 |
|
АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология |
ДВА ГЛАВНЫХ ПОДХОДАПервый шаг — это необходимость решить, куда именно в нервной системе поставить интерфейс для соединения мозга и конечности. Есть два основных способа: работать с ЦНС (соединение с мозгом или со спинным мозгом) или пойти дальше и задействовать периферическую нервную систему с нервами, расположенными в основном между спинным мозгом и остальным телом. Сейчас большинство исследователей сконцентрировались на мозге как на стартовом узле. Наименее инвазивный способ заключается в том, чтобы разместить интерфейс под скальпом или прямо под черепом на поверхности самого мозга. Электроды регистрируют электрический сигнал из мозга, которые анализируются в компьютере, Самый инвазивный способ — имплантация микроэлектродов в верхние слои мозга (микроэлектроды, сверхпроводники из кремния, каждый меньше человеческого волоса в диаметре). Как прямой интерфейс, этот способ дает мощное преимущество в получении точной и богатой информации – включая силу и частоту импульсов возбуждения для каждой нервной клетки. Идея заключается в использовании специального программного обеспечения для расшифровки и преобразования информации в нужное действие. Прямая связь мозгом уже проверена на множестве людей. В одном случае женщина была парализована инсультом. С роботизированной рукой она выпила кофе из емкости, используя только силу мысли. В 2012 DARPA запустила программу с вышеназванной схемой контроля над конечностями для людей, которые потеряли верхние конечности. В двух случаях электроды, записывающие информацию с нейронов, были присоединены к проводами, выходящими из черепа. Сигнал затем расшифровывался на мощном компьютере, который в свою очередь ретранслировал команды на роботизированную руку. В конечном счете, исследователи хотели бы передавать информацию беспроводным способом, чтобы пациент не был привязан к компьютеру. К сожалению, на данный момент вычислительная мощность не может быть настолько портативно упакована, как того требуют реальные жизненные условия. Еще один риск — мозговая ткань распознает эти электроды, как чужеродные, и запускает воспалительную реакцию, что в конечном итоге приведет к скарификации электродов. Рубцовая ткань в свою очередь экспоненциально приводит к уменьшению количества отслеживаемых нервных клеток, что ведет к понижению силы сигнала и к уменьшению информативности сигнала от электродов с течением времени, что, в итоге, ухудшит работу протеза.
Изображение: Scientific American
ПЕРИФЕРИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА Такие вызовы заставили двоих из нас постараться воздействовать на периферическую нервную систему. Некоторые из этих периферических нервных волокон соединяют спинной мозг с мышцами, и, следовательно, позволяют мозгу контролировать моторные функции путем отправления сигналов к спинному мозгу. Сенсорные нервные окончания в культе часто продолжают посылать сигналы, так же, как если бы они получали информацию от руки или ноги. Многие ампутанты продолжают чувствовать утраченную конечность – состояние, называемое фантомным. Если бы мы могли перехватить эти ошибочные сигналы от сенсорных аксонов и передать их искусственным конечностям, которые посылали бы сильные сигналы к нервам, мозг легко бы воспринял эти сигналы как от настоящей конечнонсти. То же самое и с моторными аксонами периферической нервной системы — они все еще могут направлять движение. По причине того, что мозг сохраняет возможность координировать и управлять этими различными моторными сигналами, это может позволить управлять конечностями, как своими собственными. Проблема в том, что аксоны ПНС не вырастут длиннее, если у них нет биологической цели, с которой они могут создать контакт. Помимо этого известно, что ЦНС и тело плохо реагируют на провода, имплантированные в периферические нервы. Тодд Куикенн из Северо-Западного университета и его группа провели серьезную работу над этой проблемой. Исследования проводились на добровольцах, используя их мышцы груди, как своего рода мост между культей руки и всей электрической системой протеза. Для начала исследователи отделили моторные нервы от поверхностных мышц груди, чтобы они не получали лишние сигналы от мозга. Потом они аккуратно перенаправили моторные аксоны, которые соединяли позвоночник и травмированную части руки, так чтобы они теперь присоединились к поверхностным мышцам груди. В течении недель перенаправленные нервы соединились и стали раздражать (иннервировать) мышцы груди. Команды от мозга, раньше направлявшиеся к руке, которой уже не было, теперь шли к груди, что заставляло мышцы сокращаться. Электроды на коже груди стали записывать активность некоторых сокращенных мышц, что, очевидно, было связанно с получением сигналов от мозга. После нескольких недель тренировок пациенты, наконец, смогли манипулировать своими протезами, просто думая о том, что они хотели бы сделать. Например, мысль о захвате кружки вела к определенному шаблону сокращений в груди, которые «говорили» электронике в протезе сжать пальцы в искусственной руке. Куикенн и его команда используют этот метод, названный теперь «направленная мускульная реиннервация», на множестве ампутантов. Эта технология позволяет воссоздать неплохой уровень контроля, но подлинно «природный» уровень контроля настоящий кисти и руки еще должен быть разработан. НЕЙРО-МОСТЫ Мы полагаем, что приемлемый уровень контроля моторных функций искусственной руки потребует создания принципиально иного типа соединения между живыми тканями и протезом. К счастью, не только мышцы могут реиннервироваться, но также и поврежденные нервы. Проще говоря, нервы даже могут принять трансплантированные нервы как свою часть. Поэтому, 6 лет назад мы решили изучить возможность использования трансплантированных нервных волокон вместо мышечных, как промежуточное звено между повоежденными аксонами на культе и электрической проводкой на протезе. Чтобы создать такой мост, в первую очередь нужно понять, как выращивать нервные волокна достаточной длины для того, чтобы закрыть промежутки между «домашними» аксонами и электроникой. Один из нас (Smith) придумал технику удлинения аксонов в клеточной культуре до нужной длины. Этот процесс использует природную способность нервов удлиняться в процессе обычных всплесков роста. Наиболее примечательный пример такого удлинения наблюдается в аксонах спинного мозга голубого кита. Аксоны растут по 3см в день и легко достигают 30 метров в длину. В целом, мы берем культуру нервных клеток и начинаем ее разделять, растягивая половинки в разные стороны каждый день. Из-за растяжения, центральные аксоны вынуждены расти в двух направлениях, чтобы снять напряжение. На основе этого природного процесса мы разработали устройства – аксонные удлинители, способные удлинять аксоны приблизительно на сантиметр в день. И так вплоть до 10см и, возможно, даже длиннее. Одно из первых применение таких растянутых аксонов — живой мост для восстановления повреждённых периферических нервов. Когда мы имплантировали пучки аксонов в крыс таким образом, что один конец был близок к кончику поврежденного нерва, аксоны вытянулись и росли вдоль всей длины моста. В самом деле, многие из аксонов вытянулись так далеко в ранее парализованную конечность, что нерв былполностью восстановлен, и крысы смогли восстановить функцию конечности. В дополнение, мы определили, что наши нейро-мосты функционируют как минимум 4 месяца после трансплантации, не вызывая при этом иммунного ответа. Успех в экспериментах на крысах подвел нас к следующему шагу — экспериментам на свиньях. Если результаты окажутся положительными, технологию можно будет применить на людях с поврежденными нервами. Продемонстрировав возможность направлять и стимулировать рост аксонов, мы попытались создать новые, более сложные типы таких мостов, которые позволят аксону обмениваться информацией с электронной системой протеза. Наше целью было найти для этого тонкие проводящие нити, которые тело не воспримет как инородные тела. После тестов и ошибок мы решили создать наши филаменты на основе полианилина — азотосодержащего органического соединения, которое проводит электрический ток. Также другие исследователи подтвердили, что он не воспринимается телом как чужеродный материал. По крайней мере, тесты на грызунах показали, что такие полимеры действительно не вызывают острый иммунный ответ. Следующим шагом было заставить выращенные в лаборатории нейроны расти вокруг этих микрофиллмаментов и затем растянуть аксоны к «домашнему» нерву (другой конец микрофиламента соединился бы с протезом через беспроводной передатчик). В идеале, аксоны от культи должны расти вдоль наших растянутых аксонов и взаимодействовать с филаментами, которые в свою очередь получали бы электрические сигналы с моторных аксонов культи и переводили бы их в электронику. Так же и с сенсорными сигналами с электроники, которые проходили бы через филаменты, вызывая деполяризацию сенсорных аксонов, выросших на мосту, и после этого всего передавали бы информацию в спинной и головной мозг. Используя этот способ на крысах, мы обнаружили, что растянутая нервная ткань обеспечивает путь, который ведет «домашние» аксоны на менее чем несколько десятков микрон в полимерных филаментах. Этого достаточно, чтобы разные филаменты записывали сигналы, идущие в одном направлении по нервам (вниз по конечности) и стимулировали нервы, идущих обратно (к мозгу). Проще говоря, мы создали простой адаптер-шнур, соединяющий приборы с разными разъемами. Наш гибрид биологической ткани (нейроны и их растянутые аксоны) и небиологический проводник позволяют электронике в протезе присоединяться и к аксонам, и к культе. СЛЕДУЮЩИЕ ШАГИ Все звучит оптимистично, но наши биогибриды пока находятся в начальной стадии своего развития. Мы не знаем, как долго продержатся наши мосты и как отреагирует иммунная система на полимерные компоненты в течение более длительного срока. Также нам необходимо уменьшить интерференцию с другими электрическими устройствами и увеличить чувствительность отдельных нервных сигналов, передающихся через мост в протез. Даже если мы можем соединить нейроны культи с протезом, мы не можем гарантировать верную интерпретацию мозгом сигналов из протеза. Опыт с пересадкой рук позволяет надеяться, что мозг сможет работать в таком режиме. В таких трансплантациях хирурги не могут соединить каждый нерв тела с трансплантируемой рукой. Такая точность может и не понадобиться. Мозг человека способен перерисовать внутреннюю карту, содержащую информацию о том, что каждый моторный нейрон будет делать что-то свое, и, таким образом, позволяя управлять новой рукой. Так же как и управление роботизированной рукой, соединенной с нервами, возможно потребует дополнительной перетренировки мозга. Дальнейший прогресс в увеличении управляемости искусственной руки также может включить в себя комбинацию в исследовании роли ЦНС и ПНС. Пока же создание прямых связей между мозгом и передовыми протезами (путем воздействия напрямую на головной мозг, через переориентированные мышцы груди или через биогибридные мосты) увеличивает шансы создать искусственную руку, которая будет двигаться и ощущаться, как настоящая рука. Интерфейс между рукой Люка Скайуокера и его новой рукой так и не был показан в «Империя наносит ответный удар». Что же, теперь это дело ученых — выяснить, как такая рука может быть создана. Оригинал: http://www.scientificamerican.com/article/how-artifical-arms-could-connect-nervous-system/ Источник: http://medach.pro/ Дата добавления: 2016-06-06 | Просмотры: 447 | Нарушение авторских прав |
