Пространственно-временная нейромодуляция 27 января 2016 года, 13:38

В работе научной группы принял активное участие руководитель лаборатории нейропротезов Института трансляционной биомедицины Санкт-Петербургского государственного университета, старший научный сотрудник Института физиологии им. И. П. Павлова РАН, руководитель лаборатории нейрофизиологии и экспериментальной нейрореабилитации НИИ фтизиопульмонологии Министерства здравоохранения РФ, доктор медицинских наук, профессор Павел Мусиенко.

Сегодня в мире более 2 миллионов людей не могут передвигаться в результате тяжелых вертебро-спинальных травм. Каждый год появляется около 50 тысяч парализованных больных. Борьба с заболеваниями и лечение повреждений спинного мозга представляют собой комплексную медико-социальную и экономическую задачу, актуальность которой отмечают эксперты.

Ранее в результате экспериментов на животных и клинических исследований было показано, что нейромодуляция сетей поясничных сегментов с помощью электрической стимуляции улучшает контроль движений после травмы спинного мозга. Однако данный метод имел два основных ограничения. Во-первых, до настоящего момента воздействовать можно было только на определенные участки спинного мозга. Во-вторых, стимуляция происходила непрерывно на протяжении всей двигательной деятельности и не была привязана к конкретному моменту мышечной активности.

«Сегодня мы научились управлять сокращением тех или иных групп мышц, задействованных в процессе передвижения, в реальном времени, — пояснил Павел Мусиенко. — Благодаря возможностям компьютерного моделирования нам удалось выявить те точки спинного мозга, воздействие на которые в будущем поможет решить проблему с восстановлением двигательных функций у людей».

В ходе проведенного исследования ученые разработали новые протоколы стимуляции, которые воспроизводят естественную динамику вовлечения моторных нейронов и сокращения мышц конечностей при передвижении. С помощью компьютерного моделирования были найдены оптимальные позиции электродов на спинном мозге для вызова сокращений определенных групп мышц. В свою очередь эта модель была заложена в основу дизайна спинальных электродных матриц и программного управления, которое в реальном времени и с высокой точностью модулирует работу разгибательных и сгибательных мышц. Ученые разработали алгоритм воздействия на несколько сегментов спинного мозга, изменяя электрическую стимуляцию в зависимости от текущих двигательных способностей и выполняемой задачи. Стимуляция специфических сегментов левой и правой половины спинного мозга у грызунов позволяла контролировать активность мышц разных конечностей при движении. Такая пространственно-временная нейромодуляция эффективно восстанавливала качество ходьбы, способности к поддержке веса тела, выносливость и координацию при передвижении у крыс с тяжелыми повреждениями спинного мозга.

«В ходе исследования мы создали новые технологии имплантации, матрицы электродов и алгоритм стимуляции нейронных сетей с тонкой подстройкой на основе обратной связи от движений конечностей, — рассказал Павел Мусиенко. — Как оказалось, такой подход, называемый „пространственно-временная нейромодуляция“, значительно эффективнее используемых нами ранее».

Для проведения исследования были специально созданы методы хирургических операций, в том числе применен вертебральный ортоз для надежного закрепления устройств на позвоночнике, долгосрочной функциональности и хорошей биоинтеграции имплантата в ткани. Результативность этих методов была подтверждена в течение 6-недельных функциональных и морфологических исследований.

Разработанная технология открывает новые возможности как для фундаментальных исследований центральной нервной системы, так и для нейропротезирования при заболеваниях и травмах. Ученые убеждены, что данный подход может быть применен в разработке научно обоснованных методов нейромодуляции для восстановления двигательной активности у людей.

«Совместно с учеными-медиками из СПбГУ, а также коллегами из лаборатории нейрофизиологии и экспериментальной нейрореабилитации Института фтизиопульмонологии Минздрава РФ мы делаем все возможное для скорейшей трансляции разработанных технологий в клинику, — подчеркнул профессор Мусиенко. — На сегодняшний день уже подано несколько заявок на комплексные проекты, посвященные тематике нейропротезов, в частности в РНФ, РФФИ и НейроНэт. От поддержки государства и частных инвесторов во многом зависит то, как скоро в России удастся внедрить разработанные нейрореабилитационные подходы в лечебную практику».

Подробнее о результатах исследования читайте в статье Spatiotemporal neuromodulation therapies engaging muscle synergies improve motor control after spinal cord injury, Nature Medicine, 18 января 2016 года.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru со ссылкой на пресс-службу СПбГУ