Как будем лечиться: нейробиология – наука будущего

Новые методы борьбы с глухотой, слабоумием, слепотой и параличом предлагают нейробиологи. Сегодня это выглядит как медицина будущего, но успешность опытов позволяет говорить о том, что сотням тысяч пациентов уже очень скоро может быть оказана помощь, которая если не излечит полностью, то значительно улучшит качество жизни. 

Слабоумие

Электродные матрицы стимулируют умственную деятельность.

Слабоумие (деменция) поражает когнитивные функции: рабочую память, процесс принятия решений, язык и логические рассуждения. Теодор Бергер, биоинженер из Университета Южной Калифорнии, надеется помочь людям справиться с деменцией посредством устройства, имплантированного в префронтальную кору головного мозга – область, участвующую в сложном познании. Он и его коллеги из баптистского медицинского центра «Уэйк Форест» протестировали устройство в исследовании с участием пяти обезьян.

Обезьянам имплантировали электродную матрицу для записи мозговой активности из 2/3–5-го слоев префронтальной коры и стимулирования 5-го слоя: нейронные сигналы из этих слоев связаны с вниманием и принятием решений.

В ходе эксперимента ученым удалось изучить электрические сигналы, которые передавались между двумя кортикальными слоями в случае, когда обезьяны правильно решали поставленную задачу. Затем команда воздействовала на матрицу, чтобы она сгенерировала тот же сигнал перед тем, как обезьяна приняла решение. При этом точность выбора у животных улучшилась примерно на 10%. В ослабленном мозге этот эффект может быть еще более впечатляющим. В 2018 году та же команда успешно протестировала «протезную систему» памяти на человеке. Система использует собственные паттерны памяти человека, чтобы облегчить мозгу способность кодировать и извлекать информацию. 

Ученые имплантировали электроды в различные части мозга, а затем записали возникающие при этом уникальные паттерны мозговой активности – мозговой код. Затем разработали математическую модель, рассчитывающую алгоритмы кодов для формирования памяти. Также они записывали мозговой код, когда участники выполняли игру на запоминание, а затем с помощью этого кода воздействовали на работу нейронов гиппокампа. В этом исследовании показатели кратковременной памяти участников улучшились на 35–37%. 

Слепота

Генная терапия превращает клетки в фоторецепторы, что приводит к восстановлению зрения. 

Эти клетки, называемые палочками и колбочками, преобразуют входящий свет в электрические импульсы, которые мозг интерпретирует как изображение.

Несколько компаний разработали имплантаты с электродной матрицей, которые действуют в обход поврежденных клеток. Микропроцессор преобразует информацию с видеокамеры в электрические импульсы, которые стимулируют сетчатку. Но у матриц имеется существенный недостаток: они стимулируют небольшое количество клеток (около 60 из 100 000), что ограничивает разрешающую способность зрения.

Генетическая терапия, разработанная в Мичигане компанией RetroSense, может заменить тысячи поврежденных клеток сетчатки. Технология нацелена на слой сетчатки, содержащий ганглиозные клетки. Обычно они передают электрический сигнал от палочек и колбочек в мозг. Но специалисты RetroSense вводят ген, который делает ганглиозные клетки чувствительными к свету, и они берут на себя функцию фоторецепторов.

Компания начала клинические испытания технологии в 2014 году с девятью пациентами, потерявшими зрение. В отличие от операции по имплантации электродных матриц, процедура генной терапии занимает несколько минут и проходит под местной анестезией. 

В 2016 году после клинических испытаний RetroSense объявила об успешном применении препарата RST-001 на человеке. Лекарство предназначено для восстановления зрения у пациентов с пигментным ретинитом. Ученые надеются улучшить зрение у людей с необратимой потерей зрения. Это исследование – итог 20-летней работы компании в оптогенетике в сочетании с генной терапией. Сегодня опыты направлены на изучение безопасности средства при максимально допустимой дозе, чтобы планировать эффективность препарата в будущем.

Глухота

Стволовые клетки восстанавливают поврежденный слуховой нерв, улучшая слух. 

За последние 25 лет более 30 000 человек с потерей слуха получили электронный имплантат, который заменяет ушную улитку – орган в форме улитки во внутреннем ухе, клетки которого преобразуют звуковые волны в электрические сигналы. Устройство действует как микрофон, улавливая звуки из окружающей среды и передавая их в слуховой нерв, который затем отправляет их в мозг.

Однако существующий кохлеарный имплантат не поможет 10% людей, у которых потеря слуха вызвана повреждением слухового нерва. К счастью для таких людей, в 2012 году команда британских ученых нашла способ восстановить нерв с помощью стволовых клеток.

Исследователи обработали эмбриональные стволовые клетки человека факторами роста – специальными веществами, которые заставляют их дифференцироваться в предшественники слуховых нейронов. Затем они ввели около 50 000 таких клеток в улитки мышей-песчанок, чьи слуховые нервы были повреждены.

Через три месяца после трансплантации было восстановлено около трети от исходного количества слуховых нейронов; некоторые из них, по-видимому, формируют выросты, связанные со стволом мозга. Слух животных при этом улучшился в среднем на 46%.

Однако в 2017 году исследование группы ученых из Ратгерского университета (США) показало потенциальную опасность использования таких клеток. Дело в том, что стволовые клетки могут быть преобразованы в слуховые нейроны, которые устраняют глухоту, но, в то же время, этот процесс может вызвать чрезмерно быстрое деление этих клеток. Это приводит к увеличению риска развития рака. Тем не менее, в лабораторных условиях превращение стволовых клеток в слуховые нейроны можно контролировать, что поможет ученым выработать оптимальную стратегию заместительной терапии. 

Конечно, пройдут годы, прежде чем этот метод будет испытан на людях. Пока исследователи утверждают, что он способен помочь пациентам не только с повреждением нерва, но и с другими распространенными нарушениями, а также тем, чей слуховой нерв должен быть восстановлен, чтобы получить кохлеарный имплантат.

Паралич

Нейрокомпьютерный интерфейс управляет конечностями.

В 2012 году клинические испытания с использованием имплантатов головного мозга подарили надежду людям с серьезными повреждениями спинного мозга. Так, по результатам эксперимента двое парализованных почувствовали, что берут чашку кофе. Электродная матрица расшифровала нейронные инструкции в реальном времени и передала их в роботизированную руку, которая затем поднесла чашку кофе к губам.

Но чтобы двигать конечностями с разной точностью, мозгу нужна тактильная обратная связь. Мигель Николелис, биоинженер из Университета Дьюка, продемонстрировал, что нейрокомпьютерный интерфейс может одновременно управлять движением и передавать ощущение прикосновения.

Для эксперимента команда Николелиса поместила электроды в две области мозга у обезьян: моторную кору, которая контролирует движение, и близлежащую соматосенсорную кору, которая интерпретирует сигналы осязания из окружающей среды. Затем обезьянам предложили компьютерную игру, в которой они управляли виртуальной рукой сначала с помощью джойстика, а затем просто представляя движение. В игре рука могла коснуться трех одинаковых серых кругов. При этом у каждого круга была своя виртуальная «текстура», которая посылала различные электрические паттерны активности в соматосенсорную кору. Обезьяны научились выбирать текстуру, которая приносила вознаграждение, доказывая, что имплантат одновременно отправлял и получал нейронные сообщения.

Позднее М. Николелис создал некоммерческий проект Walk Again, в котором ученые помогают парализованным людям, оснащая их роботизированным экзоскелетом. В 2014 году в Сан-Паулу на открытии чемпионата мира по футболу 29-летний Джулиано Пинто с полным параличом нижней части туловища сделал символический первый удар по мячу в экзоскелете от проекта. 

В 2016 году в бразильском исследовании ученые проверили способность 8 пациентов с повреждениями спинного мозга контролировать экзоскелет с помощью имплантата. Через год врачи были настолько потрясены результатами работы у 4 пациентов, что изменили им диагноз с «полного паралича» на «частичный». Также большинство пациентов стали лучше контролировать мочевой пузырь и кишечник, что уменьшило их зависимость от слабительных и катетеров. Все это значительно снижает риск возникновения инфекций, которые часто встречаются у полностью парализованных пациентов и являются основной причиной смерти.