Российские исследователи изучили, как электрическая стимуляция спинного мозга активирует мышцы, ответственные за движение. Они обнаружили, что электрические сигналы влияют на активность нейронов спинного мозга и помогают не только начать ходьбу, но и поддерживать её в нужном ритме. В будущем это исследование может улучшить методы восстановления движений у людей с травмами спинного мозга, паркинсонизмом, и создать новые технологии для помощи людям с ограниченными возможностями. Результаты опубликованы в авторитетном научном журнале Experimental Neurology.
Международная группа исследователей под руководством заведующего лабораторией нейропротезов Санкт-Петербургского государственного университета, научного руководителя направления «Нейробиология» Научно-технологического университета «Сириус» Павла Мусиенко совершила важный шаг в понимании того, как работает спинной мозг при движениях и как его можно «перезапустить» с помощью электрической стимуляции.
Спинной мозг играет ключевую роль в управлении движениями. В нём находятся специальные группы нейронов, которые формируют локомоторную сеть — систему, отвечающую за генерацию и координацию шагов. Нейроны в этом случае работают как «дирижёры», управляя мышцами ног во время ходьбы. Однако при травмах спинного мозга эта сеть повреждена, что приводит к потере локомоторных способностей.
В своей работе учёные использовали эпидуральную электростимуляцию (ЭЭС) — метод, при котором электрические импульсы подаются через электроды, расположенные на поверхности спинного мозга. Этот подход уже используется для восстановления движений у пациентов с травмами спинного мозга, однако тонкости механизма активации нейронных сетей с помощью ЭЭС до сих пор оставались загадкой.
-22.jpg)
Для того чтобы решить эту задачу, нейрофизиологи постарались выяснить, как ЭЭС влияет на активность отдельных нейронов спинного мозга. Они провели уникальные эксперименты на движущихся животных, одновременно регистрируя работу множества нейронов сети тончайшими мульти-электродными матрицами. Исследователи обнаружили, что ЭЭС способна запускать локомоторную сеть, даже если она была ранее неактивна. Чтобы доказать это, учёные проанализировали реакции отдельных нейронов и мышц конечностей на электрическую стимуляцию спинного мозга. Проанализировали, как быстро и сильно мышцы сокращаются, и какие изменения активности происходят при смене условий, например, во время ходьбы или в состоянии покоя. Как оказалось, электрические импульсы стимулируют нейроны спинного мозга, заставляя их работать так, будто организм готовится к движению. При этом активность нейронов менялась в зависимости от фазы движения. Например, когда нога поднимается или опускается. В начальной фазе (до начала движения) ЭЭС вызывала общее повышение активности нейронов. Во время же движения активность нейронов становилась более организованной, чтобы поддерживать ритмичность шагов. Кроме того, учёным удалось доказать, что отличающиеся друг от друга группы нейронов по-разному реагируют на электрический импульс. Одни из них давали ответ на электрическую стимуляцию быстро, другие проявляли активность медленнее. Поэтому ЭЭС помогала не только поддерживать высокий уровень возбудимости нейронной сети, необходимый для выполнения движений, но и не нарушала общего ритма ходьбы.
«Кроме расширения наших представлений о работе спинальных нейронных сетей, полученные результаты важны для развития клинических подходов нейромодуляции и нейропротезирования при заболеваниях и травмах нервной системы. Наряду с разработкой нейроинтерфейсов нового поколения, мягкой тонкой биоэлектроники, нужно понимать, как устроена нейронная сеть спинного мозга и как алгоритмы её стимуляции сделать более биомиметическими, безопасными и эффективными», — комментирует исследование доктор медицинских наук, профессор Павел Мусиенко.
В научную команду проекта по дальнейшему исследованию электрической стимуляции спинного мозга будут вовлечены молодые исследователи, студенты новой междисциплинарной программы магистратуры «Нейротехнологии с основами биоматериаловедения», реализуемой направлением «Нейробиология» Университета «Сириус». Приём заявок стартовал и продлится до 25 июля.
Работа проведена в Санкт-Петербургском государственном университете, совместно с Нобелевским департаментом нейрофизиологии Каролинского института (Швеция), Университетом «Сириус», Институтом физиологии имени И.П. Павлова РАН, Центром мозга и нейротехнологий ФМБА РФ.