211service.com
Förlamade råttor går igen
Råttor som förlamats av ryggmärgsskada kan lära sig att kontrollera sina bakben igen om de tränas att gå i en rehabiliteringsanordning medan deras nedre ryggrad stimuleras elektriskt och kemiskt. En klinisk prövning med ett liknande system byggt för människor kan börja inom de närmaste åren.
Forskare i Schweiz använde elektrisk och kemisk stimulering för att excitera nervceller i den nedre ryggmärgen på förlamade råttor medan gnagarna hängdes upp i en väst som tvingade dem att gå med bara bakbenen. Det rehabiliterande förfarandet ledde till skapandet av nya neuronala förbindelser mellan den rörelsestyrande motoriska cortex i hjärnan och den nedre ryggraden, rapporterar forskarna i Vetenskap.
Tidigare forskning har visat att det är möjligt att vända en del av effekterna av ryggmärgsskada genom att kringgå den normala kopplingen mellan hjärnan och benen, som bryts av skadan. Till exempel kan promenader utlösas hos ryggmärgsskadade råttor om deras ryggrad stimuleras. Men fram till nu har en sådan rörelse varit ofrivillig. Denna nya forskning visar att med ett specialiserat träningssystem kan liknande råttor återfå frivillig kontroll över sina ben.
En rapport som publicerades förra året visade principbeviset att den här typen av tillvägagångssätt kan fungera på patienter, säger Gregoire Courtine , senior författare av råttstudien. I maj 2011 rapporterades 25-årige Rob Summers, som hade blivit förlamad från bröstet och ner i en bilolycka, stå på egen hand i några minuter med elektrisk stimulering av sin ryggmärg. Han kunde också ta upprepade steg på ett löpband med stimuleringen, som aktiverar regioner i den nedre ryggmärgen som styr gång. Den rörelse som härrör från denna typ av stimulering är automatisk och ofrivillig och tros inte kräva någon direkt kommunikation från hjärnan.
Courtine hade tidigare visat att denna typ av automatisk gång kunde initiera gångmönster i bakbenen på ryggmärgsskadade råttor som stimulerades spinalt när de var på ett löpband. Eftersom ryggraden kunde styra gångmönstret misstänkte Courtine att endast en svag signal från hjärnan skulle behövas för att djuren skulle börja gå frivilligt.
För att testa om råttorna kunde återfå hjärnstyrd kontroll av dessa rörelser, utvecklade han och hans team ett robotstödsystem som suspenderar råttor i en tvåfotad stående ställning och hjälper till med balansen men inte ger något framåtriktat momentum. Tio förlamade råttor tränades dagligen att gå med stimulering både på löpband och i robotsystemet. Efter två till tre veckor tog råttorna sina första frivilliga steg. Det är första gången vi har sett frivillig kontroll av förflyttning hos ett djur med [en skada] som normalt gör det helt förlamat, säger Courtine.
Nyckeln till denna återhämtning var råtthjärnans aktiva roll för att vilja gå framåt. Den elektriska och kemiska stimuleringen försätter råttans nervsystem i ett tillstånd där det är möjligt att gå, säger studiens medförfattare Janine Heutschi, och då måste du få råttan att vilja gå. Råttornas önskan att gå motiverades av chokladbelöningar och röstuppmuntran från forskarna (som du kan höra i den här videon från Swiss Federal Institute of Technology). Robotupphängningssystemet tvingar gnagarna att använda sina vilande bakben och inte dra sig framåt med sina fortfarande fungerande framben.
Kombinationen av elektrokemisk stimulering och aktiv träning, som inkluderade att gå i trappor och runt hinder, resulterade i nya neuronala förbindelser som gick förbi skadeplatsen. Vi främjade omfattande ombyggnad av de neuronala anslutningarna inte bara på platsen för skadan utan i hela det centrala nervsystemet, inklusive i hjärnan, säger Courtine. Det som var mest överraskande, säger han, var den fyrfaldiga ökningen av neuronala projektioner som skickades till hjärnstammen från den motoriska cortex, som ger medveten kontroll av rörelser. Den motoriska cortexen blir omorganiseringsprocessens maestro.
Råttornas medvetna avsikt var också nödvändig för ombyggnaden. Nervsystemet hos råttor som fick den elektrokemiska stimuleringen men tränade endast på löpband visade inte de anatomiska förändringarna. Du måste införliva en input från hjärnan, säger Heutschi. Det fungerar inte om råttan är på ett löpband; du måste tvinga dem att använda hjärnan för att kontrollera sina bakben.
Den kliniska betydelsen av fynden är oklart, enligt Rutgers Universitys neuroforskare Kloka Ung , på grund av den ovanliga kirurgiska skadan på försöksråttorna (två skärsår på varje sida av sladden på olika höjder). En mer relevant skada skulle ha varit en ryggmärgskontusion eller blåmärke, säger han.
Men andra experter tror att resultaten är lovande för de patienter som skadats av ryggmärgen som inte har ett helt snitt genom sladden. Även om alla förbindelser mellan hjärnan och den nedre ryggmärgen stördes i försöksråttorna, finns det några kvarvarande fibrer, så skönheten med deras teknik är att använda det robotiserade träningssystemet för att aktivera de återstående kopplingarna som kan låta cortex kontrollera lemmar och att återfå frivillig rörelse, säger Zhigang He , en neuroforskare vid Harvard Medical School. Det här robotbaserade träningssystemet får det att hända, säger han.
Planer pågår för att utveckla en version av träningssystemet i mänsklig storlek och att testa dess effekter i kliniska prövningar i Europa. Forskare vid det schweiziska federala tekniska institutet och andra europeiska institutioner arbetar också med en förbättrad, implanterbar version av det elektriska ryggradsstimuleringssystemet som kan leta sig in i människor nästa år.