Группа ученых, куда вошли специалисты Санкт-Петербургского университета, выяснила, что электрическая стимуляция спинного мозга активирует мышцы, отвечающие за движение. Они установили, что такие сигналы влияют на активность нейронов, помогая не только начать ходьбу, но и поддерживать ее в нужном ритме. В будущем это открытие может усовершенствовать методы реабилитации пациентов с травмами спинного мозга, паркинсонизмом и другими нарушениями двигательных функций. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Experimental Neurology.
Международная группа исследователей под руководством заведующего лабораторией нейропротезов Санкт-Петербургского государственного университета, научного руководителя направления «Нейробиология» Научно-технологического университета «Сириус» Павла Мусиенко совершила важный шаг в понимании того, как работает спинной мозг при движениях и как его можно «перезапустить» с помощью электрической стимуляции.
Спинной мозг играет ключевую роль в управлении движениями. В нем находятся специальные группы нейронов, которые формируют локомоторную сеть — систему, отвечающую за генерацию и координацию шагов. Нейроны в этом случае работают, как «дирижеры», управляя мышцами ног во время ходьбы. Однако при травмах спинного мозга эта сеть повреждена, что приводит к потере локомоторных способностей.
В своей работе ученые использовали эпидуральную электростимуляцию (ЭЭС) — метод, при котором электрические импульсы подаются через электроды, расположенные на поверхности спинного мозга. Этот подход уже используется для восстановления движений у пациентов с травмами спинного мозга, однако тонкости механизма активации нейронных сетей с помощью ЭЭС до сих пор оставались загадкой.
Чтобы решить эту задачу, нейрофизиологи постарались выяснить, как ЭЭС влияет на активность отдельных нейронов спинного мозга. Они провели уникальные эксперименты на движущихся животных, одновременно регистрируя работу множества нейронов сети тончайшими мультиэлектродными матрицами.
Исследователи обнаружили, что ЭЭС способна запускать локомоторную сеть, даже если ранее она не была активна. Чтобы доказать это, ученые проанализировали реакции отдельных нейронов и мышц конечностей на электрическую стимуляцию спинного мозга и изучили, как быстро и сильно мышцы сокращаются и какие изменения активности происходят при смене условий (например, во время ходьбы или в состоянии покоя).
Как оказалось, электрические импульсы стимулируют нейроны спинного мозга, заставляя их работать так, будто организм готовится к движению, при этом активность нейронов меняется в зависимости от фазы движения — например, когда нога поднимается или опускается. В начальной фазе, то есть до начала движения, ЭЭС вызывала общее повышение активности нейронов, во время самого движения эта активность становилась более организованной, чтобы поддерживать ритмичность шагов.
Кроме того, ученым СПбГУ вместе с коллегами удалось доказать, что отличающиеся друг от друга группы нейронов по-разному реагируют на электрический импульс. Одни из них давали ответ на электрическую стимуляцию быстро, другие проявляли активность медленнее, поэтому ЭЭС помогала не только поддерживать высокий уровень возбудимости нейронной сети, необходимый для выполнения движений, но и не нарушала общего ритма ходьбы.
«Кроме расширения наших представлений о работе спинальных нейронных сетей полученные результаты имеют большое значение для развития клинических подходов нейромодуляции и нейропротезирования при заболеваниях и травмах нервной системы. Наряду с разработкой нейроинтерфейсов нового поколения, мягкой тонкой биоэлектроники, нужно понимать, как устроена нейронная сеть спинного мозга и как сделать алгоритмы ее стимуляции более биомиметическими, безопасными и эффективными», — объяснил один из авторов научной работы, профессор Павел Мусиенко.
Исследование проведено в Санкт-Петербургском государственном университете совместно с Нобелевским департаментом нейрофизиологии Каролинского института (Швеция), Университетом «Сириус», Институтом физиологии имени И.П. Павлова РАН, Центром мозга и нейротехнологий Федерального медико-биологического агентства РФ.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ
Источник фото: ru.123rf.com
