Vakarų Virdžinijos universiteto neurologų sukurtas 3D modelis rodo, kaip implantuojami stimuliatoriai – tokie, kokie naudojami lėtiniam skausmui gydyti – gali nukreipti į neuronus, valdančius specifinius raumenis, kad būtų galima reabilituoti žmones, turinčius neurologinių sutrikimų, tokių kaip insultas ir nugaros smegenų pažeidimai.
Tyrimas, įskaitant modelį, buvo paskelbtas Ryšių biologija.
Prietaisas, implantuotas ant nugaros smegenų arba šalia jų, perduoda elektros signalą per ploną laidą. Norint gydyti paralyžių, stimuliacija nukreipta į tam tikras nugaros smegenų dalis, kad padėtų atkurti raumenų funkciją ir judėjimą. Tačiau prietaiso veiksmingumas buvo apribotas dėl nepakankamo supratimo apie tai, kur nugaros smegenyse yra motoneuronai, kurie jungiasi prie konkrečių raumenų.
„Jei tikrai norime maksimaliai padidinti šių implantų naudingumą, norime, kad būtų galima atrinkti konkrečius motoneuronus, kurie aktyvuotų konkrečius raumenis ir padėtų judėti reikiamu būdu ir tinkamu laiku“, – sakė Valerija Gricenko. WVU Medicinos mokykla, Žmogaus veiklos – fizinės terapijos, Neurologijos katedros ir Rokfelerio neuromokslų institutas. „Mokslininkai nori naudoti modelį, kad išsiaiškintų, kur implantuoti šią sistemą.”
Gricenko planuoja vadovauti komandai kuriant sudėtingesnius neuroraumeninės sistemos modelius.
Atlikdami tolesnius tyrimus ir bandymus, mokslininkai tikisi geriau suprasti, kiek šie prietaisai gali pagerinti raumenų funkciją.
Norėdami atlikti tyrimą, mokslininkai pirmiausia sukūrė 3D motoneuronų vietų makakos – Senojo pasaulio beždžionės – nugaros smegenyse modelį ir palygino jį su dabartinėmis žiniomis apie žmogaus nugaros smegenis. Jie taip pat sukūrė 3D makakos ir žmogaus dešinės viršutinės galūnės raumenų ir kaulų anatomijos modelius ir palygino juos.
„Mes nagrinėjome raumenų ilgio skirtumus ir pokyčius skirtingose žmogaus ir beždžionės laikysenose“, – sakė medicinos ir neurologijos doktorantė Rachel Taitano iš Fairfax, Virdžinijos valstijos ir tyrimo vadovė. „Beždžionių raumenų ir kaulų sistemos modelis rodo, kad biomechanika yra panaši į žmonių, nors rūšių raumenys skiriasi, jų turimi raumenys ir orientacija bei funkcionalumas skiriasi.
Tyrimas rodo, kad makakų ir žmonių motoneuronų telkinių pasiskirstymas arba gylis išilgai nugaros smegenų yra artimas. Šios išvados leis mokslininkams tiksliau atlikti gydymą.
„Kai kurie motoneuronų telkiniai yra giliau nugaros smegenų viduje, o kiti – arčiau paviršiaus“, – aiškino Gricenka. „Šis modelis leidžia mums nuodugniai pažvelgti į tai, kur tie motoneuronų telkiniai gali būti arčiausiai paviršiaus. Štai kur norėtumėte stimuliuoti, kad potencialiai suaktyvintumėte tuos raumenis.”
Gricenko, kuris dirbo pagrindiniu tyrėju, paaiškino, kad „žinant motoneuronų telkinių – ląstelių grupių, kurios jungiasi su vienu raumeniu – stuburo struktūrą, galima atskleisti ką nors įspūdingo. Mūsų sudėtinga raumenų ir kaulų sistema laikui bėgant vystėsi, kad būtų galima atlikti įvairius judesius. Mes matome visuose primatuose, įskaitant mus, žmones turėti autopilotą tiesiai stuburo viduje.
Kitas projekto kolega Sergiy Yakovenko, WVU Medicinos mokyklos Žmogaus veiklos fiziologijos, Neurologijos ir RNI katedrų docentas, atliko panašius keturkojų gyvūnų nugaros smegenų anatomijos tyrimus. Nauji atradimai rodo, kaip gerai išsaugoma gyvūnų nugaros smegenų anatomija ir kaip tiksliai ji atspindi raumenų veiklą.
Taitano sakė, kad tai paskatino ją į projektą taikyti taikomojo mokslo tyrimo rezultatai, kuriuos galima panaudoti pacientams klinikinėje aplinkoje.
„Manau, kad iš neinvazinių studijų galime gauti daug informacijos“, – sakė biomedicinos inžinerijos bakalauro laipsnį turintis Taitano. „Dabar, kai galime pritaikyti šias išvadas milimetro ir nanometrų skalėje, galime pagaminti prietaisus, kad pritaikytume tai, ką matome tokiame modelyje.
Pasibaigus projektui, Taitano šią vasarą pereina į medicinos studijų programos dalį.
„Rachel kilmė labai prisidėjo prie tyrimo sėkmės“, – sakė Gricenka. „Tikrai norėčiau, kad būtų daugiau tokio tarpdisciplininio bendradarbiavimo su magistrantūros studentais, dirbančiais projektuose su kolegomis iš medicinos ir inžinerijos skyrių“.
Gricenko teigė, kad kitų dviejų universitetų mokslininkai išreiškė susidomėjimą modelio panaudojimu tirdami, kaip galima patobulinti stimuliavimo technologiją. Ji taip pat planuoja bendradarbiauti su primatų tyrėju kitame universitete, kad patvirtintų tyrimo rezultatus gyvūnų modeliuose.
„Norime atlikti raumenų stimuliavimo testą, pagrįstą modelio prognozėmis, ir pažiūrėti, ar gausime laukiamus rezultatus“, – sakė ji. „Pirmiausia galime tai pabandyti su beždžionėmis, o tada, jei pavyks, galime išbandyti su žmonėmis, kad toliau patikrintume, ar tai yra geras šių operacijų vadovas.