3D-модель, разработанная нейробиологами Университета Западной Вирджинии, показывает, как имплантируемые стимуляторы — те, которые используются для лечения хронической боли — могут воздействовать на нейроны, которые контролируют определенные мышцы, чтобы обеспечить реабилитацию людей с неврологическими расстройствами, такими как инсульт и травмы спинного мозга.
Исследование , включая модель, было опубликовано Communications Biology.
Устройство, имплантированное в спинной мозг или рядом с ним, работает путем передачи электрического сигнала через тонкий провод. При лечении паралича стимуляция воздействует на определенные части спинного мозга, чтобы помочь восстановить мышечную функцию и движение. Однако эффективность устройства была ограничена из-за недостаточного понимания того, где в спинном мозге расположены мотонейроны, которые соединяются с конкретными мышцами.
«Если мы действительно хотим максимизировать полезность этих имплантатов, мы хотим иметь возможность выбирать определенные мотонейроны, которые активировали бы определенные мышцы и помогали бы движению правильным образом и в нужное время», — сказала Валерия Гриценко, доцент Медицинский факультет WVU, факультеты человеческой деятельности — физиотерапии, неврологии и Институт нейробиологии Рокфеллера. «Ученые хотят использовать модель, чтобы выяснить, куда имплантировать эту систему».
Гриценко планирует возглавить команду по созданию более сложных моделей нервно-мышечной системы.
В ходе дальнейших исследований и испытаний исследователи надеются лучше понять, в какой степени эти устройства могут улучшить мышечную функцию.
Чтобы провести исследование, исследователи сначала создали 3D-модель расположения мотонейронов в спинном мозге макаки (обезьяны Старого Света) и сравнили ее с текущими знаниями о спинном мозге человека. Они также создали 3D-модели скелетно-мышечной анатомии макаки и правой верхней конечности человека и сравнили их.
«Мы изучали различия и изменения длины мышц в разных позах как на модели человека, так и на модели обезьяны», — сказала Рэйчел Тайтано, докторант в области медицины и нейробиологии из Фэрфакса, штат Вирджиния, и ведущий автор исследования. «Модель скелетно-мышечной системы обезьяны показывает, что биомеханика аналогична человеческой, хотя у этих видов есть различия в используемых ими мышцах, а также в разной ориентации и функциональности».
Исследование показывает близкое совпадение в распределении или глубине пулов мотонейронов вдоль спинного мозга у макак и людей. Эти результаты позволят ученым добиться точности в назначении лечения.
«Некоторые пулы мотонейронов находятся глубже внутри спинного мозга, а другие — ближе к поверхности», — объяснил Гриценко. «Эта модель позволяет нам глубже изучить места, где эти пулы мотонейронов могут быть ближе всего к поверхности. Именно здесь вы хотели бы стимулировать, чтобы потенциально активировать эти мышцы».
Гриценко, который был главным исследователем, объяснил, что «знание спинальной организации пулов мотонейронов — групп клеток, которые соединяются с одной мышцей — может открыть нечто удивительное. Наша сложная скелетно-мышечная система со временем развивалась, чтобы обеспечить широкий диапазон движений. мы видим у всех приматов, включая нас, людей. Команда обнаружила, что в нашем спинном мозге есть встроенные «карты», отражающие эту сложную функцию. Эта «карта» помогает упростить управление нашим сложным телом с помощью спинного мозга. наличие автопилота прямо внутри позвоночника».
Другой коллега по проекту, Сергей Яковенко, доцент медицинского факультета WVU, кафедры человеческой деятельности — физиологии упражнений, неврологии и RNI, проводил аналогичные исследования анатомии спинного мозга у четвероногих животных. Новые результаты показывают, насколько хорошо анатомия спинного мозга сохраняется у животных и насколько точно она отражает работу мышц.
По словам Тайтано, в этот проект ее привлекли результаты прикладного научного исследования, которые можно использовать для пользы пациентов в клинических условиях.
«Я думаю, что мы можем получить много информации в результате неинвазивных исследований», — сказал Тайтано, имеющий степень бакалавра в области биомедицинской инженерии. «Теперь, когда мы можем применить эти открытия в масштабе миллиметра и нанометра, мы можем изготавливать устройства, которые будут применять то, что мы видим в такой модели».
Завершив проект, этим летом Тайтано переходит к медицинской части своей программы.
«Происхождение Рэйчел сыграло важную роль в успехе исследования», — сказал Гриценко. «Мне определенно хотелось бы видеть больше такого рода междисциплинарного сотрудничества с аспирантами, работающими над проектами вместе с коллегами из медицинских и инженерных факультетов».
Гриценко сообщил, что ученые из двух других университетов выразили заинтересованность в использовании этой модели для изучения того, как можно улучшить технологию стимуляции. Она также планирует сотрудничать с исследователем приматов из другого университета, чтобы проверить результаты исследования на животных моделях.
«Мы хотим провести тест на мышечную стимуляцию на основе прогнозов модели и посмотреть, получим ли мы ожидаемые результаты», — сказала она. «Мы можем сначала попробовать это на обезьянах, а затем, если это сработает, мы можем попробовать это на людях, чтобы еще раз проверить, является ли это хорошей моделью для проведения этих операций».