Естественная ходьба после травмы спинного мозга с использованием головного мозга

Nature, том 618, страницы 126–133 (2023 г.) Процитировать эту статью

260 тысяч доступов

1 Цитаты

6361 Альтметрический

Подробности о метриках

Травма спинного мозга нарушает связь между головным мозгом и областью спинного мозга, отвечающей за ходьбу, что приводит к параличу1,2. Здесь мы восстановили эту связь с помощью цифрового моста между головным и спинным мозгом, который позволил человеку с хронической тетраплегией естественно стоять и ходить в общественных местах. Этот интерфейс мозг-позвоночник (BSI) состоит из полностью имплантированных систем записи и стимуляции, которые устанавливают прямую связь между корковыми сигналами3 и аналоговой модуляцией эпидуральной электрической стимуляции, нацеленной на области спинного мозга, участвующие в процессе ходьбы4,5,6. Высоконадежный BSI калибруется за несколько минут. Эта надежность остается стабильной в течение года, в том числе при самостоятельном использовании в домашних условиях. Участник сообщает, что BSI позволяет ему естественным образом контролировать движения ног, когда он стоит, ходит, поднимается по лестнице и даже преодолевает сложную местность. Более того, нейрореабилитация, поддерживаемая BSI, улучшила неврологическое восстановление. Участник восстановил способность ходить на костылях по земле, даже когда BSI был выключен. Этот цифровой мост создает основу для восстановления естественного контроля движений после паралича.

При ходьбе мозг передает управляющие команды нейронам, расположенным в пояснично-крестцовом отделе спинного мозга7. Хотя большинство травм спинного мозга не повреждают эти нейроны напрямую, нарушение нисходящих путей прерывает команды головного мозга, необходимые этим нейронам для осуществления ходьбы8. Последствием является постоянный паралич.

Ранее мы показали, что эпидуральная электростимуляция, направленная на отдельные зоны входа дорсальных корешков пояснично-крестцового отдела спинного мозга, позволяет модулировать определенные моторные пулы ног9,10,11,12. В свою очередь, рекрутирование этих зон входа дорсальных корешков с помощью заранее запрограммированных пространственно-временных последовательностей воспроизводит физиологическую активацию моторных пулов ног, лежащую в основе стояния и ходьбы4,5,11,13,14. Эти последовательности стимуляции восстанавливали стояние и базовую ходьбу у людей с параличом из-за травмы спинного мозга. Однако для этого восстановления требовались носимые датчики движения, чтобы определять двигательные намерения по остаточным движениям или компенсаторные стратегии, чтобы инициировать заранее запрограммированные последовательности стимуляции5. Следовательно, контроль ходьбы не воспринимался как вполне естественный. Более того, участники продемонстрировали ограниченную способность адаптировать движения ног к изменяющейся местности и волевым требованиям.

Здесь мы предполагаем, что цифровой мост13,15,16,17,18,19 между головным и спинным мозгом позволит волевой контроль над временем и амплитудой мышечной активности, восстанавливая более естественный и адаптивный контроль над стоянием и ходьбой у людей с паралич вследствие травмы спинного мозга.

Чтобы создать этот цифровой мост, мы объединили две полностью имплантированные системы, которые позволяют регистрировать активность коры и стимуляцию пояснично-крестцового отдела спинного мозга беспроводным способом и в режиме реального времени (рис. 1а).

а. Два кортикальных имплантата, состоящих из 64 электродов, расположены эпидурально над сенсомоторной корой для сбора сигналов ЭКоГ. Блок обработки прогнозирует двигательные намерения и преобразует эти прогнозы в модуляцию программ эпидуральной электростимуляции, нацеленных на зоны входа дорсальных корешков пояснично-крестцового отдела спинного мозга. Стимуляция осуществляется с помощью имплантируемого генератора импульсов, подключенного к 16-электродному электроду. б — изображения, показывающие предоперационное планирование расположения кортикальных имплантатов и послеоперационное подтверждение. Л, слева; Р, верно. c. Персонализированная вычислительная модель, прогнозирующая оптимальную локализацию электрода для нацеливания на зоны входа дорсальных корешков, связанных с мышцами нижних конечностей, и послеоперационное подтверждение.