Людям с параличом или ампутацией нейропротезы, которые искусственно стимулируют сокращение мышц с помощью электрического тока, могут помочь восстановить функцию конечностей. Однако, несмотря на многолетние исследования, данный вид протезов не получил широкого применения, поскольку приводит к быстрому утомлению мышц и ухудшению контроля.
Исследователи Массачусетского технологического института разработали новый подход, который, как они надеются, когда-нибудь сможет обеспечить лучший контроль мышц при меньшей утомляемости. Вместо использования электричества для стимуляции мышц они использовали свет. В исследовании на мышах ученые показали, что этот оптогенетический метод обеспечивает более точный контроль мышц, а также резкое снижение усталости.
«Оказывается, используя свет с помощью оптогенетики, можно более естественно контролировать мышцы. С точки зрения клинического применения этот тип интерфейса может иметь очень широкую полезность», — говорит Хью Херр, профессор медиаискусства и науки, содиректор Центра бионики К. Лизы Янг в Массачусетском технологическом институте и ассоциированный член Массачусетского технологического института. Институт Макговерна по исследованию мозга.
Оптогенетика — это метод, основанный на генной инженерии клеток для экспрессии светочувствительных белков, который позволяет исследователям контролировать активность этих клеток, подвергая их воздействию света. Этот подход в настоящее время неосуществим для людей, но Герр, аспирант Массачусетского технологического института Гильермо Эррера-Аркос и их коллеги из Центра бионики К. Лизы Янг сейчас работают над способами безопасной и эффективной доставки светочувствительных белков в ткани человека.
Герр является старшим автором исследования, которое опубликовано сегодня в Научная робототехника. Эррера-Аркос — ведущий автор статьи.
Оптогенетический контроль
На протяжении десятилетий исследователи изучали возможность использования функциональной электрической стимуляции (ФЭС) для управления мышцами тела. Этот метод предполагает имплантацию электродов, которые стимулируют нервные волокна, вызывая сокращение мышц. Однако эта стимуляция имеет тенденцию активировать всю мышцу одновременно, а это не тот способ, которым человеческое тело естественным образом контролирует сокращение мышц.
«Люди обладают невероятной точностью управления, которая достигается за счет естественного задействования мышц: сначала задействуются мелкие двигательные единицы, затем средние, а затем крупные двигательные единицы, в том порядке, в котором сила сигнала увеличивается», — говорит Херр. «При ФЭС, когда вы искусственно взрываете мышцы электричеством, в первую очередь задействуются самые крупные единицы. Итак, когда вы увеличиваете сигнал, вначале вы не получаете никакой силы, а затем внезапно получаете слишком большую силу».
Эта большая сила не только затрудняет достижение тонкого контроля над мышцами, но и быстро изнашивает мышцы в течение пяти или 10 минут.
Команда MIT хотела посмотреть, смогут ли они заменить весь этот интерфейс чем-то другим. Вместо электродов они решили попробовать контролировать сокращение мышц с помощью оптических молекулярных машин с помощью оптогенетики.
Используя мышей в качестве животной модели, исследователи сравнили количество мышечной силы, которую они могли создать, используя традиционный подход FES, с силами, создаваемыми их оптогенетическим методом. Для оптогенетических исследований они использовали мышей, которые уже были генетически модифицированы для экспрессии светочувствительного белка под названием каналродопсин-2. Они имплантировали небольшой источник света рядом с большеберцовым нервом, который управляет мышцами голени.
Исследователи измерили мышечную силу по мере постепенного увеличения интенсивности световой стимуляции и обнаружили, что, в отличие от стимуляции FES, оптогенетический контроль приводит к устойчивому, постепенному увеличению сокращения мышц.
«Изменяя оптическую стимуляцию, которую мы доставляем на нерв, мы можем пропорционально, почти линейно, контролировать силу мышцы. Это похоже на то, как сигналы нашего мозга управляют нашими мышцами. Благодаря этому контролировать мышцу становится легче по сравнению с электростимуляцией», — говорит Эррера-Аркос.
Усталостная устойчивость
Используя данные этих экспериментов, исследователи создали математическую модель оптогенетического контроля мышц. Эта модель связывает количество света, попадающего в систему, с выходной мощностью мышцы (сколько силы генерируется).
Эта математическая модель позволила исследователям разработать контроллер с обратной связью. В системе этого типа контроллер подает стимулирующий сигнал, и после того, как мышца сокращается, датчик может определить, какую силу прилагает мышца. Эта информация отправляется обратно на контроллер, который рассчитывает, нужно ли и насколько сильно регулировать световую стимуляцию для достижения желаемой силы.
Используя этот тип контроля, исследователи обнаружили, что мышцы можно стимулировать более часа, прежде чем они утомляются, в то время как мышцы утомляются уже через 15 минут с помощью стимуляции FES.
Одно из препятствий, над решением которого сейчас работают исследователи, — это как безопасно доставить светочувствительные белки в ткани человека. Несколько лет назад лаборатория Герра сообщила, что у крыс эти белки могут вызвать иммунный ответ, который инактивирует белки, а также может привести к атрофии мышц и гибели клеток.
«Основная цель Центра бионики К. Лизы Янга — решить эту проблему», — говорит Герр. «В настоящее время предпринимаются многоплановые усилия по разработке новых светочувствительных белков и стратегий их доставки, не вызывая иммунного ответа».
В качестве дополнительных шагов на пути к пациентам-людям лаборатория Герра также работает над новыми датчиками, которые можно использовать для измерения силы и длины мышц, а также над новыми способами имплантации источника света. В случае успеха исследователи надеются, что их стратегия может принести пользу людям, перенесшим инсульты, ампутации конечностей и травмы спинного мозга, а также другим людям, у которых нарушена способность контролировать свои конечности.
«Это может привести к разработке минимально инвазивной стратегии, которая изменит ситуацию с точки зрения клинического ухода за людьми, страдающими патологиями конечностей», — говорит Герр.
Исследование финансировалось Центром бионики К. Лизы Янг при Массачусетском технологическом институте.