Согласно пресс-релизу ВОЗ, ежегодно в мире насчитывается до 500 тысяч случаев спинномозговых травм. Из них 90% приходится на ДТП, падения и враждебные действия со стороны других людей. Ассоциация нейрохирургов выделяет несколько механизмов повреждения позвоночного столба:
1. Компрессионные — результат резкого сдавления в вертикальной плоскости.
2. Дистракционные — сочетание давления с разрывом переднего и заднего сегмента позвонка.
3. Ротационные — то, что бывает, если к механизму травмы добавляется скручивание.
Разумеется, первые три механизма сочетаются при политравме и кататравме. Эти повреждения, затрагивающие несколько систем организма, характерны для высокоэнергетических травм. Например, падений с высоты и ДТП.
4. Колото-резаные.
5. Минно-взрывные.
Четвёртый и пятый виды находятся в сфере внимания не только нейрохирургии, но и криминалистики с военно-полевой медициной.
Почему важен спинной мозг?
Сложный организм нуждается в аппарате, который будет обеспечивать интеграцию его частей. Нервная система человека работает в реальном времени по принципу двусторонней направленной связи.
Из этого следует, что ЦНС принимает сигналы от рецепторов, сортирует электрохимические импульсы, применяя повышающие и понижающие коэффициенты, а после транслирует команду на клетки-исполнители.
В старой литературе было популярно мнение, что спинной мозг — это такой шлейф «проводов», обеспечивающих связь головы и тела. В последнее время стало понятно, что не всё так просто.
Эволюционно спинной мозг неотделим от головного. В жизнедеятельности примитивных организмов именно он выполняет ведущую функцию. Многие помнят историю об американском петухе, который долгое время жил практически без головы. Конечно, человек организован куда сложнее, а потому не может отдавать витальные (жизненно важные) функции на такой «аутсорс».
И всё-таки факт остаётся фактом. Спинной мозг обладает собственными нейронными сетями, которые выполняют просчёт движений на месте. Он сложнее, чем пучок магистральных проводов.
Спинальная травма приводит к тому, что все отделы организма, находящиеся ниже места повреждения, оказываются без координирующего влияния головного мозга. Если спинной мозг был перебит не полностью, какие-то сигналы ещё могут прорываться к телу. Тогда у человека будет некий резерв для реабилитации. В ином случае нервные сети, оставшиеся без работы, начинают деградировать.
При полном пересечении спинного мозга уже упомянутые «серверы» функционируют независимо от «босса» в голове. Тогда пробуждаются патологические рефлексы — набор стереотипных реакций, при которых рефлекторные дуги замыкаются на нижележащих отделах спинного мозга.
Рефлексы осуществляются на основе рефлекторной дуги. На языке кода она сводится к механическому принципу «IF — THEN». Поступивший импульс регистрируется рецептором. По афферентному (приносящему) волокну сигнал идёт в ЦНС. Там расположены вставочные нейроны.
Именно вставочные нейроны решают, отвечать ли организму на воздействие. Сформированный ими сигнал идёт на моторный нейрон. С помощью эфферентного (выносящего) волокна команда передаётся клеткам-исполнителям. Таким образом,у нас разгибается нога при ударе по коленной чашечке и отдёргивается рука, схватившая горячий предмет.
В случае спинальной травмы неизбежно проявится дисфункция тазовых органов, выражающаяся в задержке отделения мочи и стула. Впрочем, даже парезы и плегии — меньшее зло по сравнению со спинальным шоком. При нём возникает опасное падение артериального давления. Его причина состоит в нарушении баланса между двумя отделами вегетативной (автономной) нервной системы: симпатики и парасимпатики.
Спинальный шок
«На пальцах» разницу между ними понять нетрудно. Симпатика отвечает за возбуждение и тонус. Парасимпатика — за торможение и релаксацию.
Релакс может быть очень плохим, особенно когда им занимаются кровеносные сосуды. Их стенка расслабляется, падает перфузионное давление — и клетки остаются без кислорода из кровотока. Продукты распада тоже никто не выводит.
Сначала клетки пытаются бороться. По мере исчерпания ресурсов они переходят на более экономный путь извлечения энергии. Бескислородный.
Детский вопрос: зачем мы дышим? И правда, зачем людям вообще нужен кислород? Биохимики знают ответ. Кислород — краеугольный камень цикла Кребса. Именно на кислороде пересекается три принципиально важных пути метаболизма: клеточное дыхание, гликолиз и электрон-транспортная цепочка.
При отсутствии кислорода метаболизм переключается на анаэробный путь. При нём возникает меньше энергии, а ещё — изменение pH крови в кислую сторону. Показатель pH — величина логарифмическая. Это значит, что численный показатель изменяется на одну величину при увеличении или уменьшении в соответствующее количество раз.
Со школьной скамьи мы знаем разницу между кислотами и основаниями. Мол, кислота — это водород с кислотным остатком, а щёлочь — металл с ним же. В биохимии всё немного иначе. Тут кислота — любой донор электронов, а основание, соответственно, будет его акцептором.
Всё бы ничего, но атом, получивший положительный или отрицательный заряд становится ионом.
Нарастающий ацидоз ломает клеточные мембраны, что приводит к выходу продуктов распада и литических ферментов. В норме литические ферменты сидят запертыми в специальных органеллах клетки. Вырвавшись наружу, эти вещества начинают переваривать всё подряд. В такой ситуации становится как-то не до гемодинамики. Падение артериального давления становится катастрофическим. Сердце вроде бы качает кровь, лёгкие работают, но тело всё равно страдает от гипоксии.
Спинальный шок, как и все экстремальные состояния, находится в ведении анестезиологии-реаниматологии. Этот раздел медицины занимается протезированием жизненно важных функций. Интенсивная терапия шоков — дело сложное, крайне дорогое и не всегда успешное. Организм человека обладает резервом прочности за счёт буферных систем, но, будучи выбитым из равновесия, моментально уходит в крутое пике. Каждый новый виток патофизиологического круга усиливает предыдущий, и последствия могут быть самыми плачевными.
Спинномозговые имплантаты
Допустим, человека удалось спасти. Его жизнедеятельности ничто не угрожает, но он остаётся прикованным к кровати. Можно ли вернуть спинальному пациенту возможность активных движений?
Сейчас мы способны утвердительно ответить на этот вопрос. Путь к реабилитации предлагает индустрия нейропротезирования.
Блог FirstVDS уже писал о современной бионике. Мы освещали бионическое протезирование конечностей, глаз, ушей, немного коснулись искусственного производства внутренних органов методом биопринтинга.
В контексте сегодняшнего материала всё куда сложнее. Нервная система биологична, высокоорганизованна и подчиняется законам кибернетики. Она работает на каскадах электрохимических процессов в нейронах. Нервные сети накладываются друг на друга, порой самым неочевидным образом. Они сильно подвержены индивидуальной изменчивости.
После нашего экскурса в анатомию читатель видит, насколько сложная задача стоит перед производителями спинномозговых имплантатов. Если рука или даже глаз кое-как согласны мириться с бионикой, то полностью помирить мозг и металл ещё никому не удалось. Впрочем, существует несколько обходных тропинок.
В XXI веке мы не способны заменить головной или спинной мозг, но можем помочь электрическим импульсам в прохождении места разрыва.
Этот материал создавался на основе статьи «Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface», опубликованной в журнале «NATURE» 24 мая 2023 года.
В ходе исследования учёные смогли восстановить активные движения ног с помощью спинномозгового электростимулятора. Он представляет собой цифровой мост, установленный в эпидуральном пространстве.
Спинной мозг оплетён тремя оболочками: твёрдой, мягкой и паутинной. Твёрдая мозговая оболочка, она же dura mater, является вторым защитным звеном после костей. Установив имплантат на неё, можно добиться непосредственного контакта стимулятора с мозгом.
Мост восстанавливает контакт между корой головного мозга и отделами ЦНС, находящимися ниже места разрыва. Благодаря имплантату человек возвращает способность ходить, избегать препятствий и даже подниматься по лестнице.
Схема спинномозгового имплантата
Регистрирующую систему WIMAGINE создавали с расчётом под имплантацию в сенсомоторную кору головного мозга.
Электронные компоненты окружены корпусом из титанового сплава. Этот материал биологически инертен и практически невидим для иммунной системы. Внутренняя поверхность имплантата плоская. Она несёт матрицу из 64 платиново-иридиевых электродов диаметром в 2 мм с шагом в 4,5 мм. Так обеспечивается первый этап: запись сигнала, его регистрация и модуляция. Подробнее об этих вопросах будет рассказано в следующей части статьи.
Программная составляющая кодирует и модулирует сигналы. Впоследствии они отправляются к имплантируемому генератору импульсов.
Мозговая бионика имеет свои особенности. Организм воспринимает имплантат как чужеродного агента, запуская реакции воспаления. Этот недостаток обходится путём использования биологически инертных материалов. Иридий, титан и платина относятся именно к ним.
Следующий вопрос: как обеспечить бесперебойное питание электроники и её связь с внешней гарнитурой? Провода использовать нельзя. Любая магистраль, идущая к мозгу через кости черепа и твёрдую оболочку, будет выступать открытыми воротами для инфекции.
Инженерная проблема была решена с помощью двух антенн, спрятанных в силиконовый кожух. Первая, использующая частоту в 13,56 МГц, питает имплантированную электронику по механизму индуктивной связи. Похожим образом работают беспроводные зарядки современных смартфонов.
Напомним, что электрическое и магнитное поле не существуют друг без друга. Это всё грани единого электромагнитного поля. При прохождении электрического тока через индукционную катушку появляется магнитное поле. Одновременно с этим параллельно ему формируется электрическое поле. Параллельно электрическому полю возникает магнитное — и так со скоростью света в бесконечность.
Живые ткани прозрачны для многих видов электромагнитных волн. Естественно, их можно и нужно ловить, как это делают имплантированные модули нейростимулятора.
Вторая, ультравысокочастотная антенна на 405 МГц, общается с базовой станцией и блоком обработки данных в режиме реального времени. Таким образом сигналы с коры попадают на компьютерную периферию, где осуществляется интерпретация нервных импульсов на язык электроники, а также «предсказываются» будущие движения. Подробнее о том, как это происходит, будет сказано чуть ниже.
Программное обеспечение процессора анализирует декодированные сигналы с коры головного мозга. Серьёзная проблема всей бионики — это шум. Нервная система порождает огромное количество сигналов, и далеко не каждый из них имеет отношение к делу. Прежде чем декодировать сигнал, следует сперва отделить «мух от котлет». Алгоритмы потоковой обработки данных сортируют поступившую информацию согласно её релевантности. За счёт использования современных материалов и правильного исполнения нейрохирургической операции величина входного приведённого шума составляет всего лишь 0,7 мкВ по среднеквадратичному отклонению.
Дальше в дело вступает имплантируемый генератор импульсов ACTIVA RC. Схожие системы применяют для стимуляции головного мозга у пациентов, страдающих болезнью Паркинсона. Научная группа модифицировала устройство, добавив к нему модули беспроводной связи. Задержка между импульсом с головного мозга и эпидуральной стимуляцией составляет 100 мс. С учётом того, что технология предназначена для восстановления привычных движений, такой «лаг» не выглядит слишком долгим. В конце концов, речь идёт не о спортивных рекордах, а возможности встать с койки.
Аппаратный и программный модуль работают как единая интегрированная цепочка. Между головным и спинным мозгом образуется цифровой мост. Последний участник звена — имплантируемый генератор импульсов Specify 5-6-5, состоящий из массива на 16 электродов. Корковые сигналы проходят через процедуры модуляции, преобразуясь в аналоговые команды. Имплантат проводит их к задним корешкам спинного мозга. Уже оттуда сформированная команда достигает мышц нижних конечностей.
Программная часть. Аспекты декодирования
Декодирующее ПО «Matlab» принимает информацию через набор инструментов FIELDTRIP.
Как выявить намерение к движению? Эту работу выполняет алгоритм рекурсивной экспоненциально-взвешенной мультилинейной модели марковского переключения. В её состав входит классификатор скрытой марковской модели и набор независимых регрессионных моделей.
Каждая из регрессионных моделей осуществляет контроль над целыми группами степеней свободы конечностей. Дело в том, что нога или рука — не просто рычаг. В своей работе он подчиняется законам биомеханики.
Человек не смотрит на ноги, когда ходит. Мы и так знаем, какое положение занимает тело. Мы спокойно выполняем движения вслепую, не полагаясь на зрение. Это возможно благодаря тому, что на аппаратной части головного и спинного мозга непрерывно крутятся скрипты, отвечающие за восприятие схемы тела. Подробнее мы рассказывали в предыдущей статье.
Если коротко, мозг не контактирует с реальностью напрямую. Он создаёт абстрактную схему тела, которая выступает прокси-моделью организма. Чем активнее мы пользуемся тем или иным органом, тем ярче будут выражены соответствующие нейронные поля в коре.
Классификатор на основе НММ выполняет важную работу. Он оценивает вероятность активации конечности под конкретное движение. Гипотеза цепей Маркова выступает математическим аппаратом, благодаря которому возможно просчитывать непрерывные и динамические движения.
Классификатор НММ учитывает вероятность выброса и перехода нескольких переменных. К ним относится бедро, колено и лодыжка по отдельности, вместе или во всех возможных комбинациях плюс состояние покоя.
Контроль стояния и ходьбы осуществляется в динамике. Здесь модель немного упрощена, ведь человек не может одновременно шагать правой и левой ногой. Калибровка декодера осуществляется в режиме онлайн, базируясь на прошлых состояниях массива данных.
Но даже этого мало. Чтобы эффективно выполнить движение, имплантат должен непрерывно держать контакт со скелетной мускулатурой.
Электрическую активность считывают методом электромиографии со множества мышц нижней конечности.
Каждую пару электродов ставили на брюшко мышцы, ориентировав продольно по ходу волокон. Компьютер регистрирует непрерывные ЭМГ-сигналы на частоте 2 кГц с полосовой фильтрацией в диапазоне 20-450 Гц.
Ещё одна пара электромиографических электродов стала над позвоночником между грудным и поясничным отделом. Она отсекает артефакты стимуляции, позволяя процессору работать с чистым сигналом.
Нейротехнологии в обычной жизни
Интегрированная система состоит из умных «ходунков». На них расположен ноутбук, соединённый через USB с базовой станцией. От неё запитаны все имплантаты. Коннектор в гарнитуре интегрирован с антеннами, упомянутыми в предыдущих абзацах. Человек общается с аппаратно-программной частью устройства с помощью адаптивного тактильного интерфейса. Время динамической калибровки занимает менее 5 минут с минимальным вмешательством человека. Запуск алгоритмов, калибровка и локальное изменение двигательной модели происходит средствами программной оболочки.
Физические принципы, направленные на восстановление иннервации у спинальных пациентов, доказали свою эффективность у двух групп людей. К первой относятся пациенты с неполным сенсомоторным блоком. У них изначально были проводящие пути и нормальная скелетная мускулатура, но эффективной передаче импульса препятствовал локус травмы. В этом случае цифровой мост облегчал прохождение электрохимического сигнала.
Со второй группой ситуация немного сложнее. Это люди с полным сенсомоторным блоком. У них полностью разрушен канал передачи данных между головным и спинным мозгом.
На данный момент можно выделить три основных ограничения в применении и массовом внедрении нейроимплантатов. Мы не будем останавливаться на экономических составляющих вроде стоимости оборудования и производства, технологической базы государства, наличия профильных специалистов и платёжеспособности клиента. Эти аспекты понятны и так.
Параметры стимуляции должны быть точно подогнаны под целевую мускулатуру и выполнение конкретной задачи. Начало стимуляции должно идеально совпадать с возникновением электрической активности в сенсомоторной коре головного мозга, которое мы считаем намерением к движению. В конце концов, без верной модуляции будет невозможно подобрать нужную амплитуду сигналов.
По идее, спинномозговой интерфейс обходит все три ограничения. Его преимущество в том, что «родные» пути нервной системы и протезные тропинки сходятся на одних и тех же нейронах, которые сами ждут команды к действию. В ответ на работу нейроимплантатов начинается реорганизация нейронных сетей. Организм старается максимально привыкнуть к новым сигналам и учится давать на них адекватный ответ.
Эксперты выделяют ряд путей для дальнейшего совершенствования технологии. Главный из них — уменьшение линейных размеров коркового имплантата и базовой станции. Спинномозговой имплантат должен получить средства для предельной минимизации задержек беспроводной связи. Сами по себе кортикальные и спинальные имплантаты уже сейчас работают как звенья одной цепи, но у них есть задел для более тесной интеграции. Вероятнее всего, управлять ими должен высокопроизводительный, но при этом экономичный процессор с опцией самокалибровки. Каждый из этих вопросов достоин отдельного материала. Впрочем, исследовательская группа не видит технологических ограничений для внедрения этих инноваций. Оно вполне доступно и на данном этапе технологического развития.
Перспективы нейротехнологии. Что дальше?
Уже сейчас мы можем смело заявить, что спинальная травма поддаётся лечению и перестаёт быть однозначным синонимом инвалидизации. Нельзя не признать — пока столь прорывные методы лечения доступны лишь ограниченному кругу лиц. Для того чтобы вывести нейропротезирование на поток, вся индустрия должна получать весьма серьёзные субсидии от государства, а также финансирование со стороны независимых инвесторов. Чем больше операций будет проводиться, тем более совершенной станет методика внедрения имплантатов, а сами они продолжат эволюцию в сторону миниатюризации, незаметности и атравматичности. Прогресс в области информационных технологий не стоит на месте, поставляя новые алгоритмы работы с данными. Процессоры новых поколений сумеют обеспечивать большее число вычислений за меньшее время, а также экономнее подходить к расходу электроресурсов. Срок жизни батареи критически важен, особенно когда человек не имеет возможности регулярно подключать носимую электронику к розетке.
Вполне возможно, что рано или поздно нейропротезы окажутся в тесной связке с экзоскелетами — ещё одним способом вернуть человеку потерянные способности к движению. Всё это требует комплексного сотрудничества между специалистами разных областей, в том числе — не существующих на сегодняшний день. Именно на таких «белых пятнах» рождаются новые науки, а повседневная жизнь человека выходит на новый уровень комфорта, стабильности и безопасности.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
Источники:
-
Все изображения взяты из открытых источников и принадлежат правообладателям.
-
Henri Lorach, Andrea Galvez, Valeria Spagnolo, Felix Martel, Serpil Karakas, Nadine Intering, Molywan Vat, Olivier Faivre, Cathal Harte, Salif Komi, Jimmy Ravier, Thibault Collin, Laure Coquoz, Icare Sakr, Edeny Baaklini, Sergio Daniel Hernandez-Charpak, Gregory Dumont, Rik Buschman, Nicholas Buse, Tim Denison, Ilse van Nes, Leonie Asboth, Anne Watrin, Lucas Struber, …Grégoire Courtine Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface Nature volume 618, pages126–133 (2023) Published: 24 May 2023 https://doi.org/10.5281/zenodo.7680471.
-
Ассоциация нейрохирургов России: https://ruans.org/
-
Шмидт Р., Тевс Г., Ульмер Х.Ф. Физиология человека в трёх томах — 3-е изд. — М.: Мир, 2005. — 323 с. ISBN 5-03-003575-3.
-
Робинсон Дж. Р., Основы регуляции кислотно-щелочного равновесия, пер. с англ., М., 1969. В. П. Мишин.
-
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25014960/
Автор: Никита Игнатенко.
