Нейропротез вернул парализованным макакам-резусам способность ходить

Силиконовая модель мозга макаки резус с микрочипом, вживляемым в область моторной коры

Силиконовая модель мозга макаки резус с микрочипом, вживляемым в область моторной коры. Фото с сайта newscientist.com

Международной команде ученых удалось создать нейропротез для восстановления функции парализованных конечностей макак-резусов, которые отнялись после повреждения спинного мозга. Ученые воплотили в жизнь идею о передаче нервных импульсов, идущих от моторной области коры, к части спинного мозга, лежащей ниже повреждения. Для этого потребовалось разработать целый комплекс технологических приемов и устройств, не говоря уже о расшифровке картины нервных возбуждений, лежащих в основе ходьбы. Но в результате обезьяны с поврежденным спинным мозгом самостоятельно передвигаются!

Когда ученые делают работу, например, по расшифровке сигналов нейронов той или иной части нервной системы, или изучают различия возбуждений нейронов в небольшой области мозга, или, к примеру, с помощью мутантных линий учатся прослеживать путь отдельных нейронов, или пишут программы для вычленения специфического нейронного ответа из миллионов одновременных сигналов, то обычно говорят, что в конечном итоге «это исследование поможет лечить то или иное нейродегенеративное заболевание». Кажется, эта фраза вставляется для проформы, чтобы как-то оправдать чаяния налогоплательщиков, вынужденных платить за отвлеченные упражнения ученых. Но вот вчера в журнале Nature опубликована работа, в которой показано, как долгий путь «отвлеченных упражнений» воплотился в реальный и перспективный лечебный результат: приматы (макаки-резусы) начали ходить после повреждения спинномозговых нервов и паралича задних конечностей.

Вот какой путь для этого пришлось пройти. Хорошо и печально известно, что при разрывах (разрезах) нейронов спинного мозга в грудном или поясничном отделе наступает паралич нижних конечностей, но при этом при частичном разрыве конечность может постепенно восстановить способность двигаться. Значит, нейроны ниже разрыва сохраняют жизнеспособность и функциональность. Действительно, эксперименты по стимуляции участков спинного мозга ниже места разрыва показали, что конечность может двигаться.

Это навело ученых на мысль, что, в принципе, можно реконструировать картину возбуждения в двигательных центрах, которая возникает при движении конечностей во время ходьбы, и затем послать эти импульсы в двигательные центры спинного мозга, из которых идут нейроны к мышцам сгибателям и разгибателям конечностей. Началась работа по воплощению этого фантастического плана в жизнь. Сначала были опыты с крысами. Они помогли понять, какие задействованы каскады обратных связей между моторными областями коры и движениями конечностей. Ученые даже создали терапевтический тренажер, ускоряющий восстановление двигательной активности у крыс (см.: R. van den Brand et al., 2012. Restoring Voluntary Control of Locomotion after Paralyzing Spinal Cord Injury). Но крысы — это всё же не человек, у них и мозг, и движения устроены совсем иначе. Так что ученые решились начать работать с приматами, выбрав макак-резусов для своих исследований.

Они тщательно изучили динамику импульсов отдельных нейронов при движении конечностей и сняли временную развертку возбуждения нейронов в моторной коре у обезьян. Затем из общей картины возбуждений вычленили те, которые связаны с двигательной активностью. Звучит просто, но технически это очень непростая задача — нужно из миллионов возбуждений выбрать те, которые синхронны с конкретными движениями конечности в каждый момент времени. Так или иначе, был получен образ «команды сверху» с формированием двигательного импульса в коре — своего рода идея ходьбы, закодированная в нервных импульсах, «нейронное» намерение движения. Эта «команда сверху» должна быть воспринята «исполнительным комитетом» — нейронами спинного мозга, которые реализуют идею ходьбы в движение мышц. В результате нейробиологам удалось весьма точно очертить группы спинномозговых нервов, которые воспринимают конкретные импульсы из головного мозга и передают их мышцам (сгибателям и разгибателям).

Итак, места для передатчиков и приемников импульсов найдены, определены их функциональные соответствия. Теперь нужно было создать эти устройства — передатчик и приемник. Оба должны быть миниатюрны и не иметь никаких проводов. Также ко всему этому требовалось разработать алгоритм, который считанные с моторной области возбуждения сможет обработать и, выделив нужные импульсы, передать их на приемник. Ясно, что скорость обработки имеет значение — между идеей и воплощением не может быть большой задержки, ведь скорость мысли весьма велика — около 30 м/сек. Следовательно, обработка информации тоже должна соответствовать этому скоростному масштабу, а это представляет еще одну серьезную техническую проблему. С ней разработчики тоже справились.

В результате ученые создали микрочип, считывающий картину возбуждения моторной коры, и транслятор, передающий эти данные на компьютер. Там эти данные обрабатываются и на выходе выдается импульс движения. Этот импульс отправляется на приемник с несколькими выходами, их число соответствует числу групп двигательных нейронов, передающих импульсы мышцам.

Комплексный нейропротез, восстанавливающий функцию ходьбы у макаки-резуса

Комплексный нейропротез, восстанавливающий функцию ходьбы у макаки-резуса. Он состоит из микрочипа c 96-канальным входом и транслятора. Прямоугольник со штрихами (1) — это картина возбуждений в моторной коре. Эти данные обрабатываются с помощью специального алгоритма (2), вычленяющего импульсы, задающие движение конечности. Эти импульсы передаются на пульсовый генератор (3), связанный со стимулятором (4), который крепится на один из позвонков поясничного отдела спинного мозга ниже места разрыва. От стимулятора отходят 16 точечных выходов к спинному мозгу. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature. К статье также прилагается видео, демонстрирующее ходьбу оперированных обезьян

Затем за дело взялись хирурги. В мозг макакам, с частично перерезанным спинным мозгом и парализованной конечностью вживили микрочип, соединенный с транслятором. В поясничный отдел вживили приемник с 16 выходами.

И вот, когда закончился недельный период адаптации после операции, можно было посмотреть, как вся эта система работает. Передатчик и приемник выключены — лапа у макаки приволакивается, она явно парализована. Передатчик и приемник включены — лапа двигается, как ни в чем не бывало! Обезьяна идет на всех четырех лапах. У нее в голове возникает намерение произвести движение, это намерение — то есть нейронные возбуждения — немедленно передаются в нужное место спинного мозга, и движение производится. Обезьяна начинает движение без всякой тренировки, спонтанно, движением управляет ее собственный мозг. Ученые выполнили свой фантастический замысел!

Источник: Marco Capogrosso, Tomislav Milekovic, David Borton, Fabien Wagner, Eduardo Martin Moraud, Jean-Baptiste Mignardot, Nicolas Buse, Jerome Gandar, Quentin Barraud, David Xing, Elodie Rey, Simone Duis, Yang Jianzhong, Wai Kin D. Ko, Qin Li, Peter Detemple, Tim Denison, Silvestro Micera, Erwan Bezard, Jocelyne Bloch, Grégoire Courtine. A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates // Nature. Published online 09 November 2016. DOI: 10.1038/nature20118.

Елена Наймарк


44
Показать комментарии (44)
Свернуть комментарии (44)

  • protopop  | 10.11.2016 | 13:31 Ответить
    Это прорыв! Где нобелевка?
    Ответить
    • naimark > protopop | 10.11.2016 | 14:14 Ответить
      Написано, что для таких же человеческих аналогий нужно еще несколько лет работы. Но ученые очень надеются.
      Ответить
      • PavelS > naimark | 10.11.2016 | 14:16 Ответить
        А не написано ли в чем проблема? Т.е. в чем разница?
        Ответить
        • naimark > PavelS | 10.11.2016 | 15:24 Ответить
          Нет, не написано, но и без того понятно - нервы другие в моторной коре и моторном центре спинного мозга, и идут они по-другому. Двуногое хождение должно иннервироваться совсем иначе, чем на четырехногое.
          Ответить
          • Олег Чечулин > naimark | 10.11.2016 | 16:22 Ответить
            Кому должно?
            Я так думаю, что проблема в том, что картину соответствия возбуждения конкретным движениям нужно снимать до травмы, что затрудняет испытания на людях. К тому же наверняка у разных людей эта картина хоть в деталях, да отличается. То есть лечить можно будет только тех, у кого до травмы записали эту информацию.
            Ответить
            • VladNSK > Олег Чечулин | 11.11.2016 | 10:43 Ответить
              Макаку обучили уже после того, как ее ноги были парализованы.
              Ответить
    • Олег Чечулин > protopop | 10.11.2016 | 16:17 Ответить
      Думаю, не за горами.
      Ответить
  • Олег Чечулин  | 10.11.2016 | 16:16 Ответить
    А если рядом находятся 2 или больше таких макак, они друг другу не мешают?
    При использовании такой технологии на людях нужно будет однозначно использовать шифрование, что существенно замедлит скорость реакции.
    Ответить
    • PavelS > Олег Чечулин | 10.11.2016 | 16:33 Ответить
      Вы всерьёз думаете что шифрование такого ничтожного потока данных - это проблема? Разумеется, у них имплант ничтожного размера, но всё равно, ерунда ведь.
      Ответить
      • Олег Чечулин > PavelS | 10.11.2016 | 17:33 Ответить
        Кстати, а какой именно поток данных?
        Ответить
        • PavelS > Олег Чечулин | 10.11.2016 | 18:59 Ответить
          Поток данных полагаю можно бегло оценить, учитывая умеренное количество каналов ввода (около 100) и не слишком-то высокую скорость срабатывания нейронов (порядка 1000). Глубины дискретизации в 8 бит я полагаю хватит.
          Ответить
          • Олег Чечулин > PavelS | 11.11.2016 | 06:25 Ответить
            1000 чего? Нейронов? или миллисекунд?
            Ответить
            • PavelS > Олег Чечулин | 13.11.2016 | 03:25 Ответить
              1000 герц. Скорости срабатывания меряются в герцах.
              Ответить
    • VladNSK > Олег Чечулин | 11.11.2016 | 11:02 Ответить
      Шифрование - это действительно ерунда.

      А вот будет ли этот же самый приемник и передатчик работать как надо для другой макаки с таким же повреждением? Надо ли будет для нее заново обучать компьютерную часть схемы, или может быть даже придется писать новые алгоритмы?
      Ответить
    • Kostja > Олег Чечулин | 13.11.2016 | 01:27 Ответить
      Вроде как во всех линиях связи используется шифрование и коррекция ошибок. Иначе бы никакие дивайсы не работали.
      Ответить
  • timur_surhaev  | 10.11.2016 | 16:41 Ответить
    А не проще ли снимать нейронную активность не с коры, а с участка спинного мозга выше места разрыва? В таком случае, вероятно, даже не придётся расшифровывать сигнал - достаточно лишь подать считанный паттерн на участок ниже разрыва, как бы "обойдя" повреждённое место. В чём недостаток такого метода? Нечто подобное проделывали с гиппокампом крыс (правда, там требовалась расшифровка):
    http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431453/Protez_dlya_vospominaniy
    Ответить
    • chektor > timur_surhaev | 12.11.2016 | 00:53 Ответить
      То же подумалось. Как правило, только небольшой участок повреждается в результате травмы. Особенно травматично опасна пункция спинного мозга. Сколько у нас больных с парализованными ногами, из-за такой травмы. А пункция обязательна при диагностике полиомелита и подобных болезней.
      Ответить
      • glioma > chektor | 12.11.2016 | 18:04 Ответить
        О какой пункции спинного мозга вы говорите? Не надо писать бред, который вы не знаете, я выполнил более тысячи пункция, и ни у кого не отнялись ноги. Потому, что пункция производится в том месте, где спинного мозга НЕТ!!! А уж полиомиелит в России давным давно истреблён,благодаря СССР.
        Ответить
        • EnigMan > glioma | 15.11.2016 | 14:55 Ответить
          Вы хотите сказать, что люмбальную пункцию делают не затрагивая спинной мозг?
          Первая попавшаяся ссылка на вскидку https://medtravel.ru/vertebrology/lumbarpuncture/
          Ответить
  • Пащенко Дмитрий  | 10.11.2016 | 17:53 Ответить
    Сразу видится мрачное киберпанковское будущее: людям прямо в роддоме перерезают спинной мозг в районе шеи и вживляют подобные протезы; люди всю жизнь живут нормально, но стоит им собраться на митинг или аналогичное протестное мероприятие, как можно одним нажатием кнопки "выключить" тела этих людей :/
    Ответить
    • napa3um > Пащенко Дмитрий | 10.11.2016 | 18:50 Ответить
      Зачем такой сложный протез для этого? Достаточно ампулу вшивать с запасом транквилизатора (или даже с синтезатором транквилизатора из эндогенных веществ). Уже четыре тоталитарных государства так себе сделал, рекомендую.
      Ответить
      • PavelS > napa3um | 10.11.2016 | 19:04 Ответить
        Сложный протез нужен чтобы взять, и чужими руками-ногами что-то сделать. Не блокировать, а именно активно делать. Ведь если макака может сама рулить своими ногами через протез, управляемый по радио, то ничто не мешает и кому-то другому сделать это за неё. Получаешь армию зомби, если хочешь.

        Это всё уже давно обсосано в научпоп-фантастике, давным-давно такое предлагали сделать космонавтам, чтобы специалист с земли мог подключаться к такому био-аватару и что-то делать в плане высокой науки. А на орбиту посылать "мясо", которое и обучать не нужно.

        Вообще странно что военные не активировались. Тема животных-киборгов вроде тоже не новая. Те же пресловутые крысы-киборги с тротиловой шашкой на спине - это тот ещё "баян".
        Ответить
        • Rattus > PavelS | 11.11.2016 | 14:03 Ответить
          Не странно - такая система даже в серии дороже сотни обычных дронов, а сравнительная эффективность - вряд ли в пользу биоробота.
          Ровно по той же самой причине, что мы не на лошадях сейчас ездим, а на автомобилях.
          Ответить
          • PavelS > Rattus | 11.11.2016 | 16:12 Ответить
            Мелкие животные экономически более эффективны, чем крупные. Про "дороже сотни обычных дронов" - а хорошо бы чтобы вы привели цены на дроны для сравнения и цену на такую систему в серийном варианте. Также степень живучести этих обычных дронов в условиях боя и возможности маскировки.
            Ответить
            • Rattus > PavelS | 11.11.2016 | 23:00 Ответить
              C учётом цен на виварий, фураж, ветеринарный блок вместо просто склада для дронов?
              Сравнение конюшни с гаражом выходит явно не в пользу конюшни.
              Ответить
              • PavelS > Rattus | 11.11.2016 | 23:06 Ответить
                Склад предполагает что туда кто-то эту технику завозит, а она там лежит. Разумеется, неживое в хранении попроще будет, да и в обращении поудобней. Но повтор, неживое очень заметно, это его слабое место.
                Ответить
                • Rattus > PavelS | 12.11.2016 | 07:25 Ответить
                  Живое в тепловизор - тоже.

                  Ну для спецопераций может и можно - конная полиция и кинологическая службы ведь существуют. Для регулярных боевых действий - вообще неуместно.
                  Ответить
                  • PavelS > Rattus | 13.11.2016 | 03:31 Ответить
                    Ещё раз, в какую сумму будет дрон размером с крысу, способный бегать и плавать со скоростью крысы? Да таких пока что вообще нет. Шагающие дроны - это сплошные инвалиды ходячие. Есть осторожный прогресс в изготовлении летающих дронов, но какова цена перепела с птицефермы и аналогичного по размерам дрона? Бионика при массовом выращивании по-прежнему стоит ОЧЕНЬ дёшево.
                    Ответить
  • nicolaus  | 10.11.2016 | 21:16 Ответить
    «Обезьяна начинает движение без всякой тренировки, спонтанно, движением управляет ее собственный мозг. Ученые выполнили свой фантастический замысел!»

    Это только первый этап - демонстрация возможностей. Замысел действительно фантастический. Я думаю, что на практике не обязательно очень точно стыковать нервы, чтобы сходу все заработало. Достаточно подключить конечность к специализированным нейронам. Дальше должен быть процесс обучения. Для начала, чтобы не сводило мышцы, можно ограничить их натяжение путем программирования микрочипа и помочь мозгу выработать правильные движения. Затем постепенно выводить на нормальный режим. Я больше чем уверен – мозг справиться с управлением ногой, даже если ее подсоединили не к тем нейронам.

    С точки зрения опасений несанкционированного внешнего вмешательства – опасения не обоснованы. Как уже здесь отмечалось, открытый канал связи можно шифровать.
    Ответить
    • Олег Чечулин > nicolaus | 11.11.2016 | 06:28 Ответить
      Кстати, чтобы можно было провести обучение, нужна двусторонняя связь "мозг"-"нога".
      Ответить
      • nicolaus > Олег Чечулин | 11.11.2016 | 11:01 Ответить
        Я думаю, что в этом нейроинтерфейсе связь с мышцами ноги двухсторонняя. Для правильного управления ногой необходимы ощущения, в каком положении находится нога, о нагрузке и состоянии мышц. Это необходимо чтобы в нейронной сети сформировалась новая модель кинематики ноги (предполагается, что существующие нейронные связи, связанные ногой, потеряны).
        Можно, конечно, управлять косвенно, путем визуального контроля и ощущений по другим мышцам, не включенными в этот интерфейс. При этом модель ноги получается очень сложной, поэтому координация движений резко ухудшиться.
        Ответить
  • Олег Чечулин  | 11.11.2016 | 06:30 Ответить
    А почему, всё-таки, решили делать без проводов? С проводами же надёжнее в плане несанкционированного доступа... В идеале вообще можно вынуть спинной мозг и проложить вместо него оптику.
    Ответить
    • VladNSK > Олег Чечулин | 11.11.2016 | 10:55 Ответить
      Похоже, что вы не поняли как всё устроено.

      Есть макака, и рядом с ней компьютер.
      На голове у макаки небольшая коробочка.
      На спине у макаки под кожу вшита другая коробочка.

      Коробочка на голове принимает сигналы из мозга макаки и передает их через WiFi (или нечто аналогичное WiFi) на компьютер. Компьютер обрабатывает сигналы из мозга макаки, перекодирует их в сигналы движения и посылает эти сигналы в коробочку на спине макаки.
      Коробочка на спине макаки действует прямо на нервы в ноге макаки, заставляя ногу двигаться так, как этого хочет сама макака.

      Я так понял.

      В этой схеме нет никаких проводов. И их и не должно быть, потому что если бы от головы макаки шли провода в компьютер, а затем из компьютера шли бы другие провода до спины макаки, то макака за пару секунд просто бы в этих проводах запуталась.
      Ответить
    • nicolaus > Олег Чечулин | 11.11.2016 | 11:04 Ответить
      В принципе, можно не обязательно иметь биологическую ногу. Можно через нейроинтерфейс выполнить управление и эмуляцию ощущений от искусственной ноги (протеза). При этом, даже если будут небольшие отличия в ощущениях (пока технология протезов не будет отработана до совершенства), то мозг приспособится. Ну а дальше – реализация фантастики. Заменить на искусственные можно не только спинной мозг (на оптику), но тело целиком.

      Здесь необходимо придумать новый термин, заменяющий термин «протез»- т.к. новая искусственная нога и нейроинтерфейс уже не «костыль», а что-то большее.
      Ответить
      • kwakush > nicolaus | 11.11.2016 | 13:56 Ответить
        Я так понял, с коры они считывают не непосредственные сигналы управления мышцами, а некий более высокоуровневый код, грубо говоря "пошевели ногой", "сделай шаг" и т.д. А перекодированием его в низкоуровневый код управления мышцами занимаются уже нейроны спинного мозга. Так что, чтобы сделать протез, придётся сначала сам транслятор сделать, что тоже задача не из лёгких.
        Ответить
        • nicolaus > kwakush | 11.11.2016 | 19:36 Ответить
          Я думаю, что трансляция команд с уровня спинного мозга к мышцам осуществляются по жесткому алгоритму. Команды реализуют не очень сложные действия. Однако эти команды и их системы имеют множество настроечных параметров, которые регулируются со стороны головного мозга. Поэтому алгоритм транслятора сигналов со стороны спинного мозга к мышцам также будет жестким. В связи с чем, несложно будет создать транслятор для искусственной ноги, например, на основе моторчиков вместо мышц.

          Вообще говоря, все это очень интересно, в первую очередь для понимания работы собственного организма. И очень ценной была бы информация на эту тему специалистов.
          Ответить
        • Kostja > kwakush | 13.11.2016 | 01:15 Ответить
          Читал что если кошку с перерезанным спинным мозгом дернуть за задние лапы они начнут двигаться как при ходьбе. Система управления конкретными мышцами у нее где-то сзади.
          Ответить
      • Амвросий > nicolaus | 11.11.2016 | 19:22 Ответить
        Не нужно. Чем большим может быть протез, если это не живая нога, или рука? Связь осуществляется в данном случае только в одну сторону, поэтому считать это частью тела нельзя. Это протез.
        Ответить
        • nicolaus > Амвросий | 11.11.2016 | 19:44 Ответить
          Здесь речь идет о протезе, в котором связь осуществляется в обе стороны. Мозг должен чувствовать ногу, как живую.
          Ответить
          • Амвросий > nicolaus | 12.11.2016 | 19:24 Ответить
            Такой протез невозможен в ближайшем будущем, я считаю.
            Ответить
        • Kostja > Амвросий | 13.11.2016 | 01:23 Ответить
          От зубов тоже в одну сторону информация идет, они же не шевелются по одному, а протезы зубов нервов вовсе не имеют. Впрочем как и отремонтированные с удалением нерва живые.
          Ответить
      • Kostja > nicolaus | 13.11.2016 | 01:18 Ответить
        Это уже не фантастика, а на уровне работающих прототипов. Недавно была новость о безрукой тетке (ее енот укусил) в Америке приделывают протез способный полностью заменить руку. Подключение там если не ошибаюсь к нервам в обрубке. Испытывают несколько конструкций.
        Ответить
  • Aab  | 11.11.2016 | 22:49 Ответить
    Здорово. Step by step.
    Ответить
  • EnigMan  | 15.11.2016 | 15:01 Ответить
    Не сообщается, решена ли проблема отторжения электродов. Как раньше писали, большой проблемой всех мозговых имплантов было обрастание электродов соединительной тканью, из-за чего ухудшалась чувствительность электродов.
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»