Исследователи разработали новый тип нейронного имплантата, который может восстановить функции конечностей у ампутантов и других людей, потерявших возможность пользоваться руками или ногами.
В исследовании, проведенном на крысах, ученые из Кембриджского университета использовали устройство для улучшения связи между мозгом и парализованными конечностями. Устройство сочетает в себе гибкую электронику и человеческие стволовые клетки – “перепрограммируемые” основные клетки организма – для лучшей интеграции с нервом и обеспечения функции конечности.
Предыдущие попытки использовать нейронные имплантаты для восстановления функций конечностей в основном не увенчались успехом, поскольку со временем вокруг электродов образуется рубцовая ткань, препятствующая соединению устройства с нервом. Поместив между электродами и живой тканью слой мышечных клеток, перепрограммированных из стволовых клеток, исследователи обнаружили, что устройство интегрируется с организмом хозяина и образование рубцовой ткани предотвращается. Клетки выживали на электроде в течение всего 28-дневного эксперимента, что является первым случаем наблюдения в течение такого длительного периода времени.
Исследователи говорят, что, объединив два передовых метода регенерации нервов – клеточную терапию и биоэлектронику – в одном устройстве, они смогут преодолеть недостатки обоих подходов, улучшив функциональность и чувствительность.
Хотя для использования устройства на людях потребуются обширные исследования и испытания, оно является многообещающей разработкой для ампутантов или тех, кто потерял функцию конечности или конечностей. О результатах исследования сообщается в журнале Science Advances.
Огромной проблемой при попытке обратить вспять травмы, которые приводят к потере конечности или утрате ее функции, является неспособность нейронов к регенерации и восстановлению нарушенных нейронных цепей.
“Если кому-то ампутируют руку или ногу, например, то все сигналы в нервной системе остаются несмотря на то, что физически конечность отсутствует”, – говорит доктор Дамиано Бароне (Damiano Barone) из отделения клинических нейронаук Кембриджа, который был одним из руководителей исследования. “Проблема интеграции искусственных конечностей или восстановления функций рук или ног заключается в извлечении информации из нерва и передаче ее в конечность, чтобы функция была восстановлена”.
Одним из способов решения этой проблемы является имплантация нерва в большие мышцы плеча и прикрепление к нему электродов. Проблема такого подхода заключается в том, что вокруг электрода образуется рубцовая ткань, к тому же от электрода можно получить информацию только на поверхностном уровне.
Чтобы получить лучшее разрешение, любой имплантат для восстановления функции должен извлекать гораздо больше информации из электродов. А чтобы повысить чувствительность, исследователи хотели разработать что-то, что могло бы работать в масштабах одного нервного волокна, или аксона.
По словам Бароне, сам аксон имеет крошечное напряжение, но как только он соединяется с мышечной клеткой, которая имеет гораздо более высокое напряжение, сигнал от мышечной клетки легче извлечь. Именно здесь можно повысить чувствительность имплантата.
Исследователи разработали биосовместимое гибкое электронное устройство, достаточно тонкое, чтобы его можно было прикрепить к концу нерва. Затем на электрод был помещен слой стволовых клеток, перепрограммированных в мышечные клетки. Впервые этот тип стволовых клеток, называемый индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками, был использован в живом организме подобным образом.
“Эти клетки дают нам огромную степень контроля”, – говорит Бароне. Мы можем говорить им, как себя вести, и проверять их на протяжении всего эксперимента”. Помещая клетки между электроникой и живым организмом, организм не видит электродов, он видит только клетки, поэтому рубцовая ткань не образуется”.
Кембриджское биогибридное устройство было имплантировано в парализованное предплечье крыс. Стволовые клетки, которые перед имплантацией были преобразованы в мышечные клетки, соединились с нервами в предплечье крысы. Хотя крысы не смогли восстановить движение предплечья, устройство смогло уловить сигналы мозга, управляющие движением. Если подключить устройство к остальным нервам или протезу конечности, оно сможет восстановить движение.
Клеточный слой также улучшил работу устройства, повысив разрешение и позволив осуществлять долгосрочный мониторинг внутри живого организма. Клетки выжили в течение 28 дней эксперимента: впервые было показано, что клетки выживают в длительном эксперименте такого рода.
Исследователи утверждают, что их подход имеет множество преимуществ перед другими попытками восстановить функции у ампутантов. Помимо простоты интеграции и долгосрочной стабильности, устройство достаточно мало, чтобы для его имплантации потребовалась операция через небольшое отверстие. Другие технологии нейронных интерфейсов для восстановления функций у ампутантов требуют сложной интерпретации активности коры головного мозга, связанной с движениями мышц, в то время как разработанное в Кембридже устройство является легко масштабируемым решением, поскольку в нем используются “готовые” клетки.
Исследователи говорят, что их устройство может быть использовано не только для восстановления функций у людей, потерявших конечности, но и для управления протезами путем взаимодействия со специфическими аксонами, отвечающими за двигательный контроль.
По словам исследователей, объединив живые человеческие клетки с биоэлектронными материалами, они создали систему, которая может общаться с мозгом более естественным и интуитивным способом, открывая новые возможности для протезирования, интерфейсов мозг-машина и даже для улучшения когнитивных способностей.
Сейчас исследователи работают над дальнейшей оптимизацией устройств и улучшением их масштабируемости. Команда подала заявку на патент при поддержке Cambridge Enterprise, подразделения университета по передаче технологий, которое также поддерживает коммерциализацию технологии.
