Абдул Латиф Джамил Лаборатория действий по борьбе с бедностью (J‑PAL)
Институт Пиковера по изучению обучения и памяти
Школа гуманитарных, художественных и социальных наук
Шварцмановский колледж вычислительной техники MIT
Превращение мышц в моторы дарит новое дыхание «неподвижным» органам
Что если бы существовала технология, способная оживить части тела, утратившие связь с мозгом — например, пузырь, который больше не может опорожняться из‑за травмы спинного мозга, или кишечник, не способный проталкивать пищу при болезни Крона? Что если бы эта же технология могла возвращать в мозг ощущения, такие как голод или прикосновение?
Новое исследование MIT дает представление о таком будущем. В открытом доступе, опубликованном сегодня в Nature Communications, исследователи представляют новый мионевральный привод (MNA), который перепрограммирует живые мышцы в устойчивые к утомлению, управляемые компьютером моторы, пригодные для имплантации в тело с целью восстановления движения органов.
«Мы создали интерфейс, который использует естественные пути нервной системы, чтобы бесшовно управлять органами в теле, одновременно обеспечивая передачу сенсорной обратной связи в мозг», — говорит Хью Херр, старший автор исследования, профессор медиаискусств и наук в MIT Media Lab, содиректор Центра бионики K. Lisa Yang и ассоциированный член Института МакГоверна по исследованиям мозга в MIT. Исследование было со‑руководимо постдоком Гильермо Эррера‑Аркосом и бывшим постдоком Хёнгьюном Сонгом.
Перепрофилируя существующие мышцы в теле, исследователи разработали первый «живой» имплантат, который использует переконфигурированные сенсорные нервы для возвращения функций парализованных органов — это может породить новый жанр медицины, где собственные ткани человека становятся аппаратным обеспечением.
Многие ученые пытались восстановить функцию парализованных органов, но крайне сложно создать технологию, которая одновременно взаимодействует с нервной системой и не утомляется с течением времени. Некоторые предпринимали попытки внедрить миниатюрные приводы — небольшие устройства, приводящие в движение бионические конечности — в тело. Однако, по словам Эррера‑Аркоса, «трудно делать приводы на сантиметровом уровне, и они не очень эффективны». Другие сосредоточились на создании мышечной ткани в лаборатории, но построение мышц клетка за клеткой требует много времени и далеко от готовности к клиническому применению.
Команда Херра пошла иным путем.
«Мы превратили существующие мышцы в привод, или мотор, который восстанавливает движение органов», — говорит Сонг.
Для этого исследователям необходимо было учитывать тонкую динамику нервной системы. Привод должен был взаимодействовать с нервной системой для корректной работы, но при этом каким‑то образом избежать непосредственного контроля со стороны мозга. «Вы не хотите, чтобы мозг сознательно управлял мышечным приводом, потому что вы хотите, чтобы привод автоматически контролировал орган, например сердце», — объясняет Эррера‑Аркос. Создание управляемой компьютером мышцы для движения органов могло бы обеспечить автоматическую функцию и обойти поврежденные мозговые пути.
Включение мотонейронов в привод могло бы помочь генерировать движение, но эти нейроны напрямую контролируются мозгом. «Сенсорные нейроны, однако, настроены на приём, а не на командование», — поясняет Сонг. «Мы подумали, что можем воспользоваться этой динамикой и перенаправить моторные сигналы через сенсорные волокна, сделав компьютеру — а не мозгу — новым центром управления мышцей».
Чтобы добиться этого, сенсорные нервы должны были свободно интегрироваться с мышцей, и учёные ранее не знали, возможно ли это. Поразительно, когда команда заменила мотонервы в мышцах грызунов сенсорными, «сенсорные нервы реиннервировали мышцы и сформировали функциональные синапсы. Это огромное открытие», — говорит Эррера‑Аркос.
Сенсорные нейроны не только позволили использовать цифровой контроллер, но и помогли снизить утомляемость мышц — увеличив устойчивость к утомлению в мышцах грызунов на 260 процентов по сравнению с нативными мышцами. Это связано с тем, что утомление во многом зависит от диаметра аксонов, или кабелеподобных отростков, которые иннервируют мышцы. Аксоны мотонейронов сильно различаются по размеру, и при электрической стимуляции мотоневра первые активируются самые крупные аксоны — это быстро истощает мышцу. Сенсорные же аксоны почти одинаковы по диаметру, поэтому сигнал распределяется более равномерно по мышечным волокнам, избегая быстрой утомляемости, объясняет Эррера‑Аркос.
Они объединили все эти элементы в устойчивый к утомлению биогибридный мотор, названный мионевральным приводом (MNA). Обернув привод вокруг парализованной части кишечника у грызуна, исследователи вернули органу способность сжиматься. Они также успешно управляли мышцами голени грызуна в эксперименте, имитирующем остаточную мышечную ткань при ампутации нижней конечности у человека. Важно, что система MNA передавала сенсорные сигналы в мозг. «Это означает, что наша технология может бесшовно связать органы с мозгом. Например, мы, возможно, сможем заставить парализованный желудок передавать ощущение голода», — объясняет Сонг.
Выведение MNA в клинику потребует дальнейших испытаний на крупных животных моделях и, в конечном счете, на людях. Но если пройти все регуляторные проверки, их система может проложить более мягкий и безопасный путь к оживлению неподвижных органов. Имплантация MNA потребует операции, уже нередко выполняемой в клинике, говорят исследователи, а их система может оказаться проще и безопаснее в реализации, чем механические устройства или трансплантация органов, которые вводят в тело чужеродные материалы.
Команда надеется, что новая технология сможет улучшить жизнь миллионов людей с нарушениями функции органов. «Современные решения в основном синтетические: кардиостимуляторы и другие механические вспомогательные устройства. Живой мышечный привод, имплантированный рядом с ослабленным органом, стал бы частью самого тела. Это категория медицины, отличная от всего, что раньше встречалось в клинике», — объясняет Эррера‑Аркос.
Сонг отмечает, что особый интерес представляет кожа. «Гипотетически мы могли бы обернуть MNA вокруг кожных трансплантатов, чтобы передавать тактильную обратную связь, такую как растяжение или напряжение, чего сейчас не хватает пользователям протезов». Их технология могла бы также расширить возможности систем виртуальной реальности. «Идея в том, что если мы свяжем систему MNA с кожей и мышцами, человек мог бы чувствовать, что касается его виртуальный аватар, даже если его реальное тело при этом не движется», — говорит Сонг.
«Наше исследование на пороге того, чтобы дарить новую жизнь различным частям и продолжениям тела», — добавляет Эррера‑Аркос. «Захватывающе думать, что наша система может расширить человеческие возможности способами, которые раньше принадлежали только научной фантастике».
Частично это исследование финансировалось Yang Tan Collective в MIT, Центром бионики K. Lisa Yang в MIT, Nakos Family Bionics Research Fund в MIT и Фондом Карла и Рут Шапиро.
Институт МакГоверна по исследованиям мозга
Кафедра исследований мозга и когнитивных наук
Школа архитектуры и градостроительства
Бионическое колено, интегрированное в ткань, может восстановить естественное движение
Протез, управляемый нервной системой, помогает людям с ампутацией ходить естественно
Ученые MIT научились управлять мышцами с помощью света
Обеспечение ИИ «кристально ясным» взглядом на мир материалов
Поддержка сообщества среди инноваций Кендалл‑сквер
Сьюзи Нельсон изменила студенческую жизнь в MIT
Студенческие лидеры MIT: интервью с президентом Ассоциации студенческих мероприятий Ханой Соуса
Отчет о состоянии устойчивости цепочек поставок: приверженность корпораций на рекордно высоком уровне, но управление отстает
Модель ИИ декодирует язык, которым клетки общаются
Массачусетский технологический институт
77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA, USA
