электроды в мозг человека
Невролог вживил себе в мозг электроды в целях создания голосового нейроинтерфейса для парализованных людей
Филипп Кеннеди был первым неврологом, который вживил электроды в мозг парализованного человека и дал ему возможность двигать курсор по экрану компьютера и набирать тексты. Кеннеди изучал возможности мозга, имплантировал электроды приматам, но в итоге Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) лишило его финансирования и запретило эксперименты над людьми.
Чтобы убедить власти продолжить исследования, 68-летний невролог и изобретатель заплатил 25 тысяч долларов хирургу в Центральной Америке за вживление ему электродов в мозг для установки соединения между моторной корой и компьютером.
Доктор Филипп Кеннеди
В конце 1980-х и начале 1990-х Филипп Кеннеди с группой учёных начал работу над созданием нейро-компьютерного интерфейса. Он использовал электроды, чтобы имплантировать их в кору головного мозга обезьян. В 1998 году он провёл эксперимент на людях: он имплантировал человеко-компьютерный интерфейс в пациента Джонни Рэя, потерявшего подвижность после инсульта. Рэй научился двигать курсором и таким образом общаться, с имплантантами он прожил четыре года. Кеннеди иногда называют «отцом киборгов».
Последней целью Кеннеди было создание голосового декодера — программного обеспечения, которое может переводить сигналы мозга, проходящие при мысленном представлении речи, в речь. FDA прекратило финансирование его экспериментов в клинике Neural Signals и запретило проводить исследования на людях из-за потенциальной опасности операций.
Чтобы убедить власти в необходимости продолжения исследований, Кеннеди отправился к хирургу в Центральную Америку. Там ему имплантировали электроды в моторную кору мозга. «Это исследование длилось 29 лет и зашло настолько далеко, что я лучше умру, чем не продолжу его», — рассказывал врач.
После операции Кеннеди снял данные во время громкого повторения 29 звуков. Позже он представлял эти звуки, но не произносил их. Так он определил соответствие работы мозга как во время произношения, так и во время представления произношения. Эксперимент открывает новые возможности для общения парализованных людей, и Кеннеди надеется, что FDA возобновит финансирование.
Мозг Кеннеди во время операции
В 1980-х Филипп Кеннеди запатентовал инновационный тип электродов, состоящий из пары золотых проводов в стеклянном конусе. Это устройство позволяло нейронам «врастать» в него. До 1996 года его команда экспериментировала на животных, а в 1996 FDA разрешила имплантировать электроды в мозг пациента с синдромом «запертого человека». Первым добровольцем была мать двоих детей по имени Марджери с боковым амиотрофическим склерозом. Она смогла с помощью мысли включать и выключать выключатель. Заболевание Марджери прогрессировало быстро, всего через 76 дней она умерла.
Вторым пациентом-человеком стал Джонни Рэй, 53-летний ветеран Вьетнамской войны. Он очнулся после комы, но не смог двигать ничем, кроме зрачков. Человеко-компьютерный интерфейс помог Рэю двигать курсором — так можно выбирать буквы из меню на виртуальной клавиатуре, имея хоть какую-то возможность сказать что-то окружающим. Пациент прожил четыре года после операции.
В 2004 году Кеннеди вживил электроды Эрику Рэмси. После автокатастрофы, которая случилась с Рэмси после его шестнадцатилетия, он имел синдром «запертого человека». Программное обеспечение, созданное командой Кеннеди, понимало несколько звуков, которые представлял пациент, что позволяло ему «произносить» несколько простых слов.
FDA после этого отменило разрешение на использование устройств в живых пациентах. Администрация задавала вопросы на тему безопасности этих операций, в том числе на тему фактора роста — соединений, которые побуждали нейроны «врастать» в электроды. Филипп Кеннеди не смог предоставить нужные Администрации данные. Исследователь не смог смириться с этим решением FDA.
«Запертые» люди не могут общаться, иногда они способны только двигать зрачками и моргать, а иногда — проговаривать что-то невнятное, и эти факторы добавляют лишнюю переменную в эксперимент. Кеннеди был нужен доброволец, который может говорить, чтобы исследовать работу нейронов в его речи.
В течение года врач искал человека с боковым амиотрофическим склерозом, который бы согласился на очередную рискованную операцию. «Я не мог никого найти. Я долго размышлял и в конце концов решил провести эксперимент на себе», — рассказывает Кеннеди. И в июне 2014 года он оказался в городском госпитале Белиза, в главном городе одноимённого государства в Центральной Америке. К этому путешествию он подготовил электроды, которые нейрохирург вживил в его моторную кору, выбрал точки для контакта, отложил достаточно денег для проживания в этом городе в течение нескольких месяцев, если операция пройдёт не по плану.
После первой операции Кеннеди потерял речь — он не мог ответить ничего хирургам, которые задавали ему вопросы. Врачи позже объяснили, что из-за кровяного давления во время двенадцатичасовой операции мозг набух, что првело к временному параличу. «Мне не было страшно. Я знал, что происходит. Ведь я продумал операцию», — комментирует учёный. Вторая операция продлилась десять часов, электроды были имплантированы в его мозг.
Некоторые исследователи считают подобные эксперименты неэтичными или неразумными. Но были случаи, когда подобное самопожертвование в целях науки себя оправдывало. В 1984 году Барри Маршалл выпил культуру бактерии Helicobacter pylori, чтобы доказать, что она вызывает язву и рак желудка. Его предположение об этом было вызвано насмешками в научном сообществе. С помощью эксперимента, в результате которого у Маршалла развились желудочный дискомфорт, тошнота, рвота и специфический запах изо рта, он доказал свою теорию и получил в 2005 году Нобелевскую премию.
После возвращения в штат Джорджия Кеннеди начал снимать данные с мозга в своей речевой лаборатории, он снимал данные с нейронов во время произношения звуков и во время мысленного их повторения. Затем он проделал то же самое, произнося 290 коротких слов и фраз, включая «Hello, World». Результаты экспериментов врач назвал обнадёживающими. Он обнаружил, что разные комбинации 65 нейронов работали одинаково во время произношения слов и их мысленного повторения — а это ключ к разработке речевого преобразователя.
Кеннеди надеялся прожить с имплантами несколько лет, но ему пришлось после нескольких недель сбора данных обратиться в местный госпиталь в Джорджии и перенести ещё одну операцию — на этот раз по удалению электродов. Счёт составил 94 тысячи долларов, из них 15 тысяч оплатила страховая компания.
«Живые электроды» – безопасный посредник между мозгом и компьютером
Для помощи людям с патологиями головного мозга уже сейчас довольно активно используются так называемые нейроинтерфейсы – системы для обмена информацией между мозгом и электронным устройством. Ими являются, к примеру, интерфейс «мозг–компьютер», позволяющий парализованному человеку управлять «силой мысли» бионическими протезами, и глубокая стимуляция мозга для лечения болезни Паркинсона и эпилепсии. Однако практически все подобные технологии требуют вживления в мозг электродов или электронных чипов. Одна из серьезных проблем такого вторжения – воспалительная реакция тканей, в результате которой прохождение электрического сигнала очень затрудняется. До сих пор ученым не удавалось создать материал для электродов, на который ткани мозга никак бы не реагировали.
Новая разработка исследователей из Пенсильванского университета (США) – «живые электроды» (официальное название micro-TENN – microtissue engineered neural networks). Эта конструкция содержит как небиологические компоненты (электронное устройство для управления активностью тех или иных участков мозга), так и живые нервные клетки (нейроны).
Неорганическая часть нейроинтерфейса с тканью мозга не соприкасается. В мозг же имплантируют нейроны вместе с их аксонами – длинными отростками, которые в организме играют роль «проводов», проводящих нервный импульс. Эти нейроны выращивают внутри микротрубочек толщиной с человеческий волос, заполненных гидрогелем специального состава. Так как в длину аксоны могут достигать нескольких сантиметров, этого достаточно, чтобы получить доступ к глубоко расположенным участкам мозга.
В мозг имплантируется вся «живая» конструкция целиком, но в течение нескольких недель после операции гидрогель, а также внешняя оболочка микротрубочек из карбоксиметилцеллюлозы полностью растворяются. При этом взаимодействие трансплантата с тканью мозга начинается сразу же после операции, так как один конец микротрубки открыт. Аксоны постепенно приживаются и образуют синаптические контакты с нейронами мозга, служащие для передачи нервного импульса, причем их можно «запрограммировать» на формирование синапсов со строго конкретными типами нейронов. Один аксон может сформировать множество синапсов, поэтому относительно небольшое количество вживленных аксонов может дать довольно существенный результат.
Использование живых нейронов решит проблему биосовместимости, если для этого использовать нервные клетки, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток самого пациента. Важно, что «живые электроды» можно сделать из разных типов нейронов. Используя возбуждающие (например, глутаматергические) нейроны, можно усилить работу определенных зон мозга; тормозные ГАМКергические нейроны помогут, к примеру, притормозить излишнюю активность очага эпилепсии, а дофаминергические – бороться с болезнью Паркинсона. Это еще один большой плюс «живых электродов» – специфичность воздействия.
На сегодня ученые показали, что в мозге лабораторных крыс «живые электроды» хорошо приживаются и интегрируются в ткани, где выполняют нужные функции. Применение этой технологии на человеке, скорее всего, начнется с процедур глубокой стимуляции мозга, однако, по мнению исследователей, ее потенциал выходит далеко за эти рамки.
Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги
Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги
Роботизированный экзоскелет, управляемый нейроинтерфейсом.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: В СМИ часто можно услышать о проектах, которые помогают парализованным людям взаимодействовать с окружающим миром. Но в этой статье мы поговорим о не менее интересной, но более обойдённой вниманием теме — о нейроинтерфейсах, помогающих людям с параличом конечностей восстанавливать самостоятельную двигательную активность.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Более 5 миллионов человек в мире страдают от разной формы параличей, основные причины которых — инсульт (34%) и повреждение спинного мозга (24%).
Инсульт в настоящее время является одной из основных причин инвалидизации населения. В России ежегодно регистрируется более 450 000 инсультов, и инвалидами становятся 70–80% выживших после инсульта, причём примерно 20–30% из них нуждаются в постоянном постороннем уходе.
За последние 70 лет количество больных с травмой спинного мозга возросло в 200 раз, и в России подобные повреждения ежегодно получают более 8 000 человек. Чаще всего это приводит к неспособности больного самостоятельно передвигаться и обеспечивать свои основные потребности. В результате использования инвалидной коляски уменьшается физическая активность, что провоцирует развитие ряда заболеваний: болезни сердца, остеопороз, пролежни. Поэтому идет активный поиск альтернативных методов восстановления способности двигаться. Одной из самых новых разработок в этом направлении является нейроинтерфейс.
Нейроинтерфейс (он же интерфейс «мозг-компьютер», ИМК) — система, позволяющая передавать сигналы мозга напрямую на внешнее устройство (это может быть инвалидная коляска, экзоскелет, компьютер и др.), фактически управлять «силой мысли» (рис. 1).
В «Биомолекуле» можно более подробно прочитать про историю развития нейрокомпьютерных технологий, а также про современный проект Neuralink Илона Маска [1], [2].
Рисунок 1. Схема работы ИМК.
адаптировано по материалам сайта Tritriwulansari
Методы регистрации сигналов мозга
Первое звено в схеме работы ИМК — это получение сигнала от мозга. Для этого используют следующие методы:
Сейчас в ИМК для получения информации об электрической активности мозга наиболее часто применяют ЭЭГ, так как она имеет высокое временное разрешение (электроды позволяют считывать немедленную активность отдельных участков мозга), относительно дешева, портативна и не представляет риска для пользователей. ИМК, основанные на ЭЭГ, состоят из набора сенсоров, улавливающих ЭЭГ-сигналы от различных областей мозга. Однако качество сигналов ЭЭГ ухудшается из-за того, что сигнал проходит через скальп, череп, а также множество других слоев, что создает шум.
Для уменьшения шума и улучшения качества записи прибегают к инвазивным способам — имплантированию внутрь черепа набора микроэлектродов [3]. Это подразумевает значительный риск для здоровья, из-за чего их редко задействуют в экспериментальной практике. В исследованиях ИМК существуют два инвазивных подхода: электрокортикография (ЭКоГ), при которой электроды располагаются на поверхности коры головного мозга, и интракортикальная запись нейронной активности — когда датчики имплантируют в кору (рис. 2). Такие решения в настоящее время применяют крайне редко, только в исключительных случаях: либо когда пациенту и так предстоит операция на мозге, либо когда это единственный шанс на возвращение возможности взаимодействовать с окружающим миром.
Рисунок 2. Схема расположения электродов для ЭЭГ, ЭКоГ и интракортикальных микроэлектродов.
Сенсомоторный ритм и моторная кора
Как мы уже говорили, цель ИМК — улавливание намерения пользователя посредством регистрации его мозговой активности. При регистрации мозговой активности с помощью ЭЭГ мы получаем графическое изображение сложного колебательного электрического процесса, в котором можно выделить ряд определённых ритмов, которые отличаются между собой по амплитуде и частоте: альфа, бета, дельта, мю и другие. Сейчас нас интересует мю-ритм, так как именно на его основе работают нейроинтерфейсы, используемые в нейрореабилитации движений.
Мю-ритм, или сенсомоторный ритм (СМР), имеет частоту 8–13 Гц и регистрируется над моторной областью коры головного мозга, расположенной в задней части прецентральной извилины (рис. 3). Подавление мю-ритма происходит тогда, когда человек совершает какое-либо движение или воображает выполнение движения — это называется десинхронизацией, связанной с событием (event-related desynchronization, ERD). Это происходит потому, что нейроны, которые до этого возбуждались синхронно, приобретают индивидуальные, не похожие друг на друга паттерны возбуждения. При этом человек может тренироваться в воображении движений, и со временем подавление мю-ритма при этом становится всё более выраженным, что используют при обучении управлению ИМК.
Для моторной коры характерна топическая организация. Это значит, что каждому участку коры соответствует определённый участок тела, который она контролирует. На рисунке 3 изображен гомункулус Пенфилда, части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены. Как видно из рисунка, представительства верхних и нижних конечностей находятся достаточно далеко друг от друга, благодаря чему возможно раздельное распознавание нейроинтерфейсом воображения движений рук и ног.
Рисунок 3. Соматосенсорный и моторный гомункулус.
адаптировано по материалам сайта BioNinja
Обратите внимание, что представительство нижних конечностей в моторной коре значительно меньше представительства верхних. Это легко объяснимо наличием мелкой моторики рук: мозгу нужно контролировать множество отдельных мышц пальцев. У ног же, наоборот, мало мышц, которыми нужно управлять, и они более крупные. К тому же видно, что представительство нижних конечностей попадает в межполушарную щель, что затрудняет распознавание сигналов ЭЭГ, генерируемых при воображении движений разных групп мышц ног. Поэтому использование ИМК для ног вызывает определённые сложности, и большинство существующих научных работ по нейрореабилитации с помощью ИМК посвящено именно верхним конечностям, так как с их воображением проще работать. В лаборатории физиологии движений Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, где работает автор, проводят исследования, направленные на изучение процессов реабилитации нижних конечностей, а также на возможность применения при этом чрескожной электростимуляции спинного мозга (ЧЭССМ) и специальных практик, помогающих увеличить эффективность управления ИМК [4].
Как эффективно воображать движения
Известны следующие особенности воображения движений, которые повышают его эффективность:
Кроме того, нами было показано, что эффективность воображения движений зависит от личностных характеристик человека [15].
Для эксперимента было набрано 44 человека с ведущей правой рукой. Все они проходили тестирование по опроснику Кеттелла, который определяет 16 основных индивидуальных особенностей. Далее испытуемые управляли ИМК, основанном на воображении движений рук. Оказалось, что при воображении движений правой руки успешнее экспрессивные чувствительные экстраверты, а при воображении движений левой руки — практичные, сдержанные, скептичные и не очень общительные люди.
Мы предполагаем, что это можно объяснить разным уровнем содержания дофамина в правом и левом полушариях, а также разницей в способах кодирования информации о движениях [16]. Более подробно об этом можно прочитать в статье, опубликованной автором и коллегами в журнале «Доклады Академии наук» [15]. Знание личных психологических параметров пользователя ИМК может помочь в разработке индивидуальных тренингов и методов подготовки перед управлением нейроинтерфейсами.
Зачем же нужно воображение движений и работа с нейроинтерфейсами? Как это может помочь людям с нарушениями движений? Разберём эти вопросы на примере двух самых распространенных причин двигательных расстройств — инсульта и травмы спинного мозга.
Механизмы нейропластичности
При инсульте происходит острое нарушение кровоснабжения головного мозга (либо в результате закупоривания сосуда тромбом — ишемический инсульт, либо в результате кровоизлияния — геморрагический). Так как вместе с кровью к нейронам перестаёт поступать всё, что необходимо им для жизнедеятельности, участки мозга, где остановилось кровообращение, отмирают. И если это зоны, отвечающие за двигательную активность — например, моторная область коры, то у больного возникает гемипарез, снижение силы мышц одной стороны тела, или гемиплегия, полный паралич половины тела.
Восстановление двигательной функции осуществляется в основном за счет механизмов нейропластичности — способности мозга изменяться под действием опыта: устанавливать новые связи между нейронами, разрушать старые и ненужные, восстанавливать утраченные после повреждения. В данных процессах принимают участие не только нейроны, но и клетки нейроглии, а также сосудистая система [17]. Также изменяется активность синапсов и их количество [18]. Для активации данных механизмов в медицине применяется двигательная реабилитация. Однако у пациентов с параличом или высокой степенью пареза осуществление реальных движений невозможно, поэтому прибегают к тренировкам с ИМК, основанном на воображении движений. При представлении движений активируются те же зоны мозга, которые также участвуют в подготовке реального действия и в его совершении, вследствие чего такая нейрореабилитация становится реальной [19].
Благодаря таким реабилитационным тренировкам происходит перестройка нейронов вокруг повреждённой области: увеличивается объём серого вещества в двигательной зоне мозга, а соседние участки берут на себя утраченные функции [20]. Двигательные области неповреждённого полушария также участвуют в этом процессе.
Эффективность этих занятий может быть повышена за счёт использования биологической обратной связи — зрительной или тактильной — когда пациент видит на экране монитора, насколько хорошо он справляется с заданием (воображением движения конечности), или когда он чувствует вибрацию от специального прибора при успешном выполнении задачи.
Также существуют системы, дающие двигательную обратную связь: например, когда человек воображает движение правой ноги, приводя её в движение специальным механизмом. По такому принципу работает система «Биокин» (ООО «Косима»), разработанная под руководством Герасименко Ю.П. (Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН) (рис. 4) [21]. Она включает в себя обратную связь, функциональную электростимуляцию (ФЭС) и чрескожную электростимуляцию спинного мозга (ЧЭССМ), что делает её высокоэффективным инструментом в области нейрореабилитации нижних конечностей [22].
Рисунок 4. Биокин. Комплекс для нейрореабилитации нижних конечностей, основанный на применении ИМК с обратной связью, ФЭС (функциональной электростимуляции) и ЧЭССМ (чрескожной электростимуляции спинного мозга).
Такие системы позволяют замкнуть сенсомоторную петлю: от посылаемого мозгом эфферентного (исходящего) сигнала двигательной активности к афферентному (приходящему) сигналу о сенсорной обратной связи (рис. 5) [23].
Рисунок 5. Нейропластичность, вызываемая использованием ИМК, основанном на воображении движений. При повреждении моторных областей коры реальное движение становится невыполнимым, поэтому для активации процессов нейропластичности остаётся только возможность воображения движений. Использование ИМК со зрительной и тактильной обратной связью обеспечивает усиление этих процессов.
Данный механизм реабилитации может объяснить концепция пластичности Хебба: при одновременной активации двух связанных друг с другом нейронов усиливается их синаптическое взаимодействие, что приводит к более надёжному контакту между ними (рис. 6). Если предположить, что передача сигнала от моторной коры головного мозга к мышцам конечностей была нарушена из-за инсульта или травмы, то одновременная активация сенсорной и моторной коры может усиливать ранее неактивные контакты между нейронами за счет пластичности и таким образом вести к восстановлению двигательной функции конечностей [24].
Рисунок 6. Механизм пластичности Хебба. Усиление синаптического взаимодействия между двумя нейронами происходит из-за повторяющейся стимуляции постсинаптической клетки пресинаптической клеткой.
Рисунок 7. Образование новый нейронных связей в области повреждения спинного мозга (ПСМ).
При восстановлении двигательной функции после травмы спинного мозга задействованы те же механизмы нейропластичности. При таком повреждении часть нервных волокон, в том числе двигательных, оказывается прервана, что вызывает паралич конечностей, а часть сохраняет свою целостность. Благодаря этому при проведении нейрореабилитации существует возможность активации процессов нейропластичности: неповреждённые волокна образуют синаптические связи с двигательными нейронами (мотонейронами), которые, в свою очередь, передают сигнал мышцам (рис. 7) [25].
Для увеличения эффективности нейрореабилитации при помощи ИМК часто дополнительно используют функциональную электростимуляцию мышц (ФЭС). Она обеспечивает сокращение мышцы в тот момент, когда пользователь воображает движение с участием этой мышцы (рис. 8) [26]. Это приводит к усилению нейропластичности по механизму Хебба: происходит одновременная активация моторных областей головного мозга, передающих сигнал мотонейронам спинного мозга, и чувствительных нейронов, активируемых сокращающейся под влиянием ФЭС мышцей, что замыкает сенсомоторную петлю.
Рисунок 8. Система ИМК-ФЭС. При воображении движений сигнал из моторной коры обрабатывается компьютером (ПК) и передаётся к прибору функциональной электростимуляции (ФЭС), который вызывает сокращение соответствующей мышцы. Далее сигнал от мышцы передается в сенсорную кору, обеспечивая обратную связь.
Электростимуляция спинного мозга
В последние годы большую эффективность в нейрореабилитации после повреждения спинного мозга показала его электростимуляция (ЭССМ). Спинной мозг имеет два утолщения: в области шеи и поясницы, что соответствует месту выхода из них корешков двигательных нейронов верхних и нижних конечностей. В поясничном утолщении спинного мозга находятся специализированные нейронные сети, обеспечивающие автоматический процесс шагания (генераторы шагательных движений, ГШД). Иными словами, если наложить на твердую оболочку спинного мозга в месте поясничного утолщения электроды, подающие ток определенной амплитуды и частоты, можно вызвать непроизвольные шагательные движения даже у людей с параличом нижних конечностей [27]. Однако такой способ требует хирургического вмешательства, так что существует риск развития послеоперационных осложнений.
В настоящее время наиболее безопасной и безболезненной считается чрескожная электростимуляция спинного мозга (ЧЭССМ). На видео 1 (Edgerton Lab, University of California) можно видеть, как вызываются непроизвольные шагательные движения ног при облегченном положении больного, с подвешенными на рамах-качелях ногами [28].
Видео 1. Непроизвольная ходьба при чрескожной электростимуляции спинного мозга.
При использовании ЧЭССМ появляется вопрос правильного расположения стимулирующих электродов. Если при установке инвазивных электродов во время операции хорошо различимы сегменты и корешки спинного мозга, то при установке накожных электродов могут возникнуть затруднения с нахождением нужного участка. Данную задачу решают с помощью подачи одиночных импульсов на электрод и регистрации рефлекторных мышечных ответов — ведь каждому сегменту спинного мозга соответствуют строго определённые группы мышц.
Также существует проблема недостаточной амплитуды посылаемых импульсов — из-за дегенеративных процессов при повреждении спинного мозга требуется большая амплитуда стимуляции для получения нужного ответа. Однако это чревато получением ожогов. В нашей лаборатории было создано оптимальное устройство для неинвазивной электрической стимуляции спинного мозга [29].
Кроме того, была разработана система, детектирующая фазы шагательного цикла в онлайн-режиме и стимулирующая спинной мозг согласно этим фазам [30]. Во время ходьбы в разные моменты напрягаются разные мышцы, и под определёнными углами сгибаются суставы, что можно регистрировать специальными приборами — акселерометрами и гироскопами. Обе ноги движутся скоординировано, и на основании положения одной ноги можно предсказать положение другой. Принцип работы системы следующий: пациенту с гемипарезом на здоровую ногу накладываются датчики движения, которые передают сигнал к прибору для ЧЭССМ. Он, в свою очередь, стимулирует в определённые моменты времени группы мотонейронов спинного мозга, отвечающих за движение мышц-сгибателей и разгибателей ноги, что способствует нормализации ходьбы и восстановлению движения пораженной конечности.
Успехи современной нейрореабилитации
Самым масштабным исследованием в области нейрореабилитации с использованием ИМК, основанного на воображении движений, является работа Donati с соавторами, опубликованная в Nature в 2016 году [31]. В этом исследовании приняли участие восемь человек с параличом нижних конечностей, вызванным повреждением спинного мозга. Для них была разработана специальная система реабилитации, включающая в себя шесть этапов с увеличивающейся сложностью, и с каждым пациентом было проведено около 255 (!) сессий в течение года.
Первый этап включал в себя глубокое погружение в среду виртуальной реальности, во время которого испытуемый управлял перемещением своего аватара (компьютерного персонажа), воображая движение нижних конечностей в положении сидя. Затем пациент делал то же самое, только в положении стоя, с опорой на специальный стол. Во время третьего этапа проходили тренировки на беговой дорожке: испытуемый ходил с использованием прибора, поддерживающего вес тела (Lokomat). На четвёртом этапе осуществлялось движение ног уже в воздухе, а не по беговой дорожке. На пятом этапе пациент тренировался на беговой дорожке с помощью роботизированной системы, поддерживающей конечности и контролируемой ИМК. И на заключительной стадии испытуемый ходил в экзоскелете, управляемом ИМК: экзоскелет делал шаг, когда человек представлял себе движение соответствующей ноги. Во время всех тренингов испытуемые получали тактильную обратную связь — вибрацию, которая подавалась на предплечье, когда виртуальная или роботизированная нога с той же стороны касалась земли. Схему эксперимента вы можете увидеть на рисунке 9, а сам процесс реабилитации — на видео 2.
Рисунок 9. Схема эксперимента, включающая в себя шесть этапов: 1 — ИМК + виртуальная реальность (ВР) в положении сидя; 2 — ИМК + ВР в положении стоя; 3 — ходьба по беговой дорожке с поддержанием веса тела; 4 — движение ног в воздухе; 5 — ходьба по беговой дорожке с помощью роботизированной системы, контролируемой ИМК; 6 — ходьба в экзоскелете, управляемом ИМК. Обозначения: ЭЭГ — электроэнцефалография; ЭМГ — электромиография, регистрирующая активность мышц; Такт. — тактильная обратная связь.
Видео 2. Процесс проведения эксперимента.
Через 12 месяцев тренировок по этой системе у всех восьми пациентов повысились показатели по тактильным ощущениям, а также восстановился свободный контроль ключевых мышц нижних конечностей. В результате был виден заметный прогресс в их способности ходить. Многие пациенты смогли ходить при помощи вспомогательных приборов. Кроме этого, у всех пациентов было отмечено значительное повышение эмоциональной стабильности и оценки качества жизни, а также снизился уровень депрессивности и увеличилась самооценка. Улучшились состояние кожи и функция пищеварительной системы, что связано, по-видимому, с нормализацией активности симпатической и парасимпатической систем. Дело в том, что вдоль позвоночника расположены узлы вегетативной нервной системы, которая регулирует работу внутренних органов. Они повреждаются при травмировании спинного мозга, что вызывает нарушение деятельности пищеварительной системы, которая в свою очередь влияет на состояние кожи посредством выделения сигнальных молекул, в том числе и провоспалительных [32], [33].
Неврологическое восстановление было связано с механизмами пластичности как на уровне спинного мозга, так и на уровне сенсомоторной коры. Кортикальная и спинномозговая пластичность изменяет нейронные связи в сохранившейся области спинного мозга при помощи моторных и сенсорных связей (рис. 10).
Рисунок 10. Пластичность спинного мозга (СМ) и коры головного мозга, осуществляющаяся с помощью моторных (красных) и сенсорных (синих) связей.
Заключение
Современная наука в области нейрореабилитации стремительно развивается и достигает удивительных результатов — в буквальном смысле ставит на ноги людей, ранее прикованных к кровати или инвалидной коляске. Появляются новые, более эффективные способы регистрации сигналов мозга; использование ИМК дополняется использованием обратной связи, ФЭС и ЧЭССМ; углубляются знания о механизмах нейропластичности; проводятся масштабные исследования в области разработки техник нейрореабилитации. Однако остается проблема доступности данных методов. Они очень дорогостоящие и доступны только в определённых клиниках; далеко не каждый может себе их позволить. В нашей лаборатории ведётся разработка нейрореабилитационных систем, которые просты в применении и по цене доступны для закупок в государственных бюджетных больницах.
Благодарности
Автор выражает благодарность своему научному руководителю Бобровой Елене Вадимовне, заведующему лабораторией Герасименко Юрию Петровичу и безвременно покинувшему нас в прошлом году Александру Алексеевичу Фролову (01.11.1943–10.06.2020) — одному из ведущих российских исследователей в области ИМК.