Žmonėms, patyrusiems paralyžių ar amputaciją, neuroprotezavimo sistemos, dirbtinai stimuliuojančios raumenų susitraukimą elektros srove, gali padėti atgauti galūnių funkcijas. Tačiau, nepaisant daugelio metų tyrimų, tokio tipo protezai nėra plačiai naudojami, nes sukelia greitą raumenų nuovargį ir blogą kontrolę.
MIT mokslininkai sukūrė naują požiūrį, kuris, jų manymu, kada nors galėtų pasiūlyti geresnę raumenų kontrolę ir mažiau nuovargio. Užuot naudoję elektrą raumenims stimuliuoti, jie naudojo šviesą. Atlikdami tyrimą su pelėmis, mokslininkai parodė, kad ši optogenetinė technika suteikia tikslesnę raumenų kontrolę ir žymiai sumažina nuovargį.
„Pasirodo, kad naudojant šviesą, naudojant optogenetiką, galima natūraliau valdyti raumenis. Kalbant apie klinikinį pritaikymą, tokio tipo sąsaja gali būti labai naudinga”, – sako Hugh Herr, žiniasklaidos menų ir mokslų profesorius. MIT K. Lisa Yang bionikos centro direktorius ir MIT McGovern smegenų tyrimų instituto asocijuotas narys.
Optogenetika yra metodas, pagrįstas genų inžinerijos ląstelėmis, skirtomis šviesai jautriems baltymams išreikšti, o tai leidžia tyrėjams kontroliuoti šių ląstelių veiklą veikiant jas šviesai. Šiuo metu šis metodas nėra įmanomas žmonėms, tačiau Herr, MIT absolventas Guillermo Herrera-Arcos ir jų kolegos iš K. Lisa Yang bionikos centro dabar ieško būdų, kaip saugiai ir efektyviai pristatyti šviesai jautrius baltymus į žmogaus audinius.
Herr yra vyresnysis tyrimo, kuris pasirodo, autorius Mokslo robotika. Herrera-Arcos yra pagrindinis šio straipsnio autorius.
Optogenetinė kontrolė
Dešimtmečius mokslininkai tiria funkcinės elektrinės stimuliacijos (FES) naudojimą kūno raumenims kontroliuoti. Šis metodas apima elektrodų implantavimą, kurie stimuliuoja nervines skaidulas, todėl raumenys susitraukia. Tačiau ši stimuliacija linkusi suaktyvinti visus raumenis vienu metu, o tai nėra būdas, kuriuo žmogaus kūnas natūraliai kontroliuoja raumenų susitraukimą.
„Žmonės turi šį neįtikėtiną kontrolės tikslumą, kuris pasiekiamas natūraliai pritraukiant raumenis, kai įdarbinami maži motoriniai vienetai, tada vidutinio dydžio, tada dideli motoriniai vienetai, tokia tvarka, kai didėja signalo stiprumas“, – sako Herr.
„Naudojant FES, kai dirbtinai išpučiate raumenis elektra, pirmiausia įdarbinami didžiausi vienetai. Taigi, padidinus signalą, pradžioje nejaučiate jėgos, o tada staiga gaunate per daug jėgos.”
Ši didelė jėga ne tik apsunkina raumenų valdymą, bet ir greitai, per penkias ar 10 minučių, išsenka raumenis.
MIT komanda norėjo išsiaiškinti, ar jie galėtų pakeisti visą sąsają kažkuo kitu. Vietoj elektrodų jie nusprendė pabandyti kontroliuoti raumenų susitraukimą naudojant optines molekulines mašinas per optogenetiką.
Naudodami peles kaip gyvūnų modelį, tyrėjai palygino raumenų jėgą, kurią jie gali sukurti naudojant tradicinį FES metodą, su jėgomis, kurias sukuria jų optogenetinis metodas. Optogenetiniams tyrimams jie naudojo peles, kurios jau buvo genetiškai modifikuotos, kad išreikštų šviesai jautrų baltymą, vadinamą kanalrodopsinu-2. Jie implantavo nedidelį šviesos šaltinį šalia blauzdikaulio nervo, kuris valdo blauzdos raumenis.
Tyrėjai išmatavo raumenų jėgą, kai palaipsniui didino šviesos stimuliavimą, ir nustatė, kad, skirtingai nei FES stimuliacija, optogenetinė kontrolė užtikrino nuolatinį, laipsnišką raumenų susitraukimo padidėjimą.
„Kai keičiame optinę stimuliaciją, kurią perduodame nervui, galime proporcingai, beveik tiesiškai valdyti raumenų jėgą. Tai panašu į tai, kaip mūsų smegenų signalai valdo mūsų raumenis. tampa lengviau valdyti raumenis, palyginti su elektrine stimuliacija“, – sako Herrera-Arcos.
Atsparumas nuovargiui
Naudodamiesi šių eksperimentų duomenimis, mokslininkai sukūrė matematinį optogenetinio raumenų valdymo modelį. Šis modelis susieja į sistemą patenkančios šviesos kiekį su raumenų išvestimi (kiek jėgos sukuriama).
Šis matematinis modelis leido tyrėjams sukurti uždarojo ciklo valdiklį. Tokio tipo sistemoje valdiklis duoda stimuliacinį signalą, o raumeniui susitraukus jutiklis gali aptikti, kokią jėgą daro raumuo. Ši informacija siunčiama atgal į valdiklį, kuris apskaičiuoja, ar ir kiek reikia reguliuoti šviesos stimuliaciją, kad būtų pasiekta norima jėga.
Naudodami tokio tipo kontrolę, mokslininkai nustatė, kad raumenys gali būti stimuliuojami ilgiau nei valandą prieš nuovargį, o raumenys pavargsta jau po 15 minučių naudojant FES stimuliaciją.
Viena kliūtis, kurią mokslininkai dabar stengiasi įveikti, yra tai, kaip saugiai pristatyti šviesai jautrius baltymus į žmogaus audinius. Prieš kelerius metus Herr laboratorija pranešė, kad žiurkėms šie baltymai gali sukelti imuninį atsaką, kuris inaktyvuoja baltymus ir taip pat gali sukelti raumenų atrofiją ir ląstelių mirtį.
„Pagrindinis K. Lisa Yang bionikos centro tikslas yra išspręsti šią problemą“, – sako Herr. „Dedamos įvairios pastangos kuriant naujus šviesai jautrius baltymus ir strategijas, kaip juos pristatyti, nesukeliant imuninio atsako.
Kaip papildomus žingsnius siekiant pasiekti žmones, Herr laboratorija taip pat kuria naujus jutiklius, kurie gali būti naudojami raumenų jėgai ir ilgiui matuoti, taip pat naujus šviesos šaltinio implantavimo būdus. Jei pasiseks, mokslininkai tikisi, kad jų strategija bus naudinga žmonėms, patyrusiems insultą, galūnių amputaciją ir nugaros smegenų pažeidimus, taip pat tiems, kurių gebėjimas valdyti savo galūnes susilpnėjo.
„Tai gali sukelti minimaliai invazinę strategiją, kuri pakeistų žaidimą, kalbant apie klinikinę priežiūrą asmenims, kenčiantiems nuo galūnių patologijos”, – sako Herr.
Ši istorija iš naujo paskelbta „MIT News“ (web.mit.edu/newsoffice/), populiarios svetainės, kurioje pateikiamos naujienos apie MIT tyrimus, inovacijas ir mokymą, dėka.