Sparaliżowany od ponad dekady mężczyzna ponownie stanął na nogi. Wszystko dzięki dwóm implantom, które przywróciły komunikację między mózgiem a rdzeniem kręgowym. Nowe badania dają nadzieję sparaliżowanym osobom po urazach kręgosłupa na odzyskanie zdolności poruszania się.
Dwanaście lat temu w wyniku wypadku na rowerze Gert-Jan Oskam doznał uszkodzenia rdzenia kręgowego na odcinku szyjnym. Od tamtego czasu nie jest w stanie poruszać nogami, a niedowład częściowo dotknął także jego górne kończyny. Ale 40-letni obecnie mężczyzna znów stanął na nogi i odzyskał zdolność poruszania się. Wszystko dzięki urządzeniom, które stworzyły coś na kształt „cyfrowego mostu” między jego mózgiem a rdzeniem kręgowym, przywracając zerwane podczas urazu połączenie.
Zastosowane w nowej terapii implanty są najnowszym dziełem zespołu neurobiologów ze Szwajcarii. Ich badania już wielokrotnie zadziwiły świat. W 2018 roku postawili oni na nogi trzech sparaliżowanych mężczyzn stosując precyzyjną stymulację elektryczną pobudzającą nerwy rdzenia kręgowego poprzez bezprzewodowy implant (więcej na ten temat w tekście: Implant postawił trzech sparaliżowanych mężczyzn na nogi). W 2022 pomogli odzyskać możliwość chodzenia kolejnym trzem osobom, które z powodu urazów rdzenia kręgowego zostały całkowicie sparaliżowane od pasa w dół (więcej na ten temat w tekście: Implant kręgosłupa pozwolił sparaliżowanym osobom odzyskać zdolność poruszania się). Szwajcarscy uczeni zidentyfikowali również grupę komórek nerwowych, które są kluczowe w procesie odzyskiwania przez sparaliżowanych zdolności poruszania się (więcej na ten temat w tekście: Naukowcy zidentyfikowali neurony, które mogą pomóc sparaliżowanym ponownie stanąć na nogi).
Opis i rezultaty ostatnich badań ukazały się na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-023-06094-5).
Naukowcy z Politechniki Federalnej i Szpitala Uniwersyteckiego w Lozannie przy współpracy z uczonymi z innych placówek od lat prowadzą badania nad przywróceniem funkcji motorycznych osobom po urazach kręgosłupa. W tym celu rozwijają technologię interfejsów mózg-komputer, dzięki którym można wykorzystywać sygnały bezprzewodowe do ponownego ustanowienia komunikacji między mózgiem a rdzeniem kręgowym.
Zastosowane w nowych badaniach urządzenie opiera się na wcześniejszych pracach neurobiologa Grégoire'a Courtine'a i jego zespołu z Politechniki Federalnej w Lozannie. W 2018 roku badacze wykazali, że w połączeniu z intensywnym treningiem technologia stymulująca dolny odcinek kręgosłupa za pomocą impulsów elektrycznych może pomóc osobom z urazami rdzenia kręgowego przywrócić możliwość chodzenia.
Oskam brał udział we wcześniejszych badaniach szwajcarskich specjalistów, które obejmowały zewnątrzoponową stymulację rdzenia kręgowego połączoną z programem rehabilitacji. Wczepiono mu elektrody w rdzeń kręgowy, które dostarczały stymulujące nerwy impulsy elektryczne. To pozwoliło mu chodzić, ale proces ten był utrudniony i frustrujący.
Teraz badacze zaproponowali Oskamowi lepsze rozwiązanie - cyfrowe wypełnienie luki komunikacyjnej między jego mózgiem a dolną częścią ciała. Fale mózgowe sygnalizujące chęć Oskama do chodzenia wędrują bezprzewodowo z urządzenia wszczepionego w jego czaszkę do stymulatora kręgosłupa, przekierowując sygnał wokół urazu i dostarczając impulsy elektryczne do rdzenia kręgowego, aby ułatwić ruch.
Innymi słowy, kiedy Oskam myśli o chodzeniu, implanty czaszki wykrywają aktywność elektryczną jego mózgu. Sygnał ten jest przesyłany bezprzewodowo i dekodowany przez komputer, który Oskam nosi przy sobie i który następnie przesyła informacje do generatora impulsów na rdzeniu kręgowym, który dostarcza różne wzorce impulsów elektrycznych w zależności od pożądanego ruchu. Oskam może teraz chodzić płynniej, pokonywać przeszkody i nawet wchodzić po schodach.
Poprzednie urządzenie, jak przyznał Courtine, „było bardziej zaprogramowaną stymulacją”, która generowała ruchy, jak u robota. - Teraz jest zupełnie inaczej, ponieważ Oskam ma pełną kontrolę nad parametrem stymulacji, co oznacza, że może się zatrzymać, może chodzić, może wchodzić po schodach. Stworzyliśmy bezprzewodowy interfejs między mózgiem a rdzeniem kręgowym, który przekształca myśl w działanie – przyznał Courtine.
- Wcześniej stymulacja mnie kontrolowała, a teraz ja kontroluję stymulację. Kiedy zdecyduję się zrobić krok, symulacja uruchomi się, gdy tylko o tym pomyślę – zaznaczył Oskam.
- Wszczepiliśmy pacjentowi urządzenia nad obszarem mózgu odpowiedzialnym za kontrolowanie ruchów nóg. Te urządzenia dekodują sygnały elektryczne generowane przez mózg, kiedy pacjent myśli o chodzeniu. Umieściliśmy również neurostymulator podłączony do układu elektrod nad obszarem rdzenia kręgowego, który kontroluje ruch nóg – wyjaśniła neurochirurg Jocelyne Bloch ze Szpitala Uniwersyteckiego w Lozannie.
Zainstalowane na czaszce urządzenia to dwa układy zawierające po 64 elektrody. Znajdują się nad korą ruchową i przechwytują sygnały z mózgu. Urządzenia działają już od ponad roku, pozwalając Oskamowi stać, chodzić, wchodzić po schodach i poruszać się po skomplikowanym terenie, co nigdy wcześniej nie byłoby możliwe.
Po około 40 sesjach rehabilitacyjnych z wykorzystaniem interfejsu, Oskam odzyskał zdolność swobodnego poruszania nogami i stopami, a ten rodzaj ruchu nie był możliwy po samej stymulacji kręgosłupa i sugeruje, że sesje treningowe z nowym urządzeniem spowodowały regenerację komórek nerwowych, które nie zostały całkowicie zerwane podczas urazu. Co więcej, rehabilitacja zadziałała tak dobrze, że Oskam może również na krótkie odległości przy wyłączonych implantach, jeśli używa kul.
Autorzy badania podkreślają, że ważne jest, aby traktować to badanie z udziałem jednego uczestnika jako dowód słuszności koncepcji. Nie jest jeszcze jasne, czy inne osoby z urazami rdzenia kręgowego uzyskają podobne wyniki. Niektóre urazy mogą całkowicie przeciąć rdzeń kręgowy, ale najczęściej pozostają jakieś uszkodzone połączenia między mózgiem a dolną częścią ciała.
To wciąż wczesne etapy testowania i dalszego rozwoju interfejsu. Jednak Courtine i Bloch są przekonani, że podejście to można dostosować do innych urazów rdzenia kręgowego, takich jak te, w których sparaliżowane stają się ramiona i dłonie. Uczeni sądzą też, że opracowane metody da się także zastosować dla osób, które zostały sparaliżowane z innych przyczyn, takich jak chociażby udar.
Źródło: Nature, Science, IFLScience, fot. Gilles Weber/ CC-BY-SA/ EPFL
