Учимся ходить при травмах позвоночника

«Это потрясающее чувство. Я вновь могу согнуть колени, самостоятельно поднять ноги и даже пошевелить пальцами», — рассказывает один из участников экспериментального лечения, которому удалось вернуть свои двигательные способности за счет технологии спинномозговой стимуляции. После травмы позвоночника, полученной 2010 году, его ноги были парализованы.

Фактически сразу несколько исследовательских групп как в России, так и за рубежом трудятся над различными способами лечения паралича, вызванного инсультом или травмой спинного мозга. Благодаря инновационным протоколам лечения пациенты с хронической параплегией заново учатся ходить.

Подобные технологии позволяют стимулировать спинной мозг сверхточными электрическими импульсами, активировать нейромышечные связи ниже травмы и одновременно с этим усиливать остаточные команды от мозга.

Какие механизмы реабилитации уже существуют и могут быть использованы для лечения?

Травма спинного мозга приводит к серьезным нарушениям двигательной активности, значительно снижает качество жизни и влечет за собой значительные расходы для семей и общества. Чтобы преодолеть последствия подобных недугов, ученые стараются восстановить у парализованных людей именно способность ходить.

По мнению нейрофизиологов решающее значение для реабилитации двигательных функций имеет временное совпадение между внешней электостимуляцией и остаточной командой мозга. Так, чтобы добиться идеальной синхронизации, швейцарские ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) связали расшифровку двигательного намерения мозга с подачей электросигналов для стимуляции спинного мозга через имплант.

В России подобными исследованиями занимается команда Юрия Герасименко, который много лет возглавляет Институт физиологии им. И.П. Павлова в Санкт-Петербурге. Совместно с российскими и американскими коллегами ему удалось сломать главный стереотип о параличе нижних конечностей.

Ещё лет двадцать назад считалось, что повреждения позвоночника носят анатомический характер, а движениями ног напрямую управляет головной мозг. Ученые расценивали позвоночник исключительно как проводником между мозгом и нижними конечностями и если под воздействием травмы эта связь нарушалась, то человек был вынужден навсегда пересесть в инвалидное кресло.

Но это оказалось заблуждением.

В Институте физиологии после долгих лет упорной работы сумели доказать, что учёные прошлых лет недооценивали значимость спинного мозга, и за движения нижних конечностей человека, в частности, способность ходить, отвечает именно спинной мозг.

Спинной мозг – орган центральной нервной системы, нервная трубка, находящаяся в позвоночном канале. Она делится на 31 сегмент, каждый из которых управляет своей частью тела и собирает информацию – болевую, кожную и мышечную.

Спинной мозг обладает всеми механизмами для инициации и регуляции движений. А это значит, что «починить» человека при параличе можно воздействуя именно на этот орган. Задачей ученых, работающих в Институте физиологии, было научиться управлять шагами, стимулируя спинной мозг. Нейрофизиологи проводили тестирование различных участков спинного мозга у животных в продольном и горизонтальном направлении, пока, наконец, не нашли зону, стимуляция которой вызывала шагательные движения.

«У человека, как у любого млекопитающего в спинном мозгу существуют участки, ответственные за ходьбу. В Хьюстоне поставили задачу – применить к пациентам с травмой спинного мозга стимуляцию, чтобы инициировать шагательные движения. И мы описали у всех пациентов зону, стимуляция которой вызывает необходимую реакцию», – рассказывает Юрий Герасименко.

В ходе дальнейшей работы учёным удалось доказать, что поражение спинного мозга, возникающее при травме позвоночника, носит не анатомический характер, а функциональный. Следовательно, воздействуя на определенные центры, можно восстановить функцию, нарушенную травмой.

Команда Юрия Герасименко разработала такую методику воздействия на спинной мозга, в ходе которой на оболочку нервной трубки устанавливаются электроды, а под брюшину имплантируется стимулятор. Вследствие электростимуляции нервные клетки, взаимодействуя с проводящим имплантом, создают связанные цепочки в обход повреждённого участка и организм «ремонтирует» систему связи между головным и спинным мозгом.

По итогам такого лечения пациент восстанавливается от полного паралича до возможности самостоятельно ходить своими ногами. Стимулятор подает электрические импульсы, которые запускают парализованные ноги и одновременно с этим сигналы «эхом» уходят в головной мозг. И понемногу, шаг за шагом, человек заново учится управлять телом.

«Я даже сидеть стал намного лучше, потому что окреп позвоночник. Я стреляю из лука, хожу по беговой дорожке. Да, мне пока нужны ходунки, и за мной присматривает тренер, но я уверен, что скоро не буду нуждаться в помощи. Это главное для меня», – рассказал один из пациентов доктора Герасименко.

В тоже время, европейские ученые смогли далеко продвинуться в вопросе эффективности и скорости лечения. Если раньше пациенты демонстрировали прогресс только спустя несколько месяцев интенсивной реабилитации, чаще всего — примерно через год. То исследование, выполненное в Швейцарии, показало, как пациенты смогли вновь ходить (с небольшой помощью) спустя всего несколько дней. А после нескольких месяцев тренировок контролировать ранее парализованные мышцы ног даже при отсутствии электростимуляции.

Разница подходов заключалась в том, насколько постоянным был внешний источник тока. Для эпидуральной электростимуляции, как в других исследованиях, пациенту было имплантировано устройство, которое доставляет электрические сигналы в позвоночный столб ниже области повреждений. Когда травма нарушает связь между спинным и головным мозгом, не давая нервным сигналам достигать конечностей, электростимулятор выступает в роли «моста», перенося электрические сигналы в области позвоночника под местом травмы.

Чтобы понять, как нервная система подает электрические сигналы, чтобы обеспечить каждое движение конечностей, исследователи создали «карту» того, как выглядят типичные импульсы мозга, направленные на активацию движений. Затем они определили, в какую область позвоночника электроды должны доставлять стимулирующие сигналы, чтобы соответствовать обнаруженным паттернам и построили систему, которая передавала сигналы ровно туда, куда нужно.

Ученым пришлось подбирать отдельные параметры системы под каждого пациента. Они даже создали персонализированные модели позвоночников, находящиеся в солевом растворе, проводящем электрический ток, что позволило команде в точности определить, куда поместить электроды при последующей операции. Затем паттерны электрических сигналов были откалиброваны под каждого пациента.

«Все подопытные смогли ходить с использованием ассистивных устройств спустя неделю», — подтвердила одна из руководителей группы ученых Джоселин Блотч. В последующих тестах пациенты оказались способны произвольно выбирать длину и скорость своих шагов и в течении часа идти по беговой дорожке, проходя дистанцию порядка одного километра. Все движения самостоятельно выбирались человеком, а эпидуральный имплант при этом не генерировал никаких непроизвольных движений.

«Наши пациенты должны были постоянно думать о совершении подходящих движений ног. Их мозг оставался активным все время, чтобы отрабатывать сигналы цепи обратной связи с электростимуляцией, которая активировала мышцы», — сказала Карен Минассиан, одна из авторов работы. Из-за постоянной вовлеченности, лечение привело к тому, что произвольные движения со временем восстанавливались по мере того, как вновь появлялись соединения в нервной системе.

Успешность лечения зависит от ряда факторов, включая тяжесть травмы и уровень оставшихся двигательных функций. Для некоторых, оно может привести к масштабным улучшениям за короткое время. По мнению ученых, проверка методики на большем числе подопытных станет важным следующим шагом. Ученые планируют изучить результаты методики на людях, получивших свои травмы недавно, когда «потенциал пластичности находится на максимальном уровне, а нейромышечная система еще не испытала эффекта атрофии вследствие хронического паралича».

Ученые отмечают, что данная техника пока еще не готова для применения в клинических условиях. Необходимо тщательно проверить все аспекты подобного лечения, в том числе его эффект на повседневную жизнь пациента за пределами госпиталя. Исследователи разработали активируемую голосом систему, которая позволяет пациенту включать и выключать эпидуральную электростимуляцию по желанию, а также выбирать один из нескольких режимов стимуляции: ходьба, езда на трицикле и т.д. Заставить имплант работать — это важная задача, но также необходимо сделать его доступной использования пациентом в повседневных условиях.

Уже сейчас российские учёные создали следующее поколение подобного устройства – беспроводной стимулятор. Эти открытия и разработки лягут в основу новых интернациональных проектов, которые построят будущее медицинской реабилитации. Будущее, в котором людям не понадобятся инвалидные коляски.