Шаг в обход. Электрохимические нейропротезы — против паралича

Мозжечок - это часть заднего мозга, структура головного мозга, которая является одним из главных регуляторов в управлении позой, равновесием тела, в координации тонуса мышц и движений тела и его частей.

Мозжечок расположен в задней черепной ямке кзади (дорсальнее) варолиева моста и верхней (дорсальной) части продолговатого мозга. Сверху над мозжечком находятся затылочные доли полушарий большого мозга. Они отделены от мозжечка поперечной щелью большого мозга. Верхняя и нижняя поверхности мозжечка выпуклые. Нижняя его поверхность имеет широкое углубление (долинка мозжечка). К этому углублению прилежит дорсальная поверхность продолговатого мозга. В мозжечке различают два полушария и непарную срединную часть - червь мозжечка. Верхняя и нижняя поверхности полушарий и червя изрезаны множеством поперечных параллельно идущих щелей мозжечка. Между щелями находятся длинные и узкие листки (извилины) мозжечка. Группы извилин, отделенные более глубокими бороздами, образуют дольки мозжечка. Борозды мозжечка идут, не прерываясь, через полушария и через червь. При этом каждой дольке червя соответствует две (правая и левая) дольки полушарий. Более изолированной и филогенетически старой долькой каждого из полушарий является клочок. Он прилежит к вентральной поверхности средней мозжечковой ножки. С помощью длинной ножки клочок соединяется с червём мозжечка, с его узелком.

Мозжечок соединяется с соседними отделами мозга тремя парами ножек. Нижние ножки мозжечка (веревчатые тела), направляются вниз и соединяют мозжечок с продолговатым мозгом. Средние ножки мозжечка, самые толстые, идут кпереди и переходят в мост. Верхние ножки мозжечка соединяют мозжечок со средним мозгом. Мозжечковые ножки составлены волокнами проводящих путей, соединяющих мозжечок с другими отделами головного мозга и со спинным мозгом.

Полушария мозжечка и червь состоят из расположенного внутри белого вещества и тонкой пластинки серого вещества, покрывающего белое вещество по периферии - коры мозжечка. В толще листков мозжечка белое вещество имеет вид тонких белых полосок (пластинок). В белом веществе мозжечка залегают парные ядра мозжечка.

Белое вещество червя, окаймленное корой и разделенное по периферии многочисленными глубокими и мелкими бороздами, на сагиттальном разрезе имеет причудливый рисунок, напоминающий ветвь дерева, отсюда его название «дерево жизни».

Серое вещество варолиева моста, расположенного по соседству с мозжечком, представлено ядрами V, VI, VII, VIII пар черепных нервов, обеспечивающих движения глаз, мимику, деятельность слухового и вестибулярного аппаратов. Кроме того в сером веществе моста расположены ядра ретикулярной формации и собственные ядра моста. Они образуют связи коры полушарий большого мозга с мозжечком и передают информацию из одних отделов мозга в другие. В дорсальных отделах моста расположены восходящие чувствительные проводящие пути. В вентральных отделах моста - нисходящие пирамидные и экстрапирамидные пути. Здесь же имеются системы волокон, обеспечивающие двустороннюю связь коры большого мозга с мозжечком.

Мозжечковая атаксия.

Мозжечко́вая атакси́я - данный вид атаксии связан с поражением мозжечковых систем. Принимая во внимание то, что червь мозжечка принимает участие в регуляции сокращения мышц туловища, а кора полушарий - дистальных отделов конечностей, различают две формы мозжечковой атаксии:

ста́тико-локомото́рную атакси́ю - поражение червя мозжечка (расстраиваются в основном устойчивость и походка) и

динами́ческую атакси́ю - преимущественное поражение полушарий мозжечка (нарушается функция выполнения различных произвольных движений конечностями.

Поражение мозжечка, прежде всего его червя (архи- и палеоцеребеллума), ведёт обычно к нарушению статики тела - способности поддержания стабильного положения его центра тяжести, обеспечивающего устойчивость. При расстройстве указанной функции возникает статическая атаксия. Больной становится неустойчивым, поэтому в положении стоя он стремится широко расставить ноги, сбалансировать руками. Особенно чётко статическая атаксия проявляется в позе Ромберга. Больному предлагается встать, плотно сдвинув ступни, слегка поднять голову и вытянуть вперёд руки. При наличии мозжечковых расстройств больной в этой позе оказывается неустойчивым, тело его раскачивается. Больной может упасть. В случае поражения червя мозжечка больной обычно раскачивается из стороны в сторону и чаще падает назад, при патологии полушария мозжечка его клонит преимущественно в сторону патологического очага. Если расстройство статики выражено умеренно, его легче выявить у больного в так называемой усложнённой или сенсибилизированной позе Ромберга. При этом больному предлагается поставить ступни на одну линию с тем, чтобы носок одной ступни упирался в пятку другой. Оценка устойчивости та же, что и в обычной позе Ромберга.

В норме, когда человек стоит, мышцы его ног напряжены (реакция опоры), при угрозе падения в сторону нога его на этой стороне перемещается в том же направлении, а другая нога отрывается от пола (реакция прыжка). При поражении мозжечка, главным образом его червя, у больного нарушаются реакции опоры и прыжка. Нарушение реакции опоры проявляется неустойчивостью больного в положении стоя, особенно если ноги его при этом близко сдвинуты. Нарушение реакции прыжка приводит к тому, что, если врач, встав позади больного и подстраховывая его, толкает больного в ту или иную сторону, то последний падает при небольшом толчке (симптом толкания).

Походка у больного с мозжечковой патологией весьма характерна и носит название «мозжечковой». Больной в связи с неустойчивостью тела идёт неуверенно, широко расставляя ноги, при этом его «бросает» из стороны в сторону, а при поражении полушария мозжечка отклоняется при ходьбе от заданного направления в сторону патологического очага. Особенно отчётлива неустойчивость при поворотах. Во время ходьбы туловище человека избыточно выпрямлено (симптом Тома). Походка больного с поражением мозжечка во многом напоминает походку пьяного человека.

Если статическая атаксия оказывается резко выраженной, то больные полностью теряют способность владеть своим телом и не могут не только ходить и стоять, но даже сидеть.

Динамическая мозжечковая атаксия проявляется неловкостью движений конечностей, которая оказывается особенно выраженной при движениях, требующих точности. Для выявления динамической атаксии проводится ряд координационных проб.

При опросе пациентов важно выяснить, нарастает ли атаксия в темноте. В отличие от мозжечковой атаксии при сенситивной и вестибулярной атаксии симптоматика нарастает в условиях плохой видимости. Однако нарастание выраженности атаксии при закрывании глаз, характерное для сенситивной атаксии, отмечается и при мозжечковых поражениях, хотя и в существенно меньшей степени. Зрительная информация влияет на точность и временные характеристики тонких движений, выполняемых пациентами с мозжечковыми нарушениями.

Кандидат медицинских наук Павел Мусиенко, Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН (Санкт-Петербург).

Спинной мозг можно «научить» обслуживать двигательные функции, даже когда его связь с головным мозгом нарушена в результате травмы, и более того - заставить формировать новые связи «в обход» травмы. Для этого нужны электрохимические нейропротезы, стимуляция и тренировка.

Посредством введения химических веществ воздействуют на нейрональные рецепторы, вызывая определённые эффекты возбуждения или торможения нейронов спинного мозга ниже уровня повреждения.

При параличе можно электрическим током стимулировать сенсорные волокна спинного мозга и через них - спинальные нейроны (А). Благодаря электрической стимуляции (ЭС) животное с повреждением спинного мозга может ходить (Б).

Двигательные навыки при параличе можно тренировать с помощью специально сконструированной робототехнической системы. Робот при необходимости поддерживает и контролирует перемещения животного по трём направлениям (x, y, z) и вокруг вертикальной оси (φ

Мультисистемная нейрореабилитация (специфическая тренировка + электрохимическая стимуляция) восстанавливает произвольный контроль движений за счёт образования новых межнейронных связей в спинном мозге и в стволе головного мозга.

Для электрической стимуляции нескольких сегментов спинного мозга и многокомпонентной фармакологической стимуляции специфических нейрональных рецепторов на спинальных сетях могут быть созданы специальные нейропротезы - набор электродов и хемотродов.

Травмы спинного мозга редко сопровождаются полным анатомическим перерывом. Оставшиеся неповреждёнными нервные волокна могут способствовать функциональному восстановлению.

Традиционная нейрофизиологическая картина управления движением отводила спинному мозгу функции канала, по которому распространяются нервные импульсы, связывающие головной мозг с телом, и примитивного рефлекторного контроля. Однако данные, накопленные нейрофизиологами в последнее время, заставляют пересмотреть эту скромную роль. Новые технологии исследования позволили обнаружить в спинном мозге многочисленные сети его «собственных» нейронов, специализированных на выполнении сложнейших двигательных задач, таких как координированная ходьба, сохранение равновесия, контроль скорости и направления при движении.

Можно ли использовать эти нейронные системы спинного мозга для восстановления двигательных функций у людей, парализованных в результате спинальной травмы?

При травме спинного мозга пациент утрачивает двигательные функции потому, что нарушается или полностью разрывается связь между головным мозгом и телом: сигнал не проходит, и ниже места повреждения не происходит активации двигательных нейронов. Так, травма шейного отдела спинного мозга может привести к параличу и потере функций рук и ног, так называемой тетраплегии, а травма грудного отдела - к параплегии, обездвиживанию только нижних конечностей: как если бы подразделения некоей армии, сами по себе функциональные и боеспособные, оказались отрезаны от штаба и прекратили получать команды.

Но главное зло спинальной травмы в том, что любые устойчивые связи, соединяющие нейроны в стабильные функциональные сети, деградируют, если их не активировать снова и снова. С этим феноменом хорошо знакомы те, кто давно не катался на велосипеде или не играл на фортепьяно: многие двигательные навыки утрачиваются, если их не используют. Точно так же в отсутствие активирующих сигналов и тренировки начинают со временем распадаться специализированные на движении нейронные сети спинного мозга. Изменения становятся необратимыми: сеть «разучивается» двигаться.

Можно ли это предотвратить? Ответ, который даёт современная нейрофизиология, обнадёживает.

Нейроны взаимодействуют друг с другом последовательно, по цепочке, вырабатывая химические вещества - медиаторы различного типа. При этом в головном мозге сосредоточена бóльшая часть нейронов, использующих в качестве сигнального «языка» довольно хорошо изученные моноаминергические медиаторы: серотонин, норадреналин, допамин.

На нейронных сетях даже повреждённого спинного мозга остаются рецепторы, способные этот сигнал воспринимать. Следовательно, можно попытаться активировать спинальные сети с помощью соответствующих моноаминергических препаратов, вводя их в нервную ткань спинного мозга извне.

Это обстоятельство легло в основу экспериментов по химической стимуляции.

В 2008 году вместе с группой исследователей из Университета Цюриха (Швейцария) мы попытались активировать спинальные нейронные сети, отвечающие за движение, «сажая» на сохранные рецепторы спинальных нейронов вещества, соответствующие моноаминергическим медиаторам. Эти препараты должны были служить источником сигнала, активирующего нейронные сети спинного мозга и предотвращающего их деградацию. Результат эксперимента оказался положительным, более того, были найдены оптимальные сочетания моноаминергических лекарств для улучшения функции ходьбы и баланса. Работа опубликована в 2011 году в журнале «Neuroscience».

Спинной мозг отличает высокая системная нейрональная пластичность: его нейронные сети способны постепенно «запоминать» те задачи, которые им приходится выполнять регулярно. Регулярное воздействие на определённые сенсорные и моторные пути при двигательных тренировках улучшает работу этих нейронных путей и восстанавливает способности к выполнению тренируемых функций.

Но если нейронные сети спинного мозга можно тренировать, то нельзя ли их чему-нибудь «научить» - например, с помощью стимуляции повреждённого спинного мозга и двигательной тренировки добиться такой функциональной перестройки его нейронных сетей, которая бы с бóльшим или меньшим успехом контролировала двигательную активность самостоятельно, в отрыве от «главного штаба» - головного мозга?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы попробовали сочетать химическую нейростимуляцию с электрической. Ещё в 2007 году совместные эксперименты российских и американских нейрофизиологов показали, что если на поверхность спинного мозга крысы поместить электроды, то электрическое поле вокруг активного электрода может возбуждать проводящие спинальные структуры. Поскольку в эксперименте использовались очень небольшие токи, в первую очередь активировались наиболее возбудимые ткани вблизи электрода: толстые проводящие волокна задних спинномозговых корешков, передающие сенсорную информацию от рецепторов тканей конечностей к нейронам спинного мозга. Такая электростимуляция позволяла активизировать двигательные функции у спинальных животных.

Комбинирование электростимуляции, химической стимуляции и двигательной тренировки дало прекрасный результат. При полном разрыве связей спинного мозга с головным «спящие» спинальные нейронные сети удавалось превратить в высоко функционально активные. Парализованным животным вводили нейрофармакологические препараты, их спинной мозг стимулировали в двух сегментах, и постоянно проводились тренировки функции ходьбы. В результате через несколько недель животные показывали движения, близкие к нормальным, и могли адаптироваться к изменению скорости и направления передвижения.

В первых экспериментах исследователи тренировали животных, используя беговую дорожку и биомеханическую систему, которая помогала животному держать тело на весу, но не позволяла двигаться вперёд. Недавно, в 2012 году, в журналах «Science» и «Nature Medicine» опубликованы результаты совместных исследований Университета Цюриха и Института физиологии им. И. П. Павлова РАН, в которых мы применили робототехнический подход.

Специальный робот даёт крысе возможность свободно передвигаться, при необходимости поддерживая и контролируя её перемещения по трём направлениям (x, y, z). Причём сила воздействия по различным осям может меняться в зависимости от экспериментальной задачи и собственных двигательных способностей животного. В робототехнической установке использованы мягкие эластичные приводы и спирали, которые устраняют инерционное влияние силовых воздействий на живой объект. Это даёт возможность применять установку в поведенческих опытах. Робот опробован на экспериментальной модели парализованной крысы с повреждениями противоположных половин спинного мозга на уровне разных спинномозговых сегментов. Связь между головным и спинным мозгом была полностью прервана, однако сохранялась возможность прорастания новых нервных волокон между левой и правой частями спинного мозга. (Данная модель имеет сходство с повреждениями спинного мозга у людей, которые чаще всего являются анатомически неполными.) Комбинация тренировки в робототехнической системе с многокомпонентной химической и электрической стимуляцией спинного мозга позволила таким животным ходить вперёд по прямой, переступать через препятствия и даже подниматься по лестнице. У крыс появились новые межнейронные связи в области повреждения спинного мозга и восстановился произвольный контроль движений.

Так родилась идея электрохимических нейропротезов для имплантации в спинной мозг и управления спинальными сетями. Через специальные каналы имплантата можно вводить лекарства, которые действуют на соответствующие рецепторы и имитируют модулирующий нервный сигнал, прерванный после травмы. Матрица электродов стимулирует сенсорные входы разных сегментов и через них активирует отдельные популяции нейронов, чтобы таким образом вызвать определённые движения.

Стандартный клинический подход лечения пациентов с тяжёлыми спинальными травмами направлен на предотвращение дальнейших вторичных повреждений нервной системы, соматических осложнений паралича, на психологическую помощь парализованным больным и обучение их использованию оставшихся функций. Восстановительная терапия утраченных моторных навыков при тяжёлых повреждениях спинного мозга не только возможна, но и необходима.

Экспериментальная работа над химическим нейропротезом пока не шагнула дальше лабораторных исследований над животными, но в 2011 году авторитетный медицинский журнал «The Lancet» дал яркую иллюстрацию того, на что способна стимулирующая терапия в отношении людей. Журнал опубликовал результаты клинико-экспериментальной работы с использованием электрической стимуляции спинного мозга. Нейрофизиологи и врачи из США и России показали, что регулярная тренировка определённых моторных навыков в сочетании с эпидуральной стимуляцией спинного мозга восстанавливала двигательные способности у пациента c полной моторной параплегией, то есть полной утратой контроля над движением. Лечение улучшило функции стояния и поддержания веса тела, элементы локомоторной активности и частичного произвольного контроля движений во время стимуляции.

В результате тренировки и стимуляции удалось не только активировать нейронные сети ниже уровня повреждения, но и в определённой степени восстановить связь между головным мозгом и спинальными моторными центрами - уже упомянутая нейропластичность спинного мозга сделала возможным образование новых нейронных связей, «обходящих» место травмы.

Экспериментальные и клинические исследования показывают высокую эффективность стимуляции спинного мозга и тренировки после тяжёлой вертеброспинальной травмы. Хотя уже получены успешные результаты стимуляции спинного мозга у пациентов с сильнейшим параличом, основная часть исследовательской работы ещё впереди. Кроме того, предстоит разработать спинальные имплантаты для электрохимической стимуляции и найти оптимальные алгоритмы их использования. На всё это сейчас направлены активные усилия ведущих лабораторий мира. Сотни самостоятельных и межлабораторных исследовательских проектов посвящены достижению этих целей. Остаётся надеяться, что в результате совместных усилий мировых научных центров в общепринятые клинические стандарты войдут более эффективные методы лечения парализованных больных.

1. Нервы идут от спинного мозга или от головного мозга к каждой части тела. Затем они идут из каждой части тела обратно в головной или спинной мозг. Головной и спинной мозг являются центрами этой системы нервов.
2. Все части тела связаны нервами. Нервные клетки с их волокнами составляют нервную систему. Когда мы изучаем одну нервную клетку, мы видим, что у неё есть длинное волокно на одном конце и короткие волокна на другом конце. Нервные клетки посылают импульсы друг с другом с помощью волокон на их концах. Эти волокна на самом деле не прикасаются, но они расположены так близко друг к другу, что импульс может перемещаться из одного волокна в другое. Физические факторы стали стимулятором для нервных окончаний так как они передают энергию от внешних объектов на нервные окончания.
3. Таким образом, все нервные клетки соединяются друг с другом. Есть миллионы этих соединений нервных клеток. Таким образом, сигнал из любой части тела может достигать любой другой его части. В спинном и головном мозге, нервные клетки соединяются друг с другом с помощью их соединительных волокон. За пределами спинного и головного мозга, некоторые длинные волокна сгруппированы и формируют нерв. Каждый нерв состоит из тысяч нервных волокон связанных вместе в одной связке, так же как кабель состоит из отдельных проводов.

Мозговой центр нервной системы

4. Мы знаем, что нервы проводят импульсы к мозгу. Мы знаем, что мозг посылает эти импульсы вдоль так, чтобы они попадали в нужное место. Мозг состоит из трех частей. Головной мозг сидит, как шапка на мозжечке. И продолговатый мозг является длинной частью соединения головного мозга со спинным мозгом. Головной мозг имеет некоторые части, которые делают определенную работу. Изучение человека с случайными повреждениями мозга помогло ученым получить информацию об этих областях. Например, они обнаружили, что область которая отвечает за мысли, память и чувства находится в передней части головного мозга. Область которая отвечает за слух находится со стороны головного мозга, а область которая отвечает за зрение - в задней части головного мозга.
5. Многочисленные эксперименты показали, что мозг является центром чувств и понимания. Нервные клетки в головном мозге можно «усыпить» с помощью эфира или других обезболивающих средств. Тогда мозг не чувствует импульсы со стороны, где выполняется действие. Иногда нервные клетки в определенной части нашего тела можна приглушить новокаином, к примеру когда стоматолог вырывает зуб. Что делает новокаин - предотвращает попадание импульсов от нерва в зубе в головной мозг.
6. Мозжечок является центром который отвечает за работу мышц тела. Продолговатый мозг является центром некоторых из наших наиболее важных действий: дыхание и сердцебиение, от которых зависит жизнь человека. Продолговатый мозг также способен контролировать такие действия, как глотание и зевание.

Повреждения спинного мозга в большинстве случаев приводят к параличу ног или всей нижней части тела человека из-за того, что разрывается связь между мозгом и спинным мозгом даже при условии того, что обе упомянутых части нервной системы остаются в полностью функциональном состоянии. И недавно исследователи из Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL), университета Брауна (Brown University), и института Medtronic and Fraunhofer ICT-IMM, Германия, разработали систему, которая позволяет обойти поврежденные участки нервной системы, восстанавливая связь моторного участка головного мозга со спинным мозгом. При этом, вся система работает при помощи беспроводных технологий, а в качестве демонстрации вниманию общественности была представлена специально парализованная обезьяна, которая смогла передвигаться практически своей нормальной походкой.

За последние годы ученые-нейробиологи и медики добились значительных успехов в направлении восстановления подвижности конечностей у парализованных в результате травмы позвоночника людей. В одних случаях для этого были использованы имплантаты, стимулирующие местные нервные сети спинного мозга. Такая технология не требует прямого подключения к мозгу, а необходимые сигналы управления получаются за счет обработки целого ряда косвенных данных. Этот подход является самым простым, но он позволяет совершать лишь малое количество разновидностей движений, которые являются резкими и не очень точными.

Более высокое качество управления конечностями парализованных людей обеспечивают технологии, требующие прямого подключения имплантата к мозгу человека. Сигналы управления черпаются прямо из соответствующих зон мозга и используются для непосредственной стимуляции мускулов конечностей. Однако, такой подход не очень практичен, так как он требует подключения имплантата к быстродействующему компьютеру через достаточно толстый кабель, торчащий из черепа пациента.

Для решения последней из описанных выше проблем ученые разработали специальный нейросенсор, который связывается с компьютером при помощи беспроводных технологий. Компьютер обрабатывает поступающие данные, выделяет из них соответствующие образы и опять при помощи беспроводных технологий передает их устройству, подключенному прямо к спинному мозгу. Вся эта цепочка организована таким образом, что спинной мозг получает точно такие же сигналы, как и от мозга, говорящие, каким мускулам и с какой силой необходимо "сработать" в данный момент времени.

Вся система была откалибрована путем внедрения соответствующих имплантатов в нервную систему здоровых обезьян. Обработка огромного массива собранной информации позволила ученым выделить необходимые образы мозговой деятельности и соотнести их с командами управления каждым элементом мышечной системы. Затем, имея на руках готовые шаблоны и прочую необходимую информацию, ученые внедрили имплантаты в нервную систему двух макак с повреждениями верхней части позвоночника. Через некоторое время парализованные обезьяны уже могли двигать задними конечностями, а через месяц они начали ходить, передвигая ногами почти так, как они это делают естественным образом.

Несмотря на то, что исследователям удалось добиться работоспособности беспроводной системы, им предстоит проделать еще массу работы, прежде чем такая система сможет быть использована для восстановления подвижности конечностей у парализованных людей. В настоящее время система обеспечивает только одностороннюю связь и не может передавать сенсорную информацию назад, от спинного к головному мозгу. Именно реализацией обратных связей и планируют заняться ученые в ближайшем будущем.