Τα νευροπροσθετικά συστήματα που διεγείρουν τεχνητά τους μύες με ηλεκτρικό ρεύμα μπορούν να βοηθήσουν άτομα με παράλυση ή ακρωτηριασμό να ανακτήσουν τη λειτουργία των άκρων τους. Ωστόσο, παρά την πολυετή έρευνα, αυτός ο τύπος νευροπρόθεσης δεν χρησιμοποιείται ευρέως επειδή προκαλεί γρήγορη μυϊκή κόπωση και έχει κακό έλεγχο.
Οι ερευνητές του MIT ανέπτυξαν τώρα μια νέα προσέγγιση ελπίζοντας κάποια μέρα να επιτύχουν καλύτερο έλεγχο των μυών με λιγότερη κόπωση.
Αντί να χρησιμοποιούν ηλεκτρισμό για την διέγερση των μυών, χρησιμοποίησαν φως. Σε μια μελέτη σε ποντίκια έδειξαν ότι αυτή η οπτογενετική τεχνική προσφέρει ένα πιο ακριβή έλεγχο των μυών, μαζί με μια δραματική μείωση της κόπωσης.
ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ
Στην οπτογενετική οι ερευνητές χρησιμοποιούν τη γενετική μηχανική για να τροποποιήσουν τα κύτταρα έτσι ώστε να παράγουν φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες.
Μια εξωτερική πηγή φωτός μπορεί στη συνέχεια να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει τα τροποποιημένα αυτά κύτταρα, προσφέροντας στους ερευνητές έναν μη παρεμβατικό τρόπο ελέγχου τους.
«Αποδεικνύεται ότι χρησιμοποιώντας το φως, μπορεί κανείς να ελέγξει κάποιος τους μύεςς μέσω της οπτογενετικής πιο φυσικά. Όσον αφορά την κλινική εφαρμογή, αυτός ο τύπος διεπαφής θα μπορούσε να έχει πολύ ευρεία χρησιμότητα», λέει ο Hugh Herr, συνδιευθυντής του Κέντρου Βιονικής K. Lisa Yang στο MIT.
Για δεκαετίες, οι ερευνητές διερευνούν τη χρήση της λειτουργικής ηλεκτρικής διέγερσης (FES) για τον έλεγχο των μυών στο σώμα. Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει την εμφύτευση ηλεκτροδίων που διεγείρουν τις νευρικές ίνες, προκαλώντας τη σύσπαση των μυών. Ωστόσο, αυτή η διέγερση τείνει να ενεργοποιεί ολόκληρο τον μυ ταυτόχρονα, κάτι που δεν συνάδει με τον τρόπο με τον οποίο το ανθρώπινο σώμα ελέγχει φυσικά τη μυϊκή σύσπαση.
«Οι άνθρωποι διαθέτουν αυτή την απίστευτη πιστότητα ελέγχου που επιτυγχάνεται με μια φυσική στρατολόγηση διαδοχικά μικρών, μετρίου μεγέθους και μεγάλων κινητικών μονάδων, με αυτή τη σειρά, καθώς αυξάνεται η ισχύς του νευρικού σήματος», λέει ο Herr προσθέτοντας πως «με τη FES, όταν “χτυπάς” τεχνητά τους μυς με ηλεκτρισμό, στρατολογούνται πρώτα οι μεγαλύτερες μονάδες και έτσι, καθώς αυξάνει το σήμα, στην αρχή δεν αποκτά δύναμη ο μυς και ξαφνικά μετά αποκτά υπερβολική δύναμη». Αυτή η μεγάλη δύναμη όχι μόνο δυσκολεύει την επίτευξη λεπτού μυϊκού ελέγχου, αλλά επίσης κουράζει τους μύεςς γρήγορα, μέσα σε πέντε ή 10 λεπτά.
{https://www.youtube.com/watch?v=CTOZ7_ydRL8&t=13s}
Η ομάδα του MIT ήθελε να δει αν θα μπορούσε να αντικαταστήσει ολόκληρη αυτή τη διεπαφή με κάτι διαφορετικό και έτσι αντί για ηλεκτρόδια αποφάσισε να δοκιμάσει τον έλεγχο της συστολής των μυών με την οπτογενετική χρησιμοποιώντας οπτικές μοριακές μηχανές. Συγκεκριμένα, η ομάδα χρησιμοποίησε οπτογενετική για τον έλεγχο της μυϊκής συστολής σε γενετικά τροποποιημένα ποντίκια που μπορούσαν να εκφράζουν μια φωτοευαίσθητη πρωτεΐνη που ονομάζεται channelrhodopsin-2.
Για να διεγείρουν τα κύτταρα των ποντικών, οι ερευνητές εμφύτευσαν μια μικρή πηγή φωτός κοντά στο κνημιαίο νεύρο, το οποίο είναι υπεύθυνο για τις κινήσεις των μυών στο κάτω πόδι και, όπως είχε προβλεφθεί, διαπίστωσαν ότι ο οπτογενετικός έλεγχος προκάλεσε μια σταδιακή αύξηση της μυϊκής σύσπασης.
«Καθώς αλλάζουμε την οπτική διέγερση που προσφέρουμε στο νεύρο, μπορούμε αναλογικά, με σχεδόν γραμμικό τρόπο, να ελέγξουμε τη δύναμη του μυός. Αυτό είναι παρόμοιο με το πώς τα σήματα από τον εγκέφαλό μας ελέγχουν τους μύες μας. Εξαιτίας αυτού, γίνεται ευκολότερος ο έλεγχος των μυών συγκριτικά με την ηλεκτρική διέγερση», λένε οι επιστήμονες.
Χρησιμοποιώντας δεδομένα από αυτά τα πειράματα, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μαθηματικό μοντέλο οπτογενετικού μυϊκού ελέγχου που συσχετίζει την ποσότητα του φωτός που εισέρχεται στο σύστημα με την δύναμη που παράγεται. Αυτό το μαθηματικό μοντέλο επέτρεψε στους ερευνητές να σχεδιάσουν έναν ελεγκτή κλειστού βρόχου, όπου ο ελεγκτής εκπέμπει ένα διεγερτικό σήμα και αφού συσπαστεί ο μυς, ένας αισθητήρας ανιχνεύει πόση δύναμη ασκείται σε αυτόν. Αυτές οι πληροφορίες αποστέλλονται πίσω στον ελεγκτή, ο οποίος υπολογίζει εάν και πόσο πρέπει να ρυθμιστεί η φωτεινή διέγερση για να φτάσει ο μυς στην επιθυμητή δύναμη.
Χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο ελέγχου, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι μύες μπορούσαν να διεγερθούν για περισσότερο από μία ώρα πριν φτάσουν σε κόπωση, ενώ αντίθετα οι μύες κουράστηκαν μετά από μόλις 15 λεπτά διέγερσης με FES.
Ένα εμπόδιο που προσπαθούν τώρα να ξεπεράσουν οι ερευνητές είναι πώς να μεταφέρουν με ασφάλεια φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες στον ανθρώπινο ιστό. Πριν από αρκετά χρόνια, το εργαστήριο του Herr ανέφερε ότι σε αρουραίους, αυτές οι πρωτεΐνες μπορούν να πυροδοτήσουν μια ανοσολογική απόκριση που αδρανοποιεί τις πρωτεΐνες και θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε μυϊκή ατροφία και κυτταρικό θάνατο.
Η μελέτη εμφανίζεται στο Science Robotics .
Πηγή: ΜΙΤ
