a) Хирург определяет место в мозге, где возникают судороги, с помощью электродов, расположенных на коже головы, а затем вставляет электродный массив непосредственно в эту область. b) Судороги начинаются, когда нейроны чрезмерно возбуждаются, вызывая заметный электрический сигнал. Массив обнаруживает эту сигнатуру и испускает собственный электрический импульс, который нарушает работу нейронов. c) Импульс также вызывает отрицательный ток в полимере, покрывающем электроды массива, в результате чего его заряд меняется с положительного на нейтральный. Отрицательно заряженные молекулы противосудорожных препаратов падают с электродов, еще больше успокаивая близлежащие нейроны. 1) СЕЙЧАС
Устройство доставляет целевые препараты для успокоения гиперактивных нейронов
В течение многих лет в крупных клинических исследованиях людей с эпилепсией лечили с помощью так называемой глубокой стимуляции мозга: хирургически имплантированные электроды, которые могут обнаружить припадок и остановить его электрическим разрядом. Согласно последним результатам, эта технология приводит к 69-процентному сокращению числа припадков через пять лет.
Трейси Куи, биомедицинский инженер из Питтсбургского университета, надеется улучшить эту статистику. Ее группа разработала электрод, который может передавать как электрический импульс, так и противосудорожное лекарство. "Мы знаем, где мы хотим применить лекарство", - говорит Куи, - "поэтому вам не понадобится его много".
Чтобы создать устройство, команда Куи погрузила металлический электрод в раствор, содержащий два ключевых ингредиента: молекулу, называемую мономером, и препарат CNQX. Под действием электричества мономеры соединяются вместе и образуют длинную цепь, называемую полимером. Поскольку полимер заряжен положительно, он притягивает отрицательно заряженный CNQX, в результате чего инженеры получают целевой продукт: электрод, покрытый пленкой, в которую введен препарат.
Затем исследователи поместили электроды в чашку Петри с нейронами крысы. Еще один удар током нарушил электростатическое притяжение в пленке, заставив полимер высвободить фармакологическую нагрузку - и близлежащие клетки затихли. Куи говорит, что ее команда успешно повторила эксперимент на живых крысах. Далее она хотела бы испытать электроды на крысах, страдающих эпилепсией, а затем начать долгий процесс получения разрешения на их использование человеком.
что делает его полезным для лечения болезни Паркинсона, хронической боли и даже наркотической зависимости.
a) Хирург вживляет электродную решетку в префронтальную кору так, чтобы она касалась нейронов слоя 2/3 и слоя 5. b) Электроды регистрируют активность мозга и отправляют ее на микропроцессор, расположенный под кожей на макушке головы. c) Когда микропроцессор обнаруживает определенный паттерн, например, нейронную сигнатуру человека, пытающегося вспомнить воспоминания, он дает команду решетке посылать электрические импульсы в окружающую область, стимулируя умственную обработку. 2) ДЕМЕНЦИЯ
Электродные массивы стимулируют умственную деятельность
Деменция - одно из самых известных и удручающих заболеваний мозга. Она нарушает многие из основных когнитивных функций, которые делают нас людьми: рабочую память, принятие решений, язык и логическое мышление. Болезни Альцгеймера, Хантингтона и Паркинсона приводят к деменции, а также иногда ассоциируются с рассеянным склерозом, СПИДом и нормальным процессом старения.
Теодор Бергер, биомедицинский инженер из Университета Южной Калифорнии, надеется помочь людям избежать симптомов слабоумия с помощью устройства, имплантированного в префронтальную кору головного мозга - область, имеющую решающее значение для сложного познания. Он и его коллеги из Баптистского медицинского центра Уэйк Форест протестировали устройство в исследовании с участием пяти обезьян и игры на запоминание.
Сначала команда имплантировала массив электродов, чтобы можно было записывать данные со слоев 2/3 и 5 префронтальной коры и стимулировать слой 5. Нейронные сигналы, которые передаются между этими областями, связаны с вниманием и принятием решений. Затем команда обучила обезьян играть в компьютерную игру, в которой они видели мультяшную картинку - грузовик, льва или палитру с красками - и должны были выбрать это же изображение из панели картинок 90 секунд спустя.
Сначала ученые анализировали электрические сигналы, посылаемые между двумя слоями коры головного мозга, когда обезьяны делали правильный выбор. В более поздних экспериментах команда заставила массив излучать тот же сигнал непосредственно перед тем, как обезьяна принимала решение. Точность животных повысилась примерно на 10 процентов. Этот эффект может быть еще более глубоким при нарушении работы мозга. Когда обезьяны играли в ту же игру после приема кокаина, их производительность упала примерно на 20 процентов. Но электрическая стимуляция восстановила их точность до нормального уровня.
Деменция включает в себя гораздо более сложные схемы, чем эти два слоя мозга. Но когда ученые лучше поймут, как именно работает деменция, возможно, удастся объединить несколько имплантатов, чтобы каждый из них воздействовал на определенную область.
a) В глазу, больном пигментным ретинитом, повреждены фоторецепторы, или палочки и колбочки. Врачи вводят в глаз невредный вирус, содержащий ген channelrhodopsin-2, или ChR2. б) Вирус мигрирует в сетчатку в задней части глаза и вставляет ген в ганглиозные клетки, которые передают сигналы от палочек и колбочек к зрительному нерву. Ганглиозные клетки начинают экспрессировать белок ChR2 в своих мембранах. в) Поступающий свет активирует белок ChR2 в ганглиозных клетках, побуждая их к проведению электрического импульса. Этот сигнал по зрительному нерву поступает в зрительную кору головного мозга, которая интерпретирует его как грубое изображение. 3) БЛИЗНЕЦЫ
Генная терапия превращает клетки в фоторецепторы, восстанавливая зрение
Миллионы людей теряют зрение, когда болезнь повреждает фоторецепторные клетки сетчатки. Эти клетки, называемые палочками и колбочками, играют ключевую роль в зрении: Они преобразуют входящий свет в электрические импульсы, которые мозг интерпретирует как изображение.
В последние годы несколько компаний разработали имплантаты с электродной решеткой, которые обходят поврежденные клетки. Микропроцессор преобразует информацию с видеокамеры в электрические импульсы, которые стимулируют сетчатку; в результате слепые испытуемые в клинических испытаниях смогли различать предметы и даже читать очень крупный шрифт. Но у имплантированных массивов есть один большой недостаток: Они стимулируют лишь небольшое количество клеток сетчатки - около 60 из 100 000, что в конечном итоге ограничивает зрительное разрешение человека.
Генная терапия, разрабатываемая мичиганской компанией RetroSense, может заменить тысячи поврежденных клеток сетчатки. Технология компании нацелена на слой сетчатки, содержащий ганглиозные клетки. В норме ганглиозные клетки передают электрический сигнал от палочек и колбочек в мозг. Но RetroSense вставляет ген, который делает ганглиозные клетки чувствительными к свету; они берут на себя работу фоторецепторов. На данный момент ученые успешно протестировали технологию на грызунах и обезьянах. В исследованиях на крысах генная терапия позволила животным видеть достаточно хорошо, чтобы определить край платформы, когда они приближались к ней.
Компания планирует начать первое клиническое испытание технологии в следующем году с участием девяти испытуемых, ослепших от заболевания, называемого пигментным ретинитом. В отличие от операций по вживлению электродных матриц, процедура введения генной терапии займет всего несколько минут и потребует лишь местной анестезии. "Зрительный сигнал, поступающий от ганглиозных клеток, может быть закодирован не совсем так, как они привыкли", - говорит Питер Фрэнсис, главный врач компании RetroSense. "Но, скорее всего, произойдет адаптация мозга".
a) Хирурги имплантируют электродные массивы в две области мозга: моторную и соматосенсорную кору. b) Когда пациент думает о том, как ударить по мячу, его мозг посылает нейронные команды из моторной коры. Они улавливаются решеткой и передаются на микропроцессор, установленный на черепе пациента. c) Микропроцессор передает эти команды по беспроводной связи на экзоскелет нижней части тела, который имеет свой собственный процессор. Нога движется к мячу. г) Когда стопа касается земли, датчики давления на поверхности экзоскелета генерируют тактильный сигнал. Этот сигнал посылается обратно в электродный массив в сенсорной коре головного мозга пациента. Благодаря такой обратной связи пациент может одновременно "чувствовать" землю и бить по мячу. 4) ПАРАЛИЗ
Интерфейс "мозг-машина" управляет конечностями, ощущая, к чему они прикасаются
В прошлом году клинические испытания с использованием мозговых имплантатов дали большую надежду людям с тяжелыми травмами спинного мозга. Двое парализованных испытуемых представляли, как поднимают чашку кофе. Электродные массивы расшифровывали эти нейронные инструкции в реальном времени и передавали их роботизированной руке, которая подносила кофе к их губам.
Но чтобы двигать конечностями с реальной точностью, мозг также нуждается в тактильной обратной связи. Мигель Николелис, биомедицинский инженер из Университета Дьюка, продемонстрировал, что интерфейсы мозг-машина могут одновременно управлять движениями и передавать ощущение прикосновения - по крайней мере, в виртуальной реальности.
Для проведения эксперимента команда Николелиса вставила электроды в две области мозга обезьян: моторную кору, которая управляет движением, и расположенную рядом соматосенсорную кору, которая интерпретирует сенсорные сигналы из внешнего мира. Затем обезьяны играли в компьютерную игру, в которой они управляли виртуальной рукой - сначала с помощью джойстика, а затем просто представляя себе движения. Рука могла касаться трех одинаковых на вид серых кругов. Но каждый круг имел свою виртуальную "текстуру", которая посылала в соматосенсорную кору головного мозга обезьян различные электрические сигналы. Обезьяны научились выбирать текстуру, которая приносила лакомство, что доказывает, что имплантат как посылал, так и принимал нейронные сообщения.
В этом году в рамках исследования в Бразилии будет проверена способность 10-20 пациентов с травмами спинного мозга управлять экзоскелетом с помощью имплантата. Николелис, ярый поклонник бразильского футбола, установил для своей команды жесткий график: Созданный им некоммерческий консорциум Walk Again Project планирует экипировать параплегического человека роботизированным экзоскелетом и доставить его на чемпионат мира 2014 года в Сан-Паулу, где он будет выполнять начальный удар.
a) Хирург делает разрез за ухом пациента и вставляет новые слуховые клетки, полученные из стволовых клеток, в спиральный ганглий у основания улитки. b) Эти клетки растут, образуя выступы, которые укрепляют поврежденный слуховой нерв. В конечном итоге они соединяются с клетками ствола мозга. 5) ТУГОУХОСТЬ
Стволовые клетки восстанавливают поврежденный слуховой нерв, улучшая слух
За последние 25 лет более 30 000 людей с потерей слуха получили электронный имплантат, который заменяет улитку - улиткообразный орган во внутреннем ухе, клетки которого преобразуют звуковые волны в электрические сигналы. Устройство действует как микрофон, улавливая звуки из окружающей среды и передавая их на слуховой нерв, который передает их в мозг.
Но кохлеарный имплантат не поможет 10 процентам людей, у которых глубокая потеря слуха вызвана повреждением слухового нерва. К счастью для этой группы людей, группа британских ученых нашла способ восстановить этот нерв с помощью стволовых клеток.
Исследователи подвергли эмбриональные стволовые клетки человека воздействию факторов роста - веществ, которые заставляют их дифференцироваться в предшественников слуховых нейронов. Затем они ввели около 50 000 этих клеток в улитку песчанок, слуховые нервы которых были повреждены. (Песчанок часто используют в качестве модели глухоты, поскольку их слуховой диапазон схож с человеческим). Через три месяца после пересадки была восстановлена примерно одна треть от первоначального количества слуховых нейронов; некоторые из них образовали проекции, которые соединились со стволом мозга. Слух животных улучшился в среднем на 46 процентов.
Пройдут годы, прежде чем эта методика будет опробована на людях. Как только это произойдет, говорят исследователи, она может помочь не только тем, у кого поврежден нерв, но и людям с более распространенными нарушениями, чей слуховой нерв должен быть восстановлен, чтобы получить кохлеарный имплант.
Эта статья первоначально появилась в мартовском номере журнала за 2013 год.