Этот мозг

В 2011 году Герт-Ян Оскам потерял способность ходить. Двенадцать лет спустя нейробиологи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии помогли ему встать на ноги.

Оскам, получивший травматическое повреждение шейного отдела позвоночника в результате аварии на велосипеде, восстановил контроль над ногами с помощью ученых из исследовательского центра NeuroRestore EPFL под руководством Грегуара Куртина, профессора биологических наук. Куртин и его сотрудники, которые исследуют и разрабатывают нейротехнологии для физической помощи и реабилитации, имплантировали Оскаму устройство, которое частично заменяет функции, утраченные в его поврежденном позвоночнике.

В недавней статье, опубликованной 24 мая в журнале Nature Neuroscience, Куртин и его группа представили подробности выздоровления Оскама. Травмы, подобные тем, что получил Оскам, являются результатом повреждения тканей позвоночника человека, в результате чего происходит нарушение нейронной связи между мозгом и остальным телом. Без этой связи между нервной и мышечной системами человек не смог бы двигаться так, как он хочет. В случае Оскама травма шейного отдела позвоночника фактически отключила его мозг от ног, что помешало ему ходить.

«Цифровой мост» позволяет парализованному человеку ходить по Walkyoutu.be

Исследование Куртин предлагает решение этой проблемы в виде интерфейса «мозг-позвоночник», или BSI. BSI работает в два этапа. Во-первых, интерфейс мозг-компьютер измеряет нейронную активность с помощью электродов, размещенных на поверхности мозга Оскама. Мозговая активность, связанная с контролем ног, декодируется моделью машинного обучения, обученной ее распознавать, а затем используется для управления отдельным набором электродов, имплантированных в позвоночник Оскама. Этот спинальный стимулятор активирует группы нейронов, вызывающих естественные движения при ходьбе. Другими словами, BSI устраняет разрыв связи в нервной системе Оскама, возникший в результате его травмы, возвращая ему способность ходить. Благодаря новой системе он теперь может проходить более 200 метров в день и стоять в течение 3 минут, не используя ходунки для поддержки.

Команда EPFL имплантировала устройства над областью мозга, отвечающей за контроль движений ног, которые декодируют электрические сигналы, генерируемые мозгом, когда пациент думает о ходьбе.

Оскам был участником предыдущего исследования той же группы по разработке технологии стимуляции позвоночника, используемой в нынешнем BSI. Предыдущие устройства могли воссоздать естественные движения ног Оскама при ходьбе, координируя сокращение многих групп мышц его бедер, икр и ступней. Хотя это движение казалось Оскаму несколько естественным, система управления оригинального устройства его не чувствовала: чтобы инициировать шаговые движения, система следила за небольшими сокращениями, которые Оскам все еще мог производить в правом бедре, а затем соответствующим образом двигала ногами.

Джимми Равье / EPFL

Добавление интерфейса «мозг-компьютер», дополняющего систему BSI, делает управление ходьбой намного более интуитивным. На пресс-конференции Оскам прокомментировал улучшение, заявив, что в старой системе «стимуляция контролировала меня. Теперь я контролирую стимуляцию».

Еще одним преимуществом, предоставляемым BSI, является степень восстановления поврежденных тканей позвоночника Оскама. Научившись использовать систему стимуляции в течение нескольких недель и месяцев, Оскам и исследователи обнаружили, что к нему возвращается способность двигать ногами без помощи устройства. Впервые они увидели это выздоровление, когда Оскам научился использовать свою первоначальную систему стимуляторов, приводимую в движение бедром, но увидели значительно лучшее заживление позвоночника с добавлением контроля, управляемого мозгом.

По мнению исследовательской группы, это восстановление происходит благодаря устройству, восстанавливающему скоординированное поведение нейронов, передающих и считывающих информацию из поврежденного отдела позвоночника. Когда проксимально расположенные нейроны активируются в одно и то же время, наша нервная система имеет тенденцию соединять их. В случае Оскама система BSI стимулировала нейроны позвоночника ниже места травмы, но нейроны над поврежденной тканью все еще работали, поскольку они все еще связаны с частями его мозга, инициирующими и контролирующими движения ног. «Детальный механизм нам неизвестен, но вся идея заключается в том, что сенсомоторный цикл замкнут», — говорит Куртин. «Он пытается активировать регион с помощью своих естественных путей, которые одновременно стимулируются. Это сотрудничество между естественными и цифровыми путями, вероятно, способствует возобновлению роста проекций».