard-MIT Division der Gezondheidswetenschappen en Technologie. Foto: James Day

Hoewel deze methode getest op dieren, met verder onderzoek en toekomstige studies bij de mens deze optogenetic techniek ooit zou kunnen worden gebruikt om beweging te herstellen bij patiënten met een verlamming, of om ongewenste bewegingen zoals spiertremor bij patiënten van Parkinson te behandelen, waarbij Shriya Srinivasan, een promovendus in de medische techniek en de medische fysica aan het MIT Media Lab en de Harvard-MIT Program in Health Sciences and Technology.

De eerste toepassingen van de technologie zou kunnen zijn om de beweging te herstellen naar verlamde ledematen of aan de macht protheses, maar een optogenetic systeem heeft de potentie om ledematen sensatie herstellen, uitschakelen ongewenste pijnsignalen of behandelt spastische of stijve spierbewegingen bij neurologische ziekten zoals amyotrofe laterale sclerose of ALS, Srinivasan en haar collega's suggereren.

De MIT-team is een van de weinige onderzoeksgroepen die optogenetics aan de zenuwen buiten de hersenen te controleren, Srinivasan zei. “De meeste mensen gebruiken optogenetics als een soort van een instrument om te leren over neurale circuits, maar zeer weinigen zijn op zoek naar het als een klinisch vertaalbaar therapeutisch hulpmiddel als wij.”

“Kunstmatige elektrische stimulatie van de spier resulteert vaak in vermoeidheid en een slechte bestuurbaarheid. in dit onderzoek, toonden we een verzachting van deze gemeenschappelijke problemen optogenetic spiercontrole,”Zei Hugh Herr, die leidde het onderzoeksteam en het hoofd van de Media Lab Biomechatronics groep. “Dit heeft grote belofte voor de ontwikkeling van oplossingen voor patiënten die lijden aan slopende aandoeningen zoals spierverlamming.”

De papier werd gepubliceerd in het december. 13 probleem van Nature Communications. Het team bestond uit MIT onderzoekers Benjamin E. Maimon, Maurizio Diaz, en Hyungeun Song.

Licht versus elektriciteit

Elektrische stimulatie van de zenuwen wordt klinisch gebruikt voor de behandeling van de ademhaling, darm, blaas, en sexuele dysfunctie bij patiënten ruggenmergletsel, evenals spier conditionering bij mensen met gespierde degeneratieve ziekten te verbeteren. Elektrische stimulatie kan ook bepalen verlamde ledematen en protheses. In alle gevallen, elektrische pulsen afgeleverd zenuwvezels axonen trekkerbeweging in spieren geactiveerd door de vezels.

Dit type elektrische stimulatie vermoeit snel spieren, kan pijnlijk zijn, en het is moeilijk om precies te richten, echter, vooraanstaande wetenschappers zoals Srinivasan en Maimon te zoeken naar alternatieve methoden voor zenuwstimulatie.

Optogenetische stimulatie vertrouwt op zenuwen die genetisch gemanipuleerd zijn om lichtgevoelige algen eiwitten genaamd opsins uitdrukken. Deze eiwitten onder controle elektrische signalen zoals zenuwimpulsen - hoofdzakelijk, draaien ze aan en uit - wanneer ze worden blootgesteld aan bepaalde golflengten van het licht.

Bij muizen en ratten ontworpen om deze opsins twee belangrijke zenuwen van het been drukken, konden de onderzoekers om de op- en neergaande beweging van de knaagdieren enkelgewricht regelen door het inschakelen van een LED die ofwel werd bevestigd over de huid of geïmplanteerd in het been.

Dit is de eerste keer dat een “closed-loop” optogenetic systeem is gebruikt om een ledemaat macht, aldus de onderzoekers. Closed-loop systemen veranderen hun stimulatie in reactie op signalen van de zenuwen zij activeert, in tegenstelling tot “open lus” systemen die niet reageren op feedback van het lichaam.

Bij knaagdieren, verschillende signalen zoals de hoek van het enkelgewricht en lengteveranderingen van de spiervezels werden de feedback gebruikt om de beweging van de enkel besturen. Het is een systeem, Said Srinivasan, “Die in real time observeert en minimaliseert de fout tussen wat wij willen dat er gebeurt en wat er werkelijk gebeurt.”

Wandel versus sprint

Optogenetische stimulatie leidde ook tot minder vermoeidheid tijdens cyclische beweging dan elektrische stimulatie, op een manier die het onderzoeksteam verrast. In elektrische installaties, grote diameter axons eerst geactiveerd, samen met hun grote en zuurstof-hongerige spieren, alvorens over te gaan tot kleinere axonen en spieren. Optogenetische stimulatie werkt in tegengestelde richting, stimuleren kleinere axonen alvorens ze naar de grotere vezels.

“Als je langzaam wandelen bent, je alleen het activeren van die kleine vezels, maar als je een sprint run, je bent het activeren van de grote vezels,”Verklaarde Srinivasan. “Elektrische stimulatie activeert de grote vezels eerste, dus het is alsof je wandelen, maar u gebruikt alle energie die het nodig heeft om een sprint te doen. Het is snel vermoeiend omdat je met behulp van veel meer pk's dan je nodig hebt.”

De wetenschappers ook gemerkt andere nieuwsgierig patroon in het licht gestimuleerde systeem dat was in tegenstelling tot de elektrische systemen. “Als we blijven het doen van deze experimenten, vooral voor langere perioden, we zagen dit echt interessant gedrag,”Srinivasan zei. “We zijn gewend aan systemen voeren echt goed, en dan vermoeidheid na verloop van tijd. Maar hier zagen we het echt goed te presteren, en dan vermoeid is, maar als we gehouden gaan langer het systeem hersteld en begon weer goed te presteren.”

Deze onverwachte rebound is gerelateerd aan hoe opsin activiteit cycli in de zenuwen, op een manier die het volledige systeem maakt het mogelijk om zich te vernieuwen, de wetenschappers geconcludeerd.

Met minder vermoeidheid betrokken, het optogenetic systeem kan een goede toekomst fit voor de lange termijn motor operaties zoals robotachtige exoskeletons die het mogelijk maken een aantal mensen met een verlamming te lopen, of lange termijn revalidatie hulpmiddelen voor mensen met een degeneratieve spierziekten, Srinivasan gesuggereerd.

Voor de methode om de sprong naar de mens te maken, onderzoekers nodig om te experimenteren met de beste manieren om het licht te leveren aan de zenuwen diep in het lichaam, evenals manieren vinden om opsins in de menselijke zenuwen veilig en efficiënt uit te drukken.

“Er zijn al enkele 300 proeven met gentherapie, en een paar proeven die opsins vandaag de dag gebruiken, dus het is waarschijnlijk in de nabije toekomst,”Aldus Srinivasan.

Bron: http://news.mit.edu, door Becky Ham