Дотянуться, взять, удержать и бросить мяч …… Две обезьяны с парализованными руками удивительным образом выполнили такой сложный набор почти регулярных движений, что открывает перспективы для восстановления двигательных функций у людей с травмами спинного мозга. Это последнее исследование из Медицинской школы Файнберга Северо-Западного университета, где группе под руководством доктора Ли Э. Миллера, профессора физиологии, удалось восстановить более сложные движения рук у парализованных обезьян с помощью искусственной связи между мозгом и мышцами. Работа была опубликована в номере журнала Nature от 18 апреля 2012 года. Согласно неполной статистике, более 130 000 человек во всем мире ежегодно выживают после травм спинного мозга, но они всегда будут страдать от тяжелого паралича. Половина этих парализованных людей страдают от повреждений выше шестого шейного позвонка, что напрямую влияет на движение конечностей. Для большинства из них восстановление способности хватать предметы является наиболее реальным благом. Именно по этой причине исследовательская группа доктора Миллера работала над восстановлением двигательной способности рук людей с параличом, объединив две технологии для создания нейропротезного устройства, которое заменяет утраченную или поврежденную неврологическую функцию. Ни одна из этих методик не является новой для практикующих врачей в области реабилитации после травм головного и спинного мозга. Но до этого момента они были похожи на два поезда на параллельных путях, идущих взад и вперед по своим путям с одной и той же целью. На удачном повороте дороги эти два метода слились в одну колею, что привело к неожиданному результату — намеренному приему. Функциональная электростимуляция Первым методом является функциональная электростимуляция (FES). Парализованный пациент начинает ходить со скоростью походки менее 0,2 м/с и может ходить только на одной ноге, что часто называют опущением стопы. Используя один канал функциональной электростимуляции, дорсальные сгибатели позвоночника стимулируются для коррекции опущения стопы, а голеностопный сустав стимулируется для поднятия стопы. Через некоторое время он может увеличить скорость походки до 0,7 м/с, и вскоре ему уже не нужны костыли. Это не волшебная история из сказки, а метод FES, эффективность которого доказана с 1960-х гг. FES направлен на восстановление двигательных способностей людей с травмами спинного мозга с помощью электрической стимуляции для активации парализованных или слабо парализованных мышц в точной последовательности и интенсивности стимуляции. Впервые FES был использован в области реабилитационной медицины в 1961 году, когда Либерсон и другие успешно лечили семь пациентов с гемиплегией, страдающих падением стопы, путем стимуляции общего малоберцового нерва. В течение последующих 40 лет метод FES постепенно набирал обороты в восстановлении способности ходить у параплегиков и в настоящее время является проверенным клиническим инструментом для восстановления способности нижних конечностей у парализованных людей. В настоящее время более 24 исследовательских центров по всему миру активно изучают роль FES в восстановлении способности стоять и ходить, а также разрабатывают системы FES для помощи при ходьбе. Однако на сегодняшний день единственной одобренной FDA системой FES для ходьбы на короткие дистанции является система ходьбы Parastep, которая была разработана Университетом Иллинойса совместно с медицинским центром в Чикаго и состоит из многоканального стимулятора, 12 поверхностных электродов и вспомогательных устройств для тренировки стояния и ходьбы у параплегических пациентов с инвалидностью от Т4 до Т12. Хотя FES уже давно используется в клинической практике и достиг значительных результатов, проблема управления сигналом стимуляции ограничивает дальнейшее развитие FES. Если нужный стимулирующий сигнал не найден, FES не может достичь хороших терапевтических результатов. Более того, он может управлять движением культи только по заданному шаблону, а не в реальном времени в соответствии с пожеланиями пациента. Более важной реальностью является то, что в то время как в восстановлении двигательной функции нижних конечностей людей с травмами спинного мозга был достигнут реальный прогресс, FES, похоже, не нашел подходящего решения для восстановления функции верхних конечностей парализованных людей до появления технологии интерфейса мозг-компьютер. Технология интерфейса мозг-компьютер 29 апреля 2012 года на новостном сайте правительства САРГ появилась информация о том, что Китайский университет Гонконга недавно успешно разработал китайскую систему интерфейса мозг-компьютер, которая может преобразовывать мозговые волны в традиционные китайские иероглифы. Согласно докладу, пациент, который полностью парализован и не может говорить, может просто надеть беспроводной приемник мозговых волн с 16 контактными поверхностями, посмотреть на интерфейс ввода китайских штрихов на экране компьютера, подумать о штрихе, который он или она хочет написать, и приемник получит команду записать его на китайском языке. По словам команды, эта система, несомненно, в десятки раз медленнее прямой речи, языка жестов или рукописного письма, но для пациентов с тяжелыми параличами это редкий прорыв, позволяющий им выражать свои мысли даже простыми фразами. Интерфейс мозг-компьютер (BCI) — это вторая технология, использованная в исследованиях Миллера, профессора физиологии Северо-Западного университета в США. Эта гибридная технология, которая была разработана в 1970-х годах, включает в себя неврологию, психокогнитивные науки, реабилитационную инженерию, биомедицинскую инженерию и информатику, и получила бурное развитие в последнее десятилетие или около того, сделав возможным для людей использовать сигналы мозга для общения с компьютерами или другими устройствами. Суть технологии BCI заключается в извлечении и переводе активности нервных клеток. С одной стороны, это позволяет мозгу посылать команды для управления компьютером или интеллектуальным протезом, а с другой стороны, это позволяет нам напрямую интерпретировать части нейронной активности и передавать их обратно пользователю в виде изображений и звуков. Исследователи пришли к выводу, что для того, чтобы BCI стало возможным, необходимы три условия: во-первых, должен существовать сигнал, достоверно отражающий мышление мозга; во-вторых, этот сигнал может быть собран в реальном времени и быстро; в-третьих, существует четкая классификация этого сигнала. Важным применением технологии BCI является восстановление двигательного контроля у пациентов с физическими недостатками и параличом, что позволяет взаимодействовать между человеком и компьютером посредством разума. Использование BCI для прямого управления мышцами или для неврологического восстановления может быть использовано для восстановления двигательных способностей людей с параличом, вызванным блокадой нервов или повреждением мышц, что позволит им выполнять основные движения в повседневной жизни. Устройство нейронного протеза BCI обеспечивает отличный интерфейс для FES, и Миллер, профессор физиологии Северо-Западного университета, попытался объединить эти две технологии для создания мощного устройства нейронного протеза. Устройство состоит из двух частей: первая — многоэлектродный чип, который может быть имплантирован непосредственно в мозг в качестве BCI, с помощью которого исследователи могут обнаружить активность 100 клеток мозга и декодировать сигналы, генерирующие движения мышц и рук; вторая — устройство EFS, которое передает электрические токи на парализованные мышцы, заставляя их сокращаться. Исследователи дали обеим обезьянам местную анестезию, чтобы блокировать нервную активность в локте, вызвав временный паралич руки. С помощью нейропротеза мозговой чип запустил FES-устройство напрямую, минуя спинной мозг, чтобы добиться намеренного сокращения мышц под контролем мозга, восстановив движение парализованной руки, и парализованные обезьяны смогли брать и двигать небольшие мячи почти обычным образом. На самом деле, подобное нейропротезное устройство, основанное на сочетании технологий BCI и FES, доступно уже с 2008 года. Группа исследователей под руководством доктора Эберхарда Фетца из Университета Вашингтона в США подключила нейронную активность к устройству FES. Обезьяны научились активировать отдельные нейроны для модуляции устройства FES, перемещая джойстик таким образом, что нейроны, ранее не связанные с запястьем, адаптировались для выполнения задачи. В том же году экспериментаторы из Питтсбургского университета (США) имплантировали массив микроэлектродов в двигательную область мозга обезьяны для улавливания сигналов электрического разряда от множества нервных клеток, которые в режиме реального времени обрабатывались компьютером и преобразовывались в команды управления для моторизованного протеза. После некоторого периода обучения обезьяны научились использовать нервные сигналы собственного мозга для прямого управления движением протезной конечности, чтобы захватывать пищу и подавать ее в рот. Это исследование, которое в то время было захватывающим для области реабилитации параличей, было опубликовано в журнале Nature в том же году. Хун Бо, эксперт кафедры биомедицинской инженерии и Института нейроинженерии Университета Цинхуа, написал статью, в которой проанализировал результаты исследования, отметив, что исследование Питтсбургского университета является консолидацией исследований в этой области за последние десять лет или около того. Хотя это не является значительным нововведением с точки зрения основных принципов, это первый случай, когда мозг напрямую управляет протезом конечности, чтобы работать с остальным телом для выполнения функционального действия в биологическом смысле — захвата пищи — что является большим шагом вперед по сравнению с предыдущими исследованиями. И последнее исследование Миллера, профессора физиологии Северо-Западного университета, выходит за рамки предыдущих выводов. Используя эти методы нейроинженерии, мы можем понять некоторые важные физиологические основы мозга и использовать их для соединения мозга непосредственно с мышцами», — пишет профессор Миллер в своей статье. Эта связь между мозгом и мышцами может быть однажды использована, чтобы помочь людям с параличом из-за травмы спинного мозга выполнять повседневную деятельность и обрести большую независимость». Результаты исследований Миллера способствовали тестированию и разработке современных нейропротезов. Доктор Даофен Чен, директор программы Национального института неврологических расстройств и инсульта при Национальном институте здоровья, сказал, что исследователи в этой области работают над созданием устройств, которые выходят за рамки простых движений руки и позволяют осуществлять тонкие движения кисти и пальцев, а исследование Миллера позволяет преодолеть сложные движения кисти и пальцев, необходимые нейропротезам для захвата предметов. Однако профессор Миллер также осторожно отмечает, что временные нервные блоки, использованные в текущем исследовании, не воспроизводят хронические изменения, которые происходят после длительной паралитической травмы головного и спинного мозга, что делает особенно важным испытание этой системы на модели примата с длительным параличом. Несмотря на это, Миллер открыл окно для парализованных пациентов с травмами спинного мозга, и пока нервные клетки в головном мозге еще могут работать, намеренный захват и восстановление двигательных способностей больше не является просто мечтой.