Руки в ноги и вперед

Испытания чипа, передающего импульсы мозга. Кадр: Yukio Nishimura

Японские нейрофизиологи впервые смогли напрямую подключить ноги человека к его мозгу, минуя поврежденную часть позвоночника

Александр Телишев

14 августа, 2014 16:10

5 мин

Ученые из Национального института физиологических наук Японии нашли новый способ вернуть подвижность паралитикам с поврежденным позвоночником, создав особый чип, который передает импульсы мозга, считанные из мускулов рук, в центр движения в нижней части спинного мозга. Возможные варианты применения, результаты проверки прибора на добровольцах и дальнейшие планы японских исследователей были представлены в статье, опубликованной в Journal of Neuroscience.

«Мы надеемся, что эта технология позволит нам полностью компенсировать потерю поврежденных цепочек нейронов между ногами и мозгом, отправляя специальным образом закодированные команды в исправно работающий центр движения в спинном мозге. Подобный прием может позволить людям, страдающим от паралича нижней части тела, вернуть подвижность своим ногам», — говорит один из ведущих авторов статьи Юкио Нисимура из Национального института физиологических наук.

Нисимура и его коллега по институту Сусаку Сасада, а также несколько других японских нейрофизиологов несколько лет работают над созданием нейрокибернетических технологий, позволяющих подключить мозг напрямую к конечностям человека, в обход поврежденного спинного мозга. К примеру, в 2013 году им удалось создать особый чип, при помощи которого они смогли успешно подключить мозг обезьяны напрямую к ее рукам.

Спинной мозг играет ключевую роль в движении конечностей большинства животных. В процессе движения головной мозг передает своему «коллеге» в позвоночнике общие указания, который тот превращает в набор специализированных импульсов, управляющих движением мускулов. Многие биологи полагают, что существует и исключение из этого правила — сложные движения рук приматов, которыми мозг управляет напрямую. Это заметно облегчает задачу их кибернетического подключения к мозгу. Свидетельством в пользу этого служат успешные опыты по подключению виртуальных и искусственных передних конечностей к центрам движения в мозге макак и людей.

В случае с ногами все было не так просто — «форматы» микрокоманд мозга и нервных импульсов в центре движения в спинном мозге несовместимы друг с другом, из-за чего их нельзя соединить напрямую. Для этого необходимо специальное устройство-декодер, которое ученые пока так и не смогли создать. По этой причине многие ученые отказываются от попыток соединить мозг и ноги при помощи кибернетических приемов и переходят к альтернативным методикам излечения паралича. К примеру, в мае 2012 года нейрофизиологи вернули подвижность ног крысам при помощи электрической и химической стимуляции нервов в сросшемся позвоночнике.

Источник: Yukio Nishimura

Нисимура, Сасада и их коллеги не последовали примеру других ученых и попытались остаться в пределах сферы нейрокибернетики. Наблюдая за движениями нескольких добровольцев, принимавших участие в их других исследованиях, они обратили внимание на в общем-то обыденную вещь — синхронизацию движения рук и ног во время ходьбы и бега.

Авторы статьи предположили, что движения мускулов рук могут содержать в себе ту же самую информацию, которую спинной мозг передает в двигательные нейроны ног. Они еще раз попросили добровольцев прогуляться и проследили за изменениями в положении бицепсов и других мышц. Сравнив полученные данные с тем, как менялась активность нервных клеток в ногах их подопечных, ученые поняли, что подобную информацию действительно можно напрямую передавать в центры движения ног в частично поврежденном позвоночнике.

Руководствуясь этой идеей, авторы статьи собрали экспериментальный прототип прибора, который в будущем вернет паралитикам возможность передвигаться при помощи своих собственных ног. Он состоит из трех частей — наручных датчиков, особого микрочипа и магнитного стимулятора нейронов. Датчики преобразуют вибрации мускулов в электрические импульсы, которые считывает чип и превращает в пакет электрических сигналов, понятных для нервных клеток в центре движения в спинном мозге. Магнитный стимулятор, размещаемый на пояснице человека, позволяет передавать эти импульсы напрямую в спинной мозг без необходимости проводить опасную для здоровья операцию по вставке электродов в его толщу.

Нисимура и Сасада пока не стали проверять работу своего детища на инвалидах и ограничились «ходовыми испытаниями» на той же группе добровольцев, которая помогала им создавать его. По словам ученых, изобретение неплохо зарекомендовало себя — их помощники, двигая исключительно руками, могли ходить в произвольном направлении, менять направление движения, разгоняться и тормозить, а также совершать все прочие действия, которые мы делаем автоматически. Как пишут ученые в своей статье, эти «вынужденные формы движения» были, по сути, неотличимы от того, как добровольцы двигались в нормальных условиях.

«Главная проблема сегодня заключается в том, что данный прибор не помогает паралитикам уклоняться от препятствий или удерживать вертикальное положение тела. В ближайшем будущем мы планируем решить эти проблемы и осторожно начать клинические испытания нашего изобретения», — заключает Нисимура.