Благодаря имплантации электродов три парализованных пациента смогли ходить, плавать, ездить на велосипеде и не только
Врачи вживили в позвоночник трём парализованным пациентам электроды, благодаря которым они теперь могут стоять, ходить, плавать, кататься на велосипеде или каное и не только. Разработка представляет собой комплекс гибких электродов, управляемых по беспроводной связи через планшет. Пациент выбирает на планшете вид активности, после чего через электроды в спинной мозг подаются соответствущие сигналы, активирующие движение конечностей.
Один из пациентов исследования. Фото: EPFL/Alain Herzog/PA
Технология носит название Эпидуральная электростимуляция (Epidural electrical stimulation, EES). Электроды размещаются в пространство между позвоночником и спинным мозгом, после чего в соответствии с поданной командой избирательно активируют нервные волокна. Благодаря этому удаётся имитировать естественные сигналы нервной системы, поступающие в конечности из мозга. EES очень хорошо показала себя в вопросах реабилитации и восстановления двигательных функций у парализованных пациентов. Например, в 2017 году в журнале Scientific Reports было опубликовано исследование, показывающее, как пациент после применения EES совместно со специальной программой тренировок снова смог двигать ногами.
Исследователи взяли на основу уже существующий опыт применения EES и модернизировали его. Было разработано две программы — с помощью одной учёные немного пересмотрели расположение электродов, с помощью второй обеспечили быструю настройку команд стимуляции для конкретных видов деятельности, воспроизводивших естественную активацию двигательных нейронов при различных видах деятельности.
На изображении выше показана гибкая основа (планка) с 16 электродами, разработанная авторами в ходе исследования. Слева — новая планка, справа — предыдущий вариант, который использовали в 2017 году. Перед установкой врачи делают КТ и МРТ для персонализации расположение электродов. На их основе создали трёхмерный анатомический атлас отдела позвоночника, куда запланирована установка электродов — участок позвоночного столба от T10 до L5.
После этого полученные данные прогнали через 15 вычислительных моделей. Они показали, что требуется дополнительная персонализация расположения электродов, и добавили в моделирование больше данных о движении ног и процессах, происходящих в ответ на сигнал к ногам от нервной системы. Всего в исследовании участвовало три человека, и для каждого из них составляли персонализированный атлас со своей моделью. Как показала практика, персонализированные модели показали значительно более высокие показатели, чем общие. Чтобы нейронами можно было управлять дистанционно, авторы дополнили имплантируемый генератор импульсов Activa RC модулями беспроводной связи. Activa RC вживили в брюшную полость и подключили к нему планки с электродами.
В ходе экспериментов в мышцы разгибатели подавали импульсный ток частотой 20 Гц, сгибатели — 100 Гц. Сперва пациент находился в лежачем состоянии, чтобы упростить точную настройку. После исследователи начали экспериментировать с активацией комбинаций нейронов для воссоздания естественной картины активации нейронов во время ходьбы. Что примечательно — в первый день все три участника смогли самостоятельно ходить по беговой дорожке. После дополнительной оптимизации модели походка стала увереннее уже на третий день. Все пациенты передвигались при поддержке специальных приспособлений, таких как ходунки.
В итоге трое участников исследования прошли 5-месячную программу нейрореабилитации, в ходе которой EES позволяла им стоять, ходить и выполнять широкий спектр упражнений четыре или пять раз в неделю. Авторы разработали для них упрощенный программный интерфейс, позволивший переключаться между программами стимуляции, зависящими от активности, и точно настраивать ключевые параметры этих программ. Вспомогательные устройства были оснащены эргономичными кнопками, запускающими программы EES по желанию.
Все участники постепенно восстановили полную грузоподъемность, что привело к способности самостоятельно стоять (при помощи ходунков). Один из участников даже восстановил способность подниматься по лестнице и передвигаться по сложной местности. Благодаря EES и упражнениями пациенты восстановили мышечную массу в парализованных конечностях, что существенно улучшило результаты терапии.
Результаты исследования можно почитать в .epdf — Activity-dependent spinal cord neuromodulation rapidly restores trunk and leg motor functions after complete paralysis.
