Электроника

 
23 | 04 | 2017

18 января 2016 года в высокорейтинговом (Импакт фактор 27.363), престижном журнале Nature Mеdicine опубликована статья международной группы ученых “Spatiotemporal neuromodulation therapies engaging muscle synergies improve motor control after spinal cord injury”. В результате многолетних экспериментальных исследований на животных разработан новый способ электростимуляции спинного мозга при параличах, который в будущем поможет вновь обрести двигательную активность людям с поражениями спинного мозга.

В работе принял активное участие доктор медицинских наук, профессор Мусиенко Павел Евгеньевич , руководитель лаборатории клинической нейрофизиологии и нейрореабилитационных технологий НИИ фтизиопульмонологии МЗ РФ, старший научный сотрудник Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, руководитель лаборатории нейропротезов Института трансляционной биомедицины СПбГУ.

По данным ВОЗ (2013) ежегодно регистрируют 250 000 ÷ 500 000 случаев поражения спинного мозга разной этиологии (40 - 80 случаев/1 млн чел/год). При этом нарушается контроль работы спинальных сетей нейронными центрами головного мозга, что клинически проявляется частичной или полной утратой сенсорной или двигательной функции, нарушением висцеральной регуляции, работы мочевого пузыря, дыхания, сердечно-сосудистой деятельности. Заболевания и повреждения спинного мозга разного генеза представляют собой комплексную медико-социальную проблему, решение или снижение бремени которой связано с огромными материальными затратами как отдельных людей, так и общества в целом.

Ранее в экспериментах на животных и клинических исследованиях было показано, что нейромодуляция сетей поясничных сегментов с помощью электрической стимуляции улучшает контроль движений после травмы спинного мозга. Однако данный метод имел ограничения - воздействовать можно было только на определенные участки спинного мозга, а стимуляция происходила непрерывно и не была привязана к конкретному моменту мышечной активности. 

«Сегодня мы научились управлять сокращением тех или иных групп мышц в реальном времени. Благодаря возможностям компьютерного моделирования нам удалось выявить те точки спинного мозга, воздействие на которые поможет людям вновь начать двигаться, - рассказал руководитель лаборатории нейрофизиологии и экспериментальной нейрореабилитации ФГБУ НИИФ МЗ РФ, профессор Павел Мусиенко. - В ходе исследования мы создали новые технологии имплантации, матрицы электродов и алгоритм стимуляции нейронных сетей с тонкой подстройкой на основе обратной связи от движений конечностей. Как оказалось, такой подход, называемый пространственно-временной нейромодуляцей, значительно эффективнее использованных нами ранее».


В ходе настоящего исследования были разработаны новые протоколы стимуляции, которые воспроизводят естественную динамику вовлечения моторных нейронов во время передвижения. При локомоции здоровых крыс были вычислены пространственно-временные паттерны активации мышечных синергий – согласованных сокращений мышц. С помощью компьютерного моделирования определены оптимальные позиции электродов на спинном мозге для активации каждой синергии. Это было заложено в основу дизайна спинальных электродных матриц и программного управления в реальном времени, которое модулирует разгибательные и сгибательные мышцы с высокой точностью. Удалось создать алгоритм воздействия на несколько сегментов спинного мозга, изменяя электрическую стимуляцию в зависимости от текущих двигательных способностей и выполняемой задачи. Стимуляция специфических сегментов левой и правой половины спинного мозга позволяла контролировать активность мышц разных конечностей при движении. Такая пространственно-временная нейромодуляция эффективно восстанавливала качество ходьбы, способности к поддержке веса тела, выносливость и координацию при локомоции у крыс с тяжелыми повреждениями спинного мозга. 

 «Основы работы были заложены в лаборатории физиологии движений Института им И.П.Павлова РАН, созданной Ниной Александровной Рокотовой  в 60-е годы прошлого века. В лаборатории на протяжении 55 лет изучали различные вопросы физиологии двигательной активности, мышечной деятельности, проприоцепции и космической физиологии,  — пояснил Павел Мусиенко. — Исследования спинальных механизмов двигательного контроля были инициированы профессором Юрием Тимофеевичем Шапковым во время руководства лабораторией и успешно продолжены профессором Юрием Петровичем Герасименко с коллегами. Многолетняя (более 30 лет) научно-исследовательская и клиническая работа со спинальными больными проводилась на базе  ФГБУ «НИИФ» МЗ РФ. Методы эпидуральной и чрескожной стимуляции спинного мозга, разработанные сотрудниками института - ведущим научным сотрудником Еленой Юрьевной Шапковой, доктором медицинских наук Андреем Николаевичем Макаровским, профессором Александром Юрьевичем Мушкиным, - показали высокую эффективность в лечении полных и неполных плегий разной этиологии у детей и взрослых. Уникальным достижением является метод электростимуляции поясничного утолщения спинного мозга с эффектом вызванных  шагоподобных движений ног».

Для исследования были специально созданы методы хирургических операций, в том числе применен вертебральный ортоз для надежного закрепления устройств на позвоночнике, долгосрочной функциональности и хорошей биоинтеграции имплантата в ткани. Результативность этих методов была подтверждена в течение 6-недельных функциональных и морфологических исследований. 

Разработанная технология открывает новые возможности для фундаментальных исследований центральной нервной системы и для нейропротезирования при заболеваниях и травмах. Ученые убеждены, что новый подход может быть транслирован в клинику.

«Совместно с коллегами из лаборатории нейрофизиологии и экспериментальной нейрореабилитации ФГБУ НИИФ МЗ РФ мы делаем все возможное для трансляции разработанных технологий в клинику и развития нейрореабилитационного направления в России, — подчеркнул профессор Мусиенко. - Поданы заявки на комплексные проекты в Министерство здравоохранения РФ, ФАНО, РНФ, НейроНэт, РФФИ, посвященные тематике нейропротезов. От поддержки государства и частных инвесторов во многом зависит то, как скоро в России удастся внедрить разработанные нейрореабилитационные подходы в лечебную практику».

Подробнее с результатами исследования можно ознакомиться в статье “Spatiotemporal neuromodulation therapies engaging muscle synergies improve motor control after spinal cord injury”, опубликованной в журнале Nature Mеdicine, 18 января 2016 года (http://www.nature.com/nm/journal/vaop/ncurrent/full/nm.4025.html).

 

.