Ученые из Санкт-Петербургского университета выяснили, что электрическая стимуляция спинного мозга активирует мышцы, отвечающие за движение. Сигналы влияют на активность нейронов, помогая не только начать ходьбу, но и поддерживать её в нужном ритме. Открытие может усовершенствовать методы реабилитации пациентов с травмами спинного мозга, паркинсонизмом и другими нарушениями двигательных функций. Результаты исследования опубликованы в научном журнале. Experimental Neurology.
Коллектив учёных из разных стран, возглавляемый руководителем… Лаборатория нейропротезов СПбГУ. , научного руководителя направления «НейробиологияУчёные Национального научного центра «Сириус» под руководством Павла Мусиенко сделали важное открытие о функционировании спинного мозга во время движений и возможности его перепрограммирования при помощи электростимуляции.
Спинномозговые клетки выполняют главную функцию в управлении движениями. В нем присутствуют группы нейронов, формирующие локомоторную сеть, отвечающую за порождение и согласование шагов. Нейроны в данном случае действуют как «дирижеры», управляя мускулатурой ног во время ходьбы. При повреждениях спинного мозга эта система нарушается, что влечет потерю способности к передвижению.
Ученые в своей работе применили эпидуральную электростимуляцию (ЭЭС), метод, при котором электрические импульсы подаются через электроды на поверхности спинного мозга. Этот подход уже применяется для восстановления движений у пациентов с травмами спинного мозга. Механизм активации нейронных сетей ЭЭС до сих пор не ясен.
Для решения задачи нейрофизиологи изучали влияние ЭЭС на активность отдельных нейронов спинного мозга. Для этого проведено уникальные эксперименты на подвижных животных, регистрируя деятельность большого количества нейронов с помощью мультиэлектродных матриц.
Учёные установили, что ЭЭС может активизировать работу двигательной системы даже если она не функционировала раньше. Для подтверждения этого исследователи проанализировали реакции отдельных нейронов и мышц конечностей на электрическую стимуляцию спинного мозга, а также изучили скорость и силу сокращения мышц и изменения активности при переходе в различные состояния (например, во время ходьбы или покоя).
Электрические импульсы стимулируют нейроны спинного мозга, заставляя их работать так, как будто организм готов к движению. Активность нейронов изменяется в зависимости от фазы движения: при подъеме или опускании ноги. В начальной фазе, до начала движения, ЭЭС вызывало общее повышение активности нейронов, а во время самого движения эта активность становилась более организованной для поддержания ритма шагов.
Учёным СПбГУ вместе с коллегами удалось доказать, что различные группы нейронов по-разному реагируют на электрический импульс. Некоторые быстро отвечали на стимуляцию, другие — медленнее. Электрическая стимуляция помогала не только поддерживать высокий уровень возбудимости сети нейронов, необходимый для выполнения движений, но и не нарушала общего ритма ходьбы.
Результаты расширяют понимание функционирования спинальных нейронных сетей и важны для развития клинических подходов нейромодуляции и нейропротезирования при поражениях нервной системы. При разработке новых поколений нейроинтерфейсов и мягкой биоэлектроники необходимо изучить строение нейронной сети спинного мозга и создать алгоритмы стимуляции, максимально приближенные к естественным процессам, безопасные и эффективные.
Исследование выполнили в Санкт-Петербургском государственном университете при участии Нобелевского департамента нейрофизиологии Каролинского института (Швеция), Университета «Сириус», Института физиологии имени И.П. Павлова РАН, Центра мозга и нейротехнологий Федерального медико-биологического агентства РФ.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ
Источник фото: ru.123rf.com