Nerwy nóg aktywowane światłem oferują nową drogę do przywrócenia mobilności: Nowa technika optogenetyczna może pomóc przywrócić ruch kończyn, leczyć drżenie mięśni

Po raz pierwszy, Naukowcy z MIT wykazali, że nerwy stworzone do ekspresji białek, które mogą być aktywowane przez światło, mogą wywoływać ruchy nóg, które można regulować w czasie rzeczywistym, za pomocą wskazówek generowanych przez ruch samej kończyny. Technika prowadzi do ruchu, który jest płynniejszy i mniej męczący niż podobne systemy elektryczne, które są czasami używane do stymulacji nerwów u pacjentów po urazach rdzenia kręgowego i innych.

Shriya Srinivasan jest doktorantką inżynierii medycznej i fizyki medycznej w MIT Media Lab i Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology. Zdjęcie: James Day

Chociaż ta metoda była testowana na zwierzętach, dzięki dalszym badaniom i przyszłym próbom na ludziach ta technika optogenetyczna może kiedyś zostać wykorzystana do przywrócenia ruchu u pacjentów z paraliżem, lub w leczeniu niepożądanych ruchów, takich jak drżenie mięśni u pacjentów z chorobą Parkinsona, powiedział Shriya Srinivasan, doktorant w zakresie inżynierii medycznej i fizyki medycznej w MIT Media Lab i Harvard-MIT Program in Health Sciences and Technology.

Pierwszymi zastosowaniami tej technologii może być przywrócenie ruchu sparaliżowanym kończynom lub wzmocnienie protetyki, ale układ optogenetyczny może przywrócić czucie kończyny, wyłączyć niepożądane sygnały bólu lub leczyć spastyczne lub sztywne ruchy mięśni w chorobach neurologicznych, takich jak stwardnienie zanikowe boczne lub ALS, Srinivasan i jej koledzy sugerują.

Zespół MIT jest jedną z niewielu grup badawczych wykorzystujących optogenetykę do kontrolowania nerwów poza mózgiem, Srinivasan powiedział. „Większość ludzi używa optogenetyki jako swego rodzaju narzędzia do poznawania obwodów neuronowych, ale bardzo niewielu postrzega to jako klinicznie możliwe do przetłumaczenia narzędzie terapeutyczne, tak jak my”.

„Sztuczna elektryczna stymulacja mięśni często powoduje zmęczenie i słabą kontrolę. W tym badaniu, wykazaliśmy łagodzenie tych powszechnych problemów z kontrolą mięśni optogenetycznych,” powiedział Hugh Herr, który kierował zespołem badawczym i kieruje grupą Biomechatroniki Media Lab. „To wielka obietnica dla opracowania rozwiązań dla pacjentów cierpiących na wyniszczające schorzenia, takie jak paraliż mięśni”.

ten papier został opublikowany w grudniu. 13 problem z Komunikacja przyrodnicza. W skład zespołu weszli badacze z MIT Benjamin E. Majmon, Maurizio Diaz, i Hyungeun Song.

Światło kontra elektryczność

Elektryczna stymulacja nerwów jest stosowana klinicznie w leczeniu oddychania, jelito, pęcherz moczowy, i dysfunkcje seksualne u pacjentów po urazach rdzenia kręgowego, a także w celu poprawy kondycji mięśni u osób z chorobami zwyrodnieniowymi mięśni. Stymulacja elektryczna może również kontrolować sparaliżowane kończyny i protetykę. We wszystkich przypadkach, impulsy elektryczne dostarczane do włókien nerwowych zwanych aksonami wyzwalają ruch w mięśniach aktywowanych przez włókna.

Ten rodzaj stymulacji elektrycznej szybko męczy mięśnie, może być bolesne, i trudno go precyzyjnie wycelować, Jednakże, czołowi naukowcy, tacy jak Srinivasan i Maimon, poszukują alternatywnych metod stymulacji nerwów.

Stymulacja optogenetyczna opiera się na nerwach, które zostały genetycznie zmodyfikowane do ekspresji wrażliwych na światło białek alg zwanych opsynami. Białka te kontrolują sygnały elektryczne, takie jak impulsy nerwowe — zasadniczo, włączanie i wyłączanie ich — gdy są wystawione na określone długości fal światła.

Wykorzystanie myszy i szczurów zaprojektowanych do ekspresji tych opsyn w dwóch kluczowych nerwach nóg, naukowcy byli w stanie kontrolować ruchy stawu skokowego gryzoni w górę iw dół, włączając diodę LED, która była przymocowana do skóry lub wszczepiona w nogę.

Po raz pierwszy zastosowano układ optogenetyczny „zamkniętej pętli” do zasilania kończyny, Czy różne proporcje węglowodanów do tłuszczu wpływają na skład ciała?. Systemy zamkniętej pętli zmieniają swoją stymulację w odpowiedzi na sygnały z nerwów, które aktywują, w przeciwieństwie do systemów „open-loop”, które nie reagują na informacje zwrotne z organizmu.

W przypadku gryzoni, różne sygnały, w tym kąt stawu skokowego i zmiany długości włókien mięśniowych, były sprzężeniem zwrotnym używanym do kontrolowania ruchu kostki. To system, powiedział Srinivasan, „który w czasie rzeczywistym obserwuje i minimalizuje błąd między tym, co chcemy, a tym, co naprawdę się dzieje”.

Spacer kontra sprint

Stymulacja optogenetyczna prowadziła również do mniejszego zmęczenia podczas ruchu cyklicznego niż stymulacja elektryczna, w sposób, który zaskoczył zespół badawczy. W układach elektrycznych, aksony o dużej średnicy są aktywowane jako pierwsze, wraz z ich dużymi i żądnymi tlenu mięśniami, przed przejściem do mniejszych aksonów i mięśni. Stymulacja optogenetyczna działa w odwrotny sposób, stymulowanie mniejszych aksonów przed przejściem do większych włókien.

„Kiedy idziesz powoli, aktywujesz tylko te małe włókna, ale kiedy biegniesz sprintem, aktywujesz duże włókna,” wyjaśnił Srinivasan. „Elektryczna stymulacja najpierw aktywuje duże włókna, więc to tak, jakbyś szedł, ale zużywasz całą energię potrzebną do wykonania sprintu. Szybko się męczy, ponieważ zużywasz znacznie więcej koni mechanicznych, niż potrzebujesz”.

Naukowcy zauważyli również inny ciekawy wzór w systemie stymulowanym światłem, który był niepodobny do systemów elektrycznych. „Kiedy robiliśmy te eksperymenty, szczególnie przez dłuższy czas, widzieliśmy to naprawdę interesujące zachowanie,” Srinivasan powiedział. „Jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że systemy działają naprawdę dobrze, a potem zmęczenie z biegiem czasu. Ale tutaj widzieliśmy, że działa naprawdę dobrze, a potem to zmęczyło, ale gdybyśmy pracowali dłużej, system odzyskał sprawność i znów zaczął działać dobrze”.

To nieoczekiwane odbicie jest związane z cyklem aktywności opsyny w nerwach, w sposób pozwalający na regenerację całego systemu, naukowcy doszli do wniosku.

Przy mniejszym zmęczeniu, układ optogenetyczny może być dobrym rozwiązaniem na przyszłość dla długotrwałych operacji motorycznych, takich jak zrobotyzowane egzoszkielety, które pozwalają niektórym osobom z paraliżem chodzić, lub jako narzędzia długoterminowej rehabilitacji dla osób z chorobami zwyrodnieniowymi mięśni, Zasugerował Srinivasan.

O metodę przeskoku w ludzi, naukowcy muszą poeksperymentować z najlepszymi sposobami dostarczania światła do nerwów głęboko w ciele, a także znaleźć sposoby na bezpieczne i skuteczne wyrażanie opsyny w ludzkich nerwach.

„Jest już kilka 300 próby z wykorzystaniem terapii genowej, i kilka prób, które wykorzystują dziś opsins, więc jest to prawdopodobne w dającej się przewidzieć przyszłości,” powiedział Srinivasan.

Źródło: http://news.mit.edu, przez Becky Ham