A fény által aktivált lábidegek új utat kínálnak a mobilitás helyreállításához

Az MIT kutatói először mutatták ki, hogy a fény által aktiválható fehérjék expresszálására szolgáló idegek olyan végtagmozgásokat hozhatnak létre, amelyek valós időben állíthatók be, a végtag mozgása által generált jelek felhasználásával. Ez a technika simább és kevésbé fárasztó mozgást eredményez, mint a hasonló elektromos rendszerek, amelyeket néha gerincvelő-sérülésekkel és mások idegeinek stimulálására használnak. Amíg ezt a módszert ...
Vera G. Atwood 2019. január 22
https://reputec.com/wp-content/uploads/2019/01/513f9fc6-8001-40e1-8a40-e9fe28da6ed3-1024x683.jpeg

Az MIT kutatói először mutatták ki, hogy a fény által aktiválható fehérjék expresszálására szolgáló idegek olyan végtagmozgásokat hozhatnak létre, amelyek valós időben állíthatók be, a végtag mozgása által generált jelek felhasználásával. Ez a technika simább és kevésbé fárasztó mozgást eredményez, mint a hasonló elektromos rendszerek, amelyeket néha gerincvelő-sérülésekkel és mások idegeinek stimulálására használnak.

Miközben ezt a módszert állatokon tesztelték, további kutatásokkal és jövőbeni humán kísérletekkel ezt az optogenetikai technikát valaha alkalmazhatják bénulásban szenvedő betegek mozgásának helyreállítására vagy olyan nem kívánt mozgások kezelésére, mint például izomrázás Parkinson-betegekben - mondta Shriya Srinivasan, PhD. az MIT Media Lab és a Harvard-MIT Egészségtudományi és Technológiai Divízió orvosi mérnöki és gyógyfizikai hallgatója.

A technológia első alkalmazásai lehetnek a megbénult végtagok mozgásának helyreállítása vagy a protézisek erősítése, de az optogenetikus rendszer képes visszaállítani a végtag-érzést, kikapcsolni a nem kívánt fájdalomjeleket, vagy kezelni a görcsös vagy merev izommozgásokat olyan neurológiai betegségekben, mint amyotrophicus laterális. szklerózis vagy ALS, Srinivasan és munkatársai javasolják.

Az MIT csapata azon kevés kutatócsoport egyike, amely optogenetikát alkalmaz az agyon kívüli idegek ellenőrzésére - mondta Srinivasan. "A legtöbb ember az optogenetikát valamilyen eszközként használja az idegi áramkörök megismerésére, ám nagyon kevés olyannak tekint klinikailag átfordítható terápiás eszközként, mint mi vagyunk."

Az izmok mesterséges elektromos stimulálása gyakran fáradtságot és rossz kontrollálhatóságot eredményez. Ebben a tanulmányban megmutattuk az optogenetikus izomszabályozás ezen általános problémáinak enyhítését ”- mondta Hugh Herr, aki a kutatócsoportot vezette és a Media Lab biomechatronikai csoportját vezette. "Ez nagy ígéretet jelent olyan megoldások kifejlesztésére, amelyek olyan betegek számára működnek, akik szenvedő betegségektől, például izombénulástól szenvednek."

A tanulmányt 2006. December 13 - i számában tették közzé Természetkommunikáció . A csapatba beletartoztak az MIT kutatói, Benjamin E. Maimon, Maurizio Diaz és a Hyungeun Song.

Könnyű és villamos

Az idegek elektromos stimulációját klinikailag alkalmazzák a légzés, a bél, a hólyag és a nemi rendellenességek kezelésére a gerincvelő-sérülésekkel küzdő betegekben, valamint az izmok kondicionálásának javítására az izomdegeneratív betegségben szenvedőknél. Az elektromos stimuláció a bénult végtagokat és a protéziseket is szabályozhatja. Minden esetben az idegrostokba továbbított elektromos impulzusok, úgynevezett axonok, a rostok által aktivált izmok mozgását váltják ki.

Az ilyen típusú elektromos stimuláció gyorsan megbomlik az izmokon, fájdalmas lehet, és nehéz pontosan megcélozni, azonban a vezető tudósok, mint például Srinivasan és Maimon, alternatív idegstimulációs módszereket keresnek.

Az optogenetikus stimuláció az idegekre támaszkodik, amelyeket genetikailag úgy fejlesztettek ki, hogy expresszálják az opsinnak nevezett fényérzékeny algafehérjéket. Ezek a fehérjék vezérlik az elektromos jeleket, például az idegimpulzusokat - alapvetően be- és kikapcsolva -, amikor bizonyos fényhullámhossznak vannak kitéve.

Az egerek és patkányok felhasználásával, amelyeket ezen opsinok kifejezésére a láb két kulcsidejében fejlesztettek ki, a kutatók képesek voltak ellenőrizni a rágcsálók bokaízületének felfelé és lefelé történő mozgását azáltal, hogy bekapcsoltak egy LED-et, amely vagy a bőr fölött volt rögzítve, vagy a láb.

A kutatók szerint ez az első alkalom, hogy egy „zárt hurkú” optogenetikai rendszert használtak egy végtag táplálására. A zárt hurkú rendszerek megváltoztatják stimulációjukat az általuk aktivált idegek jeleire reagálva, szemben a „nyílt hurkú” rendszerekkel, amelyek nem reagálnak a test visszajelzéseire.

A rágcsálók esetében a boka mozgásának vezérlésére különböző útmutatások voltak, beleértve a bokaízület szögét és az izomrostok hosszának megváltozását. Ez egy rendszer - mondta Srinivasan -, amely "valós időben megfigyeli és minimalizálja a hibát, mi történni akarunk és mi történik valójában."

Sétálj a sprinttel szemben

Az optogenetikus stimuláció a ciklikus mozgás során is kisebb fáradtsághoz vezetett, mint az elektromos stimuláció, oly módon, hogy meglepte a kutatócsoportot. Az elektromos rendszerekben először a nagy átmérőjű axonokat aktiválják, nagy és oxigén-éhes izmaikkal együtt, mielőtt kisebb axonokra és izmokra lépnek. Az optogenetikus stimuláció ellentétesen működik, stimulálva a kisebb axonokat, mielőtt nagyobb szálakra haladnának.

"Ha lassan sétálsz, akkor csak azokat a kis szálakat aktiválja, de amikor sprint fut, akkor aktiválnia kell a nagy szálakat" - magyarázta Srinivasan. „Az elektromos stimuláció először a nagy szálakat aktiválja, tehát olyan van, mintha sétálsz, de az összes energiát felhasználod, ami egy sprinthez szükséges. Gyorsan kimerül, mivel sokkal több lóerőt használ fel, mint amire szüksége van. "