Forscher haben Experimente durchgeführt, bei denen Ratten darauf trainiert wurden, Signale von ihrem Gehirn auf alternativen Wegen zu gelähmten Gliedmaßen zu senden.
Ein neuer Durchbruch bei der erfolgreichen Rehabilitation von Laborratten mit Rückenmarksverletzungen bietet langfristige Hoffnung auf ähnliche Ergebnisse beim Menschen.
Wissenschaftler in der Schweiz haben mithilfe robotergestützter Rehabilitation und elektrochemischer Rückenmarkstimulation Ratten mit klinisch relevanten Rückenmarksverletzungen geholfen, die Kontrolle über ihre gelähmten Gliedmaßen zurückzugewinnen.
Die Forscher wollten wissen, wie Gehirnbefehle für Funktionen wie Gehen oder Treppensteigen die Verletzung umgehen und dennoch das Rückenmark erreichen, um solch komplexe Aufgaben auszuführen.
Diese Wissenschaftler an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne Eidgenössische Technische Hochschule EPFL haben erstmals beobachtet, dass das Gehirn aufgabenspezifische motorische Befehle über alternative Wege umleitet, die aus dem Hirnstamm stammen und zu diesem projizierendas Rückenmark.
Die therapeutische Behandlung löst das Wachstum neuer Verbindungen vom motorischen Kortex zum Hirnstamm und vom Hirnstamm zum Rückenmark aus.
Diese Sequenz verbindet das Gehirn wieder mit dem Rückenmark - unterhalb der Verletzung.
Grégoire Courtine, PhD, der leitende Ermittler, und Léonie Asboth, eine Doktorandin an der EPFL, veröffentlichten ihre
Courtine ist außerordentlicher Professor an der EPFL, wo er den Lehrstuhl der International Paraplegic Foundation für Rückenmarksreparatur am Center for Neuroprosthetics und am Brain Mind Institute innehat.
"Das Gehirn entwickelt neue anatomische Verbindungen durch Regionen des Nervensystems, die nach einer Verletzung noch intakt sind", sagte Courtine in a Pressemitteilung auf der EPFL-Website: „Das Gehirn verdrahtet im Wesentlichen Schaltkreise aus Großhirnrinde, Hirnstamm und Rückenmark neu - eine umfassende Neuverdrahtung, die wir mithilfe der Mikroskopie des gesamten Gehirns und des Rückenmarks der nächsten Generation beispiellosen Details ausgesetzt haben.“
Asboth, der Hauptautor der EPFL-Studie, sagte in derselben Pressemitteilung: „Die Genesung erfolgt nicht spontan. Sie müssen die Tiere in eine intensive Rehabilitationstherapie einbeziehen, damit die Umverdrahtung stattfinden kann. In unserem Fall umfasst diese Therapieelektrochemische Stimulation des Rückenmarks und aktive Physiotherapie in einem intelligenten Hilfsgurt. “
Heute, nach 15 Jahren Forschung mit Ratten und Affen, leitet Courtine Studien mit menschlichen Patienten.
„Ich führe zusammen mit dem Neurochirurgen Dr. Jocelyne Bloch eine klinische Studie am Universitätsklinikum Lausanne durch“, sagte er zu GesundLinie. „Mehrere Patienten wurden mit derselben Stimulationstechnologie implantiert, die wir bei Primaten verwendet haben, und folgen nun dem Rehabilitationsprogramm. ”
Die Ergebnisse werden später in diesem Jahr oder irgendwann im nächsten Jahr veröffentlicht, sagte er.
Courtine sprach über seine Forschung in a Video das fasst die Präsentation zusammen, die er auf dem 13. Weltkongress der International Neuromodulation Society am 31. Mai 2017 in Edinburgh, Schottland, gehalten hat.
Er sagte, er habe seine Forschung - zuerst mit Nagetieren, dann mit nichtmenschlichen Primaten Affen und jetzt mit menschlichen Patienten - als Postdoktorand am Brain Research Institute der University of California in Los Angeles begonnen. Anschließend setzte er die Forschung alsFakultätsmitglied an der Universität Zürich, dann an der EPFL.
Von Anfang an war es sein Ziel, „Interventionen zu entwickeln, um die funktionelle Erholung nach Rückenmarksverletzungen zu beschleunigen und zu verbessern.“
Rückenmarksverletzungen SCI Unterbrechung der Kommunikation zwischen Gehirn und Lendenwirbelsäule.
„Bei Nagetieren haben wir die Lumbalkreise reaktiviert, um den Zellen die Art von Informationen zu liefern, die das Gehirn auf natürliche Weise liefern würde, um laufen zu können“, sagte Courtine im Video. „Wir verwenden zwei Formen der Modulation - pharmakologische und elektrische StimulationWir nennen diese elektrochemische Neuroprothese und verwandeln damit den Gehirnkreislauf von einem Ruhezustand in einen hochfunktionellen Zustand. “
Auf einem Laufband konnten gelähmte Ratten koordinierte Bewegungen zeigen, aber sie waren völlig unfreiwillig, sagte Courtine.
Diese Bewegungen zeigen die Fähigkeit des Rückenmarks, Informationen zu verarbeiten und den Muskel auf koordinierte Weise zu aktivieren, um ein automatisiertes Schrittmuster zu erzeugen.
Dies ist der erste Schritt dieser SCI-Intervention und ermöglicht sofort die Motorsteuerung.
Die Rehabilitation beinhaltet einige Schulungen.
„Wir trainieren die Tiere, aber nicht auf klassische Weise“, sagte Courtine. „Wir haben eine hochmoderne Roboterschnittstelle entwickelt, die es uns ermöglicht, die Ratten zu unterstützen, ähnlich wie ein Vater ein kleines Kind hochhält, das sie herstellterste Schritte. Aber die Ratte musste sehr hart arbeiten, um das gelähmte Bein zu erreichen. “
„Am Anfang hat es nicht sehr gut funktioniert“, fügte er hinzu. „Das Tier kann sehr gut auf dem Laufband laufen, aber wenn wir es auf die Roboterschnittstelle legen, können wir sehen, dass das Tier feststeckt und nicht einrastetsein gelähmtes Bein. ”
Dann macht das Tier nach und nach ein oder zwei Schritte. Aber es ist ein schwieriger Prozess, sagte Courtine, und die Belastung ist auf dem Gesicht des Tieres zu sehen.
„Doch er erkennt die ersten Schritte“, sagte er. „Von diesem Moment an verbessern sie sich jeden Tag. Sie werden immer besser. Und nach mehreren Monaten Rehabilitation entscheidet sich eine Ratte, die normalerweise vollständig gelähmt ist, mit dem Sprintenan die Wand stellen wir vor die Landebahn. ”
Dies war das erste Mal beim Experimentieren mit Rückenmarksmedizin, dass Courtine und seine Kollegen die Wiederherstellung der Vollzeitbewegung beobachteten, nachdem eine Läsion zu einer Vollzeitlähmung einer unteren Extremität führte.
Was ist der physikalische Mechanismus, der diese Wiederverbindung ermöglicht?
Courtine sagte, was er entdeckte, sei unerwartet.
„Wir haben eine sehr umfangreiche Toolbox für Neurotechnologie entwickelt. Dies war der Schlüssel zur Entwicklung eines evidenzbasierten Konzepts zur Anwendung der Stimulation bei höheren Säugetieren und schließlich beim Menschen. Um die Absicht des Tieres widerzuspiegeln, haben wir eine Elektrode implantiertdas Gehirn der nichtmenschlichen Primaten Affen in der Region, die den motorischen Kortex steuert, der normalerweise die Beinbewegungen steuert. “
„Wir wollten die abgetrennten Fasern nicht regenerieren oder nachwachsen lassen, aber der hochfunktionelle Zustand des Kreislaufs unterhalb der Verletzung ermutigte das System, neue Fasern zu züchten“, sagte er. „Diese Fasern haben die Verletzung nicht durchlaufen, sind es aberabhängig von Ersatzgewebebrücken, die neue Verbindungen herstellen und die Wiederherstellung der Gehirnkontrolle unterstützen, die das gelähmte Bein bewegt. “
Daofen Chen, PhD, ist Programmdirektor für Systeme und kognitive Neurowissenschaften und Neurorehabilitation am Nationalen Institut für neurologische Störungen und Schlaganfall NINDS der Nationalen Gesundheitsinstitute.
NINDS ist die wichtigste Finanzierungsagentur, die die klinische Forschung zu neurologischen Erkrankungen, einschließlich SCI, unterstützt.
„Dies ist möglicherweise eine der umfassendsten SCI-Tierstudien, die in den letzten Jahren durchgeführt wurden und eine Reihe modernster Forschungsinstrumente und innovativer experimenteller Ansätze verwenden“, sagte Chen gegenüber GesundLinie. „Es ist in der Tat bahnbrechend, neue Erkenntnisse in unser Verständnis zu liefernder neuronalen Strukturen und Funktionen und der möglichen zugrunde liegenden Mechanismen, die mit dem Wiederherstellungsprozess nach SCI verbunden sind. “
Die Stärke dieser Studie, sagte Chen, liegt in ihrer starken wissenschaftlichen Prämisse und den strengen experimentellen Entwürfen, mit erheblichen Anstrengungen, mögliche kausale Zusammenhänge zu identifizieren und zu bestätigen.
„Die Studie hat gezeigt, dass sowohl Neuromodulation wie Stimulationen, entweder elektrisch oder pharmakologisch, als auch Verhaltensinterventionen wie physische Reha-Trainings für den Genesungsprozess wesentlich sind.“
Nach seinem bedeutenden Durchbruch und den laufenden klinischen Studien mit menschlichen Patienten ist Courtine optimistisch.
„Wir haben zuvor gezeigt, dass Plastizität - die bemerkenswerte Fähigkeit des Nervensystems, nach einer Rückenmarksverletzung neue Verbindungen aufzubauen - beim Menschen noch robuster ist als bei Nagetieren“, sagte er.
