Е. Клещенко. Цифровой мост против травмы спинного мозга

Елена Клещенко
«Химия и жизнь» №8, 2023

Ученые из центра NeuroRestore Университета Лозанны вместе с коллегами из Франции, США и Нидерландов опубликовали в мае 2023 года статью, в которой описано поразительное исследование. Человеку с травмой шейного отдела спинного мозга имплантировали электроды в головной и спинной мозг, чтобы заменить разорванные нейронные связи «цифровым мостом» — BSI (brain-spine interface). Имплантаты считывают сигналы от нейронов коры головного мозга, а специально разработанный алгоритм генерирует стимулирующие сигналы для электродов в спинном мозге. Пациент ходит с опорой и даже поднимается по лестнице. Более того, устройство ускорило реабилитацию: теперь пациент может ходить с костылями, даже когда интерфейс отключен.

Иглистая мышь, королева регенерации

Чтобы мы могли двигать руками и ногами, сигналы от нейронов головного мозга передаются моторным нейронам, расположенным в спинном мозгу, а от них к мышцам. В спинной мозг поступают сигналы от чувствительных нейронов. Травма спинного мозга разрывает эти связи, нарушаются чувствительность и подвижность. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), от 250 тысяч до полумиллиона человек ежегодно получают такие травмы. Наиболее подвержены риску молодые люди. Лечения, по большому счету, нет: разорванные проводящие пути сами собой не восстанавливаются.

Преимущество нашего вида — развитый мозг, а наше уязвимое место — крайне слабая способность к регенерации нервных тканей. В других группах позвоночных с этим гораздо лучше: у аксолотлей, например, отрастает отрезанная лапка (правда, аксолотль, строго говоря, не взрослая особь, а неотеническая, то есть способная к размножению личинка). У рыб и амфибий восстанавливается разрезанный спинной мозг. Хорошо знакомая аквариумистам полосатая рыбка данио — популярнейший модельный организм в современных биологических экспериментах — может регенерировать даже сетчатку глаза, причем заново появляются нейроны, необходимые для светочувствительности.

Большинство млекопитающих сильно отстают от холоднокровных животных в искусстве регенерации, но и тут есть исключения. Иглистые, или колючие, мыши, представители рода Acomys, не только восстанавливают кожу без шрамов и бесследно заращивают отверстия на ушах (включая хрящевую ткань!): если такой мыши полностью перерезать спинной мозг, через некоторое время функция нижней половины туловища сама восстановится. Задние лапки акомиса начинают двигаться через две недели; в дикой природе прожить эти две недели для маленького существа было бы отдельной задачей, но в лаборатории подопытным дают отлежаться. А через восемь недель функция восстанавливается полностью. С обычными мышами подобных чудес не происходит, даже представители особых линий с улучшенной регенерацией нервных клеток так не могут. У всех менее везучих видов, в том числе у человека, на месте разрыва образуется рубцовая ткань, которая препятствует восстановлению нервных связей.

С одной стороны, обидно, с другой — дает надежду. Если понять, почему мы утратили в ходе эволюции столь полезную способность, ее можно попытаться вернуть. Высказывались предположения, что подавленная регенерация — оборотная сторона защиты от рака, но аксолотли и данио от рака не особенно страдают. Акомисов сейчас изучают, стараются узнать их тайну. Исследуют, в частности, транскриптомы (совокупность активных генов) их регенерирующих нервных тканей. Полученные данные говорят о том, что ремоделирование внеклеточного матрикса, то есть изменение состава среды в месте травмы, подавляет рубцевание и стимулирует рост нервных окончаний. А за это, свою очередь, отвечает активность генов ферментов, производящих «правильные» сигнальные молекулы. Осталось только умело отрегулировать активность генов, и восстановление после травмы будет у нас в кармане...

Как восстанавливаются нервные клетки

Некоторое время назад много писали о найденных в гиппокампе и обонятельной луковице стволовых клетках человека, из которых можно получать нейроны. Казалось, чуть ли не опровергнута догма о том, что нервные клетки не восстанавливаются. Однако эти стволовые клетки в организме используются главным образом не для восстановления функций, утраченных из-за травмы, а для приобретения новых функций — новые нейроны, встраиваясь в нейронные сети, обеспечивают «тонкую настройку» обоняния, участвуют в обучении, адаптации к стрессу. По современным представлениям, заставить эти нейроны восполнять повреждения у человека едва ли возможно.

Более перспективной идеей выглядит регенеративная терапия с репрограммированием нестволовых клеток — их можно побудить дедифференцироваться, то есть вернуться в «стволовое» состояние. Даже у амфибий и рыб спинной мозг восстанавливается не за счет стволовых клеток, а за счет репрограммирования «взрослых» клеток в районе травмы. Можно получить так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки вне организма (за это открытие японский исследователь Синъя Яманака был награжден Нобелевской премией в 2012 году) и имплантировать их в поврежденный участок. Но рассматривается и другой вариант — перепрограммирование непосредственно в организме, в месте травмы или гибели нейронов.

Подобные эксперименты проводили на мышах, моделирующих болезнь Паркинсона (несколько статей об этом вышли в 2020 году): прямо в мозге животного из астроцитов были получены новые нейроны, производящие дофамин, восстановились нервные связи, а двигательные нарушения скомпенсировались.

Есть опыты с регенерацией спинного мозга. Например, исследователи из Рурского университета (Германия) создали модифицированный вариант молекулы интерлейкина 6 — hyper-IL-6, или hIL-6. Интерлейкин 6 активирует сигнальный путь, связанный с регенерацией аксонов — длинных отростков нервных клеток. А hIL-6 имеет дополнительный участок, который позволяет ему связываться с рецептором GP130 — этот рецептор есть на мембране почти всех нейронов организма, в отличие от рецепторов для обыкновенного интерлейкина 6. В эксперименте мышам с повреждением спинного мозга вводили векторы на основе аденоассоциированного вируса (AAV), экспрессирующие hIL-6. Инъекцию делали в кору головного мозга — нейроны, чьи нервные окончания разорваны травмой, находятся именно там. После этого мыши начинали ходить через восемь недель — совсем как акомисы! Интересно, что инъекция в одно полушарие восстанавливала функцию обеих задних конечностей, так как hIL-6 из нейронов, «инфицированных» вектором, транспортировался в другие нейроны.

Мишенями воздействий, нацеленных на регенерацию, могут быть не только гены нейронов. Проводятся работы (в том числе и в России) по имплантации в место спинальной травмы тканеинженерного конструкта — стволовых клеток, полученных вне организма, в специальном геле, который препятствует образованию рубца и способствует восстановлению нервных окончаний, миелиновых оболочек и кровеносных сосудов. Такой гель-матрикс может содержать белки паучьего шелка спидроины, фибрин, хитозан или же более необычные вещества.

В 2021 году сотрудники Северо-Западного университета (США) опубликовали в «Science» статью о матриксе с «танцующими молекулами» (dancing molecules). Матрикс вводят в травмированный участок в виде жидкости, он полимеризуется и образует сеть нановолокон — превращается в гель. В его состав входят два пептида: сигналы одного уменьшают рубцевание, другого — способствуют росту кровеносных сосудов. И эти пептиды — шедевр супрамолекулярной химии — обладают повышенной подвижностью относительно каркаса геля: смещаются и даже «выпрыгивают» из нановолоконной структуры, имитируя движение биомолекул (аналогичным образом перемещаются рецепторы в липидных мембранах клеток). Это повышает их сродство к рецепторам-мишеням. В экспериментах на мышах танцующие молекулы резко усилили регенерацию спинного мозга.

Еще один подход, который можно комбинировать с другими, — электростимуляция, и здесь уже появляется научная группа, которая сделала цифровой мост.

Электроды в спинном мозге

Грегуар Куртин — французский нейробиолог, профессор Федеральной политехнической школы Лозанны, где он с 2019 года вместе со швейцарским нейробиологом Джослин Блох руководит центром интервенционной нейротерапии NeuroRestore. Основная задача центра — восстановление моторных функций у людей после спинномозговой травмы. Работать над этой задачей

Куртин начал намного раньше. Уже в 2000-е годы у него появились публикации по ЭЭС — эпидуральной электростимуляции, то есть стимуляции спинного мозга электрическими импульсами (тогда еще от внешнего источника, а не от головного мозга). В комбинации с тренировками и другими подходами ЭЭС восстанавливала функции конечностей у парализованных животных. Но все попытки активировать регенерацию спинного мозга имели ограниченный успех, подвижность восстанавливалась не в полной мере.

В те же 2000-е годы начали появляться работы по расшифровке сигналов мозга парализованных людей; с помощью этих сигналов предполагалось, например, управлять протезом руки. После появления первого нейрокомпьютерного интерфейса, испытанного на обезьяне, аналогичное устройство для человека было создано всего через четыре года.

А что, если аналогичным образом управлять собственной парализованной конечностью? Сигналы мозга могут приводить в движение искусственную руку, ЭЭС восстанавливает функцию парализованной ноги — можно ли объединить эти подходы и использовать сигналы мозга для ЭЭС? Так возникла концепция «цифрового моста» между головным и спинным мозгом.

В 2016 году Грегуар Куртин с соавторами опубликовал описание впечатляющего эксперимента: две обезьяны после одностороннего разрыва спинного мозга, который парализовал одну ногу, восстановили способность ходить. Имплантат в мозгу обезьяны расшифровывал информацию от электродов, измеряющих активность клеток мозга, которые обычно контролируют движения ног. Второй массив электродов был имплантирован в спинной мозг, над поясничной областью, ниже уровня разрыва. Эти электроды подавали слабые токи, которые регулировались сигналами мозга, передаваемыми в поясничный отдел по беспроводной связи. Удивительным образом эта восстановленная связь между головным мозгом и поясничным отделом спинного мозга позволила животным снова ходить.

Затем команда отчиталась о блестящем результате («Nature», 2018). Электростимуляция спинного мозга в сочетании с тренировками вернула способность ходить пациентам, перенесшим травму шейного отдела позвоночника более четырех лет назад, у которых, несмотря на все усилия по реабилитации, сохранялся дефицит двигательных функций или полный паралич. В этом эксперименте, в отличие от эксперимента 2016 года на обезьянах, сигналы шли все еще не из головного мозга, а с внешнего устройства: «цифровой мост» для людей появился позже.

Электроды для ЭЭС вживили таким образом, чтобы сигналы воздействовали на задние корешки — нервные волокна, входящие сзади в те сегменты спинного мозга, где находятся моторные нейроны, иннервирующие мышцы ног и нижней части туловища. Оказалось, что стимуляция повышает общую возбудимость поясничного отдела спинного мозга, усиливает реакцию спинномозговых цепей на остаточные сигналы от головного мозга, если они сохранились, и на обратную связь — сенсорные импульсы, например, от подошвы на полу. Нервные клетки «упражняются» и восстанавливают свою функцию.

Сначала пациента подвешивали вертикально в специальном «корсете», чтобы не было риска упасть, если ноги перестанут слушаться. По мере того как способность двигать ногами возвращалась, участники переходили к самостоятельному передвижению. Паттерны сигналов, которые подавались на спинной мозг, были особым образом рассчитаны с учетом того, как эти паттерны выглядят у здоровых людей, и с обратной связью от датчиков инерции на ногах.

Авторы также разработали устройства с ручным или голосовым управлением, которые позволяли человеку самому управлять электростимуляцией. Совместно с остаточной иннервацией, частично сохранившейся после травмы у некоторых пациентов, это обеспечивало более естественные движения. Но самое главное, что способность ходить отчасти сохранялась и после отключения стимуляции — тренировка была полезной для нейронов.

В статье 2022 года авторы рассказывают уже о девяти парализованных пациентах — участниках клинического испытания STIMO, которым ЭЭС и тренировки вернули способность к передвижению. (Наблюдения за ними еще продолжаются, предполагаемая дата завершения исследования — декабрь 2023 года.) У всех девяти участников ноги были парализованы, шестеро сохранили чувствительность, трое не сохранили. Ходить с поддержкой смогли все девять сразу после начала эксперимента, в последующие месяцы наблюдался прогресс, а четверо стали ходить даже без стимуляции.

Кора мозга — компьютер — спинной мозг

Наконец, в 2023 году международная группа ученых под руководством Грегуара Куртина, Джослин Блох, а также Гийома Шарве (Университет Гренобль-Альпы, Франция) опубликовала в «Nature» отчет об испытании на человеке цифрового моста, или BSI — интерфейса между головным и спинным мозгом. В этом случае сигналы, которые подаются на электроды, не «синтезировались» вне организма, как в предыдущих экспериментах, — это были сигналы от головного мозга самого пациента, которые обрабатывались специальным алгоритмом и передавались в обход повреждения. Будущее слилось с настоящим, дорогие читатели, мы живем в киберпанковском фантастическом романе.

На самом деле подобную конструкцию команда Куртина испытала на обезьянах еще в прошлом десятилетии. Как мы помним, в работе 2016 года на обезьянах чип в спинном мозгу получал сигналы от другого чипа, имплантированного именно в моторную кору головного мозга. И вот теперь — успех с человеком. Цифровой мост имплантировали одному из девяти участников STIMO — сорокалетнему нидерландцу Герту-Яну Оскаму, который примерно за 10 лет до начала испытаний попал в аварию на мотоцикле. Повреждение спинного мозга привело к тетраплегии — потере функции конечностей.

Людям со спинальной травмой психологи часто советуют осознать, что случившегося не исправить, и строить жизнь в инвалидном кресле, а не тратить силы и время на мечты о возвращении подвижности. С учетом всего, что мы знаем о травмах спинного мозга, совет не такой плохой и жестокий, как может показаться (хотя, конечно, следует помнить, что шансы каждого пациента на успех реабилитации необходимо рассматривать индивидуально). Но именно те, кто не принимают этого совета, и приходят в клинические испытания новых рискованных методов терапии. После пятимесячной программы нейрореабилитации в рамках STIMO Герт-Ян смог передвигаться с ходунками, но дальше дело не пошло, и он согласился на более инвазивную операцию.

Два беспроводных регистратора, каждый из которых нес 64 электрода, разместили на твердой мозговой оболочке (одна из трех оболочек, покрывающих мозг), над моторной корой, контролирующей движение ног.

Такой метод отведения потенциалов называется электрокортикографией, или ЭКоГ, он более чувствителен, чем электроэнцефалография. Участки коры, которые наиболее активно реагировали на намерение пациента пошевелить ногами, выбрали с помощью компьютерной томографии и магнитоэнцефалографии. Для этого в черепе Герта-Яна сделали два отверстия диаметром 5 см. Вокруг одного из имплантатов началось воспаление из-за инфекции золотистым стафилококком, его пришлось заменить. (Здравствуйте, мрачные шутки Цезария Збешховского, одного из самых пессимистичных авторов современной научной фантастики, о «рекламе мазей для укрепления имплантатов».)

Питаются имплантаты через антенну, за счет индуктивной связи, а другая антенна обеспечивает передачу в режиме реального времени сигналов, считанных с электродов, на портативную базовую станцию. Ее Герт-Ян пока должен носить в рюкзаке или везти перед собой на ходунках, но уже есть идеи по миниатюризации.

Алгоритм базовой станции декодирует сигналы ЭКоГ и преобразует их в стимулирующие сигналы; они передаются генератору импульсов, он стимулирует нейроны спинного мозга, а от них сигналы поступают к мышцам.

Уже после пятиминутной первичной калибровки цифровой мост позволил пациенту контролировать мышцы-сгибатели бедра — эту функцию травма затронула в наибольшей степени. Мышечная активность увеличилась в пять раз. Герт-Ян смог стоять, ходить с опорой на костыли, подниматься по лестнице и даже ходить по неровной земле — крайне сложное испытание для участников STIMO, которые жаловались, что движения ног не воспринимаются как полностью естественные и их трудно приспособить к изменениям ландшафта.

Некоторые улучшения сохранялись и при выключенном BSI. К статье, опубликованной на сайте «Nature», приложен видеоролик, который позволяет судить об успехах пациента. Замечательно, что улучшилась также чувствительность ног к легким прикосновениям — еще одно подтверждение того, что в нервной системе все связано и упражнения не бесполезны. «Эти улучшения без стимуляции трансформировались в значительное повышение качества жизни, например возможность самостоятельно ходить дома, садиться в машину и выходить из нее или пить напитки с друзьями, стоящими в баре», — отмечают авторы статьи.

Таким образом, чуда не произошло, травма не исчезла, будто ее и не было. Инвазивная операция — два отверстия в черепе! — пока помогла только одному храброму и упрямому человеку, который к тому же сумел оказаться в нужном месте в нужное время. Пока непонятно, как это будет работать, например, при полном разрыве спинного мозга, авторы планируют это проверить. Есть и другие амбициозные планы: например, восстановление с помощью цифрового моста управления мочевым пузырем и кишечником, движений рук, причем не только после травмы, но и при дегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона.

Оптимизм внушает восстановление функций, которое сохраняется после отключения стимуляции. Все-таки хочется, чтобы «электронный костыль» оказался временной мерой, переходным этапом перед реконструкцией биологической системы управления. Сколько бы раз ни подводило нас органическое тело, мы очень к нему привязаны во всех смыслах слова и считаем, что «лучше живенько».

Шехзад Хан, научный сотрудник лаборатории искусственного интеллекта MIT-IBM Watson и консультант компании Илона Маска Neuralink, недавно приезжал на Петербургский международный экономический форум и рассказал в интервью для РБК, что Neuralink тоже думает над помощью людям с парализованными после травмы конечностями, но — «как быть с осознанием зависимости? Будет ли эта технология зависеть от Bluetooth? А если отключился Wi-Fi? Человек оказывается в полной зависимости от того, есть электричество или нет». И добавил: «Хотим ли мы двигаться дальше и работать над чипами для людей без медицинских показаний — пока это вопрос, на который трудно ответить». Этот последний вопрос сейчас интересует всех, но о нем как-нибудь в другой раз.

Чуда не произошло. Просто еще одна патология понемногу утрачивает репутацию неизлечимой.