Naukowcy zidentyfikowali neurony, które mogą pomóc sparaliżowanym ponownie stanąć na nogi

W wieloletnim programie badawczym szwajcarscy naukowcy z Politechniki Federalnej w Lozannie oraz ze Szpitala Uniwersyteckiego w Lozannie, przy współpracy z uczonymi z innych placówek, badają jak pomóc pacjentom, którzy utracili zdolność poruszania się w wyniku urazu kręgosłupa. Ich celem jest przywrócenie funkcji motorycznych sparaliżowanym osobom. W nowych badaniach uczeni wykazali, że ukierunkowana stymulacja zewnątrzoponowa obszaru kontrolującego ruch nóg może pozwolić takim pacjentom z powrotem stanąć na nogi. Co więcej, zidentyfikowali oni populację komórek nerwowych, które są kluczowe w tym procesie.

Opis w rezultaty badań ukazały się w dwóch artykułach na łamach pisma "Nature" (DOI: 10.1038/s41586-022-05385-7, DOI: 10.1038/d41586-022-03605-8).

Wypadek samochodowy lub inny poważny uraz może doprowadzić do zerwania połączeń nerwowych w rdzeniu kręgowym, odcinając obwody, które pozwalają ludziom kontrolować różne części ciała. Ale niektóre połączenia pozostają. Stymulowanie ich elektrycznością – poprzez chirurgiczne wszczepienie wiązki elektrod w dolną część rdzenia kręgowego – w połączeniu z fizjoterapią i rehabilitacją może przywrócić kontrolę nad ciałem.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Szwajcarscy naukowcy już wcześniej pokazali, że sparaliżowane osoby mogą odzyskać zdolność poruszania się. W 2018 roku zespół z Politechniki Federalnej w Lozannie i Szpitala Uniwersyteckiego w Lozannie wykazał, że w połączeniu z treningiem i ćwiczeniami dostarczanie impulsów elektrycznych za pomocą implantu do nerwów dolnego odcinka kręgosłupa (zewnątrzoponowa stymulacja elektryczna), może pomóc ludziom z urazem rdzenia kręgowego odzyskać kontrolę sparaliżowanych od lat mięśni nóg (więcej na ten temat w tekście: Implant postawił trzech sparaliżowanych mężczyzn na nogi). W badaniach sprzed roku zespół ze Szpitala Uniwersyteckiego w Lozannie także dzięki implantom elektrycznie stymulującym nerwy kontrolujące ruchy tułowia i nóg postawił na nogi całkowicie sparaliżowane od pasa w dół osoby (więcej na ten temat w badaniach: Implant kręgosłupa pozwolił sparaliżowanym osobom odzyskać zdolność poruszania się).

Naukowcy już od jakiegoś czasu wiedzą, że elektryczna stymulacja rdzenia kręgowego po urazie może przywrócić funkcje motoryczne pacjenta, przynajmniej w pewnym stopniu. Jednak ani lekarze, ani naukowcy nie są pewni, dlaczego i jak działa to podejście. Dlatego do nowej fazy badań włączono kolejnych dziewięć osób z ciężkim lub całkowitym paraliżem. Przez pięć miesięcy pacjenci byli poddawani stymulacji elektrycznej kręgosłupa. Stosowali też intensywne ćwiczenia oraz rehabilitację. Wszystkie z nich odzyskały lub poprawiły zdolność chodzenia po zastosowaniu nowej terapii.

Co istotne, tak jak w poprzednich badaniach, tak i w nowych poprawa funkcji motorycznych utrzymywała się u pacjentów po zakończeniu procesu neurorehabilitacji i po zakończeniu stosowania stymulacji elektrycznej. To sugeruje, że włókna nerwowe używane podczas chodzenia uległy reorganizacji.

W trakcie badań uczeni zdołali zwizualizować aktywność komórek nerwowych w rdzeniu kręgowym tych osób zarówno przed, jak i po poddaniu się leczeniu, podczas chodzenia. Co zaskakujące, po leczeniu rdzenie kręgowe tych osób wykazywały mniejszą aktywność niż wcześniej. Wbrew intuicji, po uruchomieniu stymulacji aktywność komórek nerwowych w tym miejscu spadła.

Aby lepiej zrozumieć mechanizm tutaj działający, naukowcy powtórzyli badania, ale tym razem na myszach, których rdzenie kręgowe zostały uszkodzone. Badacze naśladowali każdy aspekt leczenia myszy — od urazu i stymulacji elektrycznej po trening z specjalnie skonstruowanym robotem zapewniającym stabilność.

W różnych fazach terapii mierzyli też aktywność genów w określonych populacjach komórek nerwowych w rdzeniu kręgowym. W ten sposób powstała niezwykle szczegółowa mapa typów komórek nerwowych w rdzeniu kręgowym. Następnie wykorzystali algorytm uczenia maszynowego do wyszukania mysich neuronów, które wykazywały największe zmiany w aktywności genów na określonych etapach rehabilitacji. Innymi słowy, program posłużył do określania, które populacje komórek nerwowych były najważniejsze podczas procesu zdrowienia.

Zespół zauważył zaskakującą właściwość specyficznej subpopulacji neuronów w rdzeniu kręgowym myszy wykazujących ekspresję genu Vsx2 oraz Hoxa10. Ich aktywność po stymulacji elektrycznej znacznie wzrosła. Neurony te zdrowym myszom nie są niezbędne do chodzenia, ale jak się okazało, są niezbędne do przywrócenia funkcji motorycznych po urazie rdzenia kręgowego.

Wyciszenie tych neuronów u myszy zaburzyło proces regeneracji za pośrednictwem elektrycznej stymulacji rdzenia kręgowego, podczas gdy ich aktywacja – nawet przy braku stymulacji – powodowała poprawę procesu powrotu do zdrowia. Z kolei blokowanie aktywności tych komórek u zdrowych myszy nie wpłynęło na ich zdolność chodzenia. Jak przyznał Grégoire Courtine, jeden z liderów zespołu z Politechniki Federalnej w Lozannie, neurony te prawdopodobnie nie są jedynymi, które odgrywają rolę w regeneracji i że inne populacje neuronów mogą być również ważne.

- Po urazie rdzenia kręgowego jest dużo chaotycznej aktywności, w której wiele neuronów próbuje funkcjonować – mówi Jocelyne Bloch, współautorka badania. - Rehabilitacja elektryczna organizuje sieć komórek i faktycznie zwiększasz aktywność określonego typu komórek, podczas gdy wszystkie inne komórki nie są aktywowane. Komórki te są ważne dla odzyskania zdolności chodzenia u myszy po urazie. Ale kiedy wyłączymy je u zdrowych myszy, nie wpływa to na ich zdolność chodzenia - dodaje.

Eiman Azim, neurobiolog z Salk Institute for Biological Studies w La Jolla w Kalifornii, przyznał, że u ludzi za ten efekt prawdopodobnie odpowiadają te same neurony, ponieważ architektura kręgosłupa jest bardzo podobna u kręgowców, w tym ludzi i myszy. Według niego, szczegółowe zrozumienie obwodów rdzenia kręgowego mogłoby pozwolić neurobiologom na bezpośrednie manipulowanie aktywnością określonych neuronów za pomocą innych metod leczenia, takich jak terapia genowa. W powrocie do sprawności mogłyby pomóc też terapie komórkami macierzystymi, które mogłyby zastąpić kluczowe populacje neuronów.

To badanie to dopiero pierwszy krok i należy odpowiedzieć na wiele pytań, zanim elektryczna stymulacja zewnątrzoponowa stanie się podstawową terapią dla pacjentów z urazem rdzenia kręgowego. Nadal nie jest jasne, czy podejście to powoduje skutki uboczne, ani jak długo trwa poprawa. Odkrycia te mogą doprowadzić również do poszukiwania typów neuronów, które pomagają w odzyskaniu innych funkcji motorycznych.

Źródło: DziennikNaukowy.pl