เส้นประสาทที่ขากระตุ้นด้วยแสงเป็นเส้นทางใหม่ในการฟื้นฟูความคล่องตัว: เทคนิค optogenetic ใหม่สามารถช่วยฟื้นฟูการเคลื่อนไหวของแขนขาได้, รักษาอาการสั่นของกล้ามเนื้อ
สำหรับครั้งแรก, นักวิจัยของ MIT ได้แสดงให้เห็นว่าเส้นประสาทที่ทำขึ้นเพื่อแสดงโปรตีนที่สามารถกระตุ้นได้ด้วยแสง สามารถสร้างการเคลื่อนไหวของขาที่สามารถปรับเปลี่ยนได้แบบเรียลไทม์, โดยใช้ตัวชี้นำที่เกิดจากการเคลื่อนไหวของแขนขานั่นเอง. เทคนิคนี้นำไปสู่การเคลื่อนไหวที่นุ่มนวลและเมื่อยล้าน้อยกว่าระบบไฟฟ้าที่คล้ายคลึงกันซึ่งบางครั้งใช้กระตุ้นเส้นประสาทในผู้ป่วยบาดเจ็บไขสันหลังและอื่นๆ.
Shriya Srinivasan เป็นนักศึกษาระดับปริญญาเอกด้านวิศวกรรมการแพทย์และฟิสิกส์การแพทย์ที่ MIT Media Lab และ Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology. รูปถ่าย: เจมส์ เดย์
ในขณะที่วิธีนี้ได้รับการทดสอบกับสัตว์, ด้วยการวิจัยเพิ่มเติมและการทดลองในอนาคตของมนุษย์ เทคนิคออพโตเจเนติกส์นี้สามารถนำมาใช้ในสักวันหนึ่งเพื่อฟื้นฟูการเคลื่อนไหวในผู้ป่วยอัมพาต, หรือเพื่อรักษาการเคลื่อนไหวที่ไม่พึงประสงค์ เช่น การสั่นของกล้ามเนื้อในผู้ป่วยพาร์กินสัน, ศรียะ ศรีนิวาสัน กล่าว, นักศึกษาปริญญาเอกสาขาวิศวกรรมการแพทย์และฟิสิกส์การแพทย์ที่ MIT Media Lab และโครงการ Harvard-MIT ในสาขาวิทยาศาสตร์สุขภาพและเทคโนโลยี.
การใช้งานครั้งแรกของเทคโนโลยีอาจเป็นการฟื้นฟูการเคลื่อนไหวของแขนขาที่เป็นอัมพาตหรือเพื่อเสริมกำลังขาเทียม, แต่ระบบออพโตเจเนติกส์มีศักยภาพที่จะฟื้นฟูความรู้สึกของแขนขาได้, ปิดสัญญาณความเจ็บปวดที่ไม่ต้องการหรือรักษาการเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อเกร็งหรือเกร็งในโรคทางระบบประสาทเช่นเส้นโลหิตตีบด้านข้าง amyotrophic หรือ ALS, Srinivasan และเพื่อนร่วมงานของเธอแนะนำ.
ทีม MIT เป็นหนึ่งในกลุ่มวิจัยเพียงไม่กี่กลุ่มที่ใช้ออพโตเจเนติกส์เพื่อควบคุมเส้นประสาทที่อยู่นอกสมอง, ศรีนิวาสันกล่าวไว้. “คนส่วนใหญ่ใช้ optogenetics เป็นเครื่องมือในการเรียนรู้เกี่ยวกับวงจรประสาท, แต่มีเพียงไม่กี่คนที่มองว่าเครื่องมือนี้เป็นเครื่องมือในการรักษาที่แปลได้ทางคลินิกอย่างเรา”
“การกระตุ้นกล้ามเนื้อด้วยไฟฟ้าเทียมมักส่งผลให้เกิดความเหนื่อยล้าและควบคุมไม่ได้. ในการศึกษาครั้งนี้, เราแสดงให้เห็นการบรรเทาปัญหาทั่วไปเหล่านี้ด้วยการควบคุมกล้ามเนื้อออปโตเจเนติกส์,” ฮิวจ์ เฮอร์ . กล่าว, ซึ่งเป็นผู้นำทีมวิจัยและเป็นหัวหน้ากลุ่มชีวกลศาสตร์ของ Media Lab. "นี่เป็นสัญญาที่ดีในการพัฒนาโซลูชันสำหรับผู้ป่วยที่ทุกข์ทรมานจากสภาวะที่ทำให้ร่างกายอ่อนแอเช่นอัมพาตของกล้ามเนื้อ"
NS กระดาษ ถูกตีพิมพ์ในเดือนธันวาคม. 13 ปัญหาของ การสื่อสารธรรมชาติ. ทีมงานรวมถึงนักวิจัยของ MIT Benjamin E. ไมมอน, เมาริซิโอ ดิอาซ, และฮยองกึนซง.
แสงกับไฟฟ้า
การกระตุ้นด้วยไฟฟ้าของเส้นประสาทใช้ในการรักษาการหายใจ, ลำไส้, กระเพาะปัสสาวะ, และความผิดปกติทางเพศในผู้ป่วยบาดเจ็บไขสันหลัง, รวมทั้งปรับปรุงสภาพกล้ามเนื้อในผู้ที่เป็นโรคกล้ามเนื้อเสื่อม. การกระตุ้นด้วยไฟฟ้ายังควบคุมแขนขาและอวัยวะเทียมที่เป็นอัมพาตได้อีกด้วย. ในทุกกรณี, พัลส์ไฟฟ้าส่งไปยังเส้นใยประสาทที่เรียกว่าแอกซอนกระตุ้นการเคลื่อนไหวในกล้ามเนื้อที่กระตุ้นโดยเส้นใย.
การกระตุ้นด้วยไฟฟ้าประเภทนี้จะทำให้กล้ามเนื้ออ่อนล้าอย่างรวดเร็ว, อาจเจ็บปวด, และยากที่จะกำหนดเป้าหมายอย่างแม่นยำ, อย่างไรก็ตาม, นักวิทยาศาสตร์ชั้นนำอย่าง Srinivasan และ Maimon มองหาวิธีอื่นในการกระตุ้นเส้นประสาท.
การกระตุ้นออปโตเจเนติกส์อาศัยเส้นประสาทที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมเพื่อแสดงโปรตีนจากสาหร่ายที่ไวต่อแสงที่เรียกว่าออปซิน. โปรตีนเหล่านี้ควบคุมสัญญาณไฟฟ้า เช่น แรงกระตุ้นของเส้นประสาท — โดยพื้นฐานแล้ว, การเปิดและปิด — เมื่อสัมผัสกับความยาวคลื่นของแสง.
การใช้หนูและหนูที่ออกแบบมาเพื่อแสดงความคิดเหล่านี้ในเส้นประสาทหลักสองเส้นของขา, นักวิจัยสามารถควบคุมการเคลื่อนไหวของข้อต่อข้อเท้าของหนูได้โดยการเปิดไฟ LED ที่ติดอยู่เหนือผิวหนังหรือฝังไว้ภายในขา.
นี่เป็นครั้งแรกที่มีการใช้ระบบออพโตเจเนติกแบบ "วงปิด" เพื่อขับเคลื่อนแขนขา, อัตราส่วนคาร์โบไฮเดรตต่อไขมันที่แตกต่างกันส่งผลต่อองค์ประกอบร่างกายหรือไม่. ระบบวงปิดจะเปลี่ยนการกระตุ้นเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณจากเส้นประสาทที่เปิดใช้งาน, ตรงข้ามกับระบบ “วงเปิด” ที่ไม่ตอบสนองต่อการตอบรับจากร่างกาย.
ในกรณีหนู, ตัวชี้นำต่าง ๆ รวมทั้งมุมของข้อต่อข้อเท้าและการเปลี่ยนแปลงความยาวของเส้นใยกล้ามเนื้อเป็นการป้อนกลับที่ใช้ในการควบคุมการเคลื่อนไหวของข้อเท้า. เป็นระบบ, ศรีนิวาสันต์ กล่าว, “ในเวลาจริงจะสังเกตและลดข้อผิดพลาดระหว่างสิ่งที่เราต้องการให้เกิดขึ้นกับสิ่งที่เกิดขึ้นจริง”
เดินเล่นกับวิ่ง
การกระตุ้นออปโตเจเนติกยังทำให้ความเหนื่อยล้าระหว่างการเคลื่อนไหวเป็นวงกลมน้อยกว่าการกระตุ้นด้วยไฟฟ้า, ในแบบที่ทำให้ทีมวิจัยประหลาดใจ. ในระบบไฟฟ้า, แอกซอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่เปิดใช้งานก่อน, พร้อมกับกล้ามเนื้อที่ใหญ่และกระหายออกซิเจน, ก่อนจะไปต่อที่แอกซอนและกล้ามเนื้อเล็กๆ. การกระตุ้นออปโตเจเนติกส์ทำงานในทางตรงกันข้าม, กระตุ้นแอกซอนเล็กๆ ก่อนย้ายไปที่เส้นใยที่ใหญ่ขึ้น.
“เมื่อคุณเดินช้า, คุณกำลังเปิดใช้งานเส้นใยขนาดเล็กเหล่านั้นเท่านั้น, แต่เมื่อคุณวิ่ง, คุณกำลังเปิดใช้งานเส้นใยขนาดใหญ่,” ศรีนิวาสันต์. “การกระตุ้นด้วยไฟฟ้ากระตุ้นเส้นใยขนาดใหญ่ก่อน, มันเหมือนกับว่าคุณกำลังเดินอยู่ แต่คุณกำลังใช้พลังงานทั้งหมดที่ต้องใช้ในการวิ่ง. มันเหนื่อยอย่างรวดเร็วเพราะคุณใช้แรงม้ามากกว่าที่คุณต้องการ”
นักวิทยาศาสตร์ยังสังเกตเห็นรูปแบบที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งในระบบกระตุ้นแสงที่แตกต่างจากระบบไฟฟ้า. “เมื่อเราทำการทดลองเหล่านี้ต่อไป, โดยเฉพาะในช่วงเวลาที่ยาวนาน, เราเห็นพฤติกรรมที่น่าสนใจจริงๆ,” ศรีนิวาสันกล่าว. “เราเคยเห็นระบบทำงานได้ดีมาก, แล้วก็อ่อนล้าไปตามกาลเวลา. แต่ที่นี่เราเห็นแล้วว่าทำได้ดีจริงๆ, แล้วก็เหนื่อย, แต่ถ้าเราไปต่ออีกนาน ระบบก็จะกู้คืนและเริ่มทำงานได้ดีอีกครั้ง”
การรีบาวด์ที่ไม่คาดคิดนี้เกี่ยวข้องกับกิจกรรมของ opsin ที่วนเวียนอยู่ในเส้นประสาท, ในลักษณะที่ช่วยให้ทั้งระบบสร้างใหม่, นักวิทยาศาสตร์สรุป.
ด้วยความเหนื่อยล้าน้อยลง, ระบบออพโตเจเนติกส์อาจเป็นอนาคตที่ดีสำหรับการทำงานของมอเตอร์ในระยะยาว เช่น โครงกระดูกภายนอกของหุ่นยนต์ที่ยอมให้คนที่เป็นอัมพาตเดินได้, หรือเป็นเครื่องมือฟื้นฟูระยะยาวสำหรับผู้ที่เป็นโรคกล้ามเนื้อเสื่อม, ศรีนิวาสันแนะนำ.
สำหรับวิธีการก้าวกระโดดสู่มนุษย์, นักวิจัยจำเป็นต้องทดลองวิธีที่ดีที่สุดในการส่งแสงไปยังเส้นประสาทส่วนลึกภายในร่างกาย, พร้อมทั้งหาวิธีแสดงความเห็นอกเห็นใจของมนุษย์อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ.
“มีอยู่แล้ว 300 การทดลองโดยใช้ยีนบำบัด, และการทดลองบางอย่างที่ใช้ opsins วันนี้, ดังนั้นจึงเป็นไปได้ในอนาคตอันใกล้,” ศรีนิวาสันต์กล่าว.
แหล่งที่มา: http://news.mit.edu, โดย Becky Ham
ทิ้งคำตอบไว้
คุณต้อง เข้าสู่ระบบ หรือ ลงทะเบียน เพื่อเพิ่มความคิดเห็นใหม่ .