Клетки Пуркинье в мозжечке — отделе мозга, обеспечивающем координацию движений.

Нейроинтерфейсы против паралича

В мире из-за проблем с передачей нервного имульса между мозгом и мышцам миллионы людей не имеют контроля над собственным телом.
Последние достижения в нейробиологии и машинном обучении возвращают парализованным людям способность общаться, работать руками и самостоятельно передвигаться.
Несмотря на чудесный результат, эти технологии устроены весьма просто и их может понять каждый.

Откуда рождается движение

Сознательное движение рождается в моторных областях коры больших полушарий. В коре для каждой части тела отведён участок, площадь которого соответствует тонкости её движений.
Так, в перицентральной извилине, контролирующей движения всего тела, половина нейронов отведена под движения лица и кистей. Вокруг перицентральной извилины расположены области, помогающие планировать сложные движения и координировать их с информацией от органов чувств.

Рис.1 — гомункул Пенфилда: области в чувствительной постцентральной (справа) и двигательной перицентральной извилине (слева), соответствующие их подконтрольным частям тела.

Важную роль в координации движений играет мозжечок: они принимает информацию о нужном движении, об окружении и возвращает в кору скорректированные параметры движения. У людей с повреждениями мозжечка движения неточны и прерывисты.

Движения человека с повреждённым мозжечком неточны и прерывисты, поскольку в них не вносятся поправки по ходу выполнения.

От перицентральной извилины к промежуточному и спинныму мозгу идут длинные отростки нейронов, формирующие пирамидальный тракт. Его волокна перекрещиваются, из-за чего получается, что правое полушарие отвечает за движения левой половины тела, а правое — за левой.

В спинном мозге расположены тела нейронов, непосредственно соединённых с мышцами. При этом расположение нейронов дублирует устройство тела: чем выше мышца в теле, тем выше её нейроны в спинном мозге, чем она дальше от туловища — тем нейроны дальше от центра нервного ствола.

Рис.2 — пирамидальный путь, отвечающий за передачу сигналов движения. Он начинается в моторных областях коры больших полушарий и спускается в спинной мозг, где расположены нейроны, непосредственно соединённые с мышцами.

Мозг человека — один из сложнейших для описания объектов, известный науке. Многие учёные до сих пор сомневаются, сможем ли мы когда-либо полностью понять, как он работает. Но процессы, отвечающие со сознательные движения изучены достаточно хорошо, чтобы повлиять на них.

Возврат подвижности

При травмах спинного мозга возникает паралич, поскольку сигнал от моторной коры не может достичь нейронов, передающих имупульс на мышцы. Чем выше по позвоночнику произошёл разрыв нервных волокон, тем тяжелее паралич.

Полное исцеление таких параличей невозможно без регенеративной медицины, находящейся за пределами современных научных знаний. Но существующих знаний и технологий вполне достаточно, чтобы придумать менее честный, но всё же весьма эффективный способ вернуть парализованным контроль над своим телом.

Табл.1 — степени паралича при повреждениях спинного мозга зависят от уровня повреждения. С1-С7 — шейные позвонки , Т1-Т12 — грудные позвонки, L1-L5 — поясничные, S1-S5 — крестец

Паралич также может быть вызван смертью отдельных областей мозга, например, при инсульте, либо же повреждением периферических нервов.

Прорыв в области микроэлектроники затронул все области технологии, в том числе и медицину. Поскольку нервный импульс — лишь электрический ток, его можно как записать, так и воспроизвести.

Существует несколько устройств, призванных расширить возможности парализованных людей, которые различаются как по принципу устройства, так и по функционалу [1].

К нейропротезам первого поколения относится Freehand System, которой с 1992 по 2001 года воспользовались более 250 человек. В этой системе, направленной на людей с травмами в райноне С5-С6 позвонков, пациентам вживляли 8-канальный электростимулятор, подававший ток на мышцы хвата и трицепс по сигналу от датчиков движения на плече.

В 2008 появился нейропротез второго поколения — IST-12. Этот уже 12-канальный стимулятор использовал в качестве сигнала для сжатия-расжатия нервные импульсы, поступающие на подконтрольные мышцы, участвующие в этом движении. В результате прибор оказался проще и компактней своего предшественника, предоставляя при этом больший контроль над движениями за счёт 4 дополнительных каналов [2].

Тем не менее, этот прибор так и остался научным исследованием. Сегодня единственным в мире коммерчески доступным нейропротезом для рук является NESS H200. Для его использования не нужна операция, потому что он подаёт ток через кожу и управляется пультом с кнопками.

Pис.3 —(А): устройство нейропротеза IST-12. В ответ на скоращение подконтрольных мышц происходит стимуляция мышц, участвующих в хватании.
(В): Благодаря стимуляции 12 мышц руки пациенты с этим прибором смогли использовать ранее недоступные движения, как например, хват указательным и большим пальцем.

Для людей с поражениями спинного мозга на уровне T4–T12 существуют аналогичные системы для ног. Ножные нейропротезы (напр., Parastep, которым воспользовались 750 человек) пока позволяют шагать только с ходунками и требуют больших усилий [3].

И хотя описанные технологии могут значительно улучшить жизнь страдающих от паралича, все они уже технологически устарели.

Новый подход

Нейропротезы последнего поколения подключаются напрямую к мозгу и управляются исключительно усилием мысли. В их основе лежат встраиваемые в кору микрочипы, которые анализируют создаваемые мозгом токи и учатся распознавать электрические сигналы, соответствующие определённому намерению.

В 2016 благодаря вживлению такого чипа в моторную кору состояние человека с С5-параличом улучшилось до показателей паралича типа Т1: пациент освоил шесть ранее недоступных движений кисти и пальцев. В ходе этого эксперимента было также выяснено, что имплантируемый чип хуже распознаёт сигналы к сокращению в движениях, включающих обе руки. Устранение этой проблемы позволит создать новые, более эффективные нейропротезы [4].

Рис.4 — Нейроинтерфейс, позволивший человеку с С5-параличом освоить 6 ранее недоступных движений руки: сгибание и разгибание кисти и большого пальца, сгибание среднего пальца и расжатие ладони.
(А): Мозг пациента. Красным отмечены участки мозга, активные при попытке пошевелить рукой, зелёным — место установки микрочипа, жёлтым ­ — их совмещение.
(В): тренировка пациента перед с нейроинтерфейсом.
(С): электростимулятор нейроинтерфейса состоит из двух манжет по 80 электродов. Каждому движению соответствует определённая комбинация электродов.
Рисунки из [4]

В другой разработке этого года, учёным удалось вернуть обезьянам с разрывом спинного мозга на уровне Т7-позвонка способность ходить.
Для этого учёные сначала картировали нейроны спинного мозга, участвующие в ходьбе. Далее они подключили к мозгу обезьян 96-канальный датчик, соединённый через беспроводную связь с компьютером и электростимулятором в спинном мозге.
Благодаря датчикам на ноге обезьяны, исследователи смогли соотнести работу мышц с их сигналами в моторной коре и составили алгоритм хождения.
Этот алгоритм помог обезьянам примерно за неделю вернуть нормальную подвижность в парализованной конечности [5].

Ранее подобные эксперименты успешно проводились только на грызунах. Успех нейроинтерфейса на приматах открывает путь к испытаниям на людях.

Рис.5 — Беспроводной нейроинтерфейс, за неделю вернувший парализованным макакам способность ходить.
(А): мышцы, участвующие в ходьбе.
(Б): электромиография при ходьбе, спроецированная на положение мотонейронов в спинном мозге.
(С): общее устройство нейроинтерфейса.
Пространственные датчики и электромиография позволили учёным определить последовательность работы мышц при ходьбе и сопоставить отдельные движения с конкретными нейронами в спинном мозге.
Микрочип в моторной коре макаки передаёт информацию о нервных импульсах компьютеру, который сопоставляет их с состоянием мышц и создаёт модель шагания.
Стимулятор получает сигнал от компьютера и подаёт электрический ток на нейроны, непосредственно соединённые с мышцами ноги.
При усечении спинного мозга на уровне позвонка Т7, благодаря этому нейроинтерфейсу, нервный импульс из головного мозга через компьютер и стимулятор обходит повреждённое место.
Рисунки из [5]

Авторы работы отмечают, что для переноса их разработки на человека может потребоваться несколько лет. Если же учёным удастся преодолеть все препятствия, то они создадут уникальный нейропротез: не требующий от пациента обучения, полностью инплантируемый и действующий исключительно на уровне рефлексов центральной нервной системы.

Перевод видео из статьи [5]

Ссылки

[1] Ho, C. H., Triolo, R. J., Elias, A. L., Kilgore, K. L., DiMarco, A. F., Bogie, K., … Mushahwar, V. K. (2014). Functional electrical stimulation and spinal cord injury. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics of North America, 25(3), 631–54, ix..

[2] Kilgore, K. L., Hoyen, H. A., Bryden, A. M., Hart, R. L., Keith, M. W., & Peckham, P. H. (2008). An implanted upper-extremity neuroprosthesis using myoelectric control. The Journal of Hand Surgery, 33(4), 539–50. http://doi.org/10.1016/j.jhsa.2008.01.007.

[3] Ragnarsson, K. T. (2008). Functional electrical stimulation after spinal cord injury: current use, therapeutic effects and future directions. Spinal Cord, 46(4), 255–274. http://doi.org/10.1038/sj.sc.3102091.

[4] Bouton, C. E., Shaikhouni, A., Annetta, N. V., Bockbrader, M. A., Friedenberg, D. A., Nielson, D. M., … Rezai, A. R. (2016). Restoring cortical control of functional movement in a human with quadriplegia. Nature, 533(7602), 247–250..

[5] Capogrosso, M., Milekovic, T., Borton, D., Wagner, F., Moraud, E. M., Mignardot, J.-B., … Courtine, G. (2016). A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates. Nature, 539(7628), 284–288..